книги / Сварка и свариваемые материалы. Свариваемость материалов

Рис. 8.2. Номограмма для определения режимов сварки и предварительного подогрева

8.5. Технология сварки и свойства сварных соединений

Технология сварки низколегированных сталей должна проек­ тироваться с учетом того обстоятельства, что при уменьшении погонной энергии и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоны термического влияния возрастает веро­ ятность расцада аустенита с образованием закалочных струк­ тур. При этом будет отмечаться снижение сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин и хруп­ кому разрушению. При повышенных погонных энергиях наблю­ дается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая фер­ рито-перлитная структура видманштеттового типа с понижен­ ной ударной вязкостью.

8.5.1. Ручн^я cgap*0

Технология пучИ0^ дУгов°й сварки низколегированных сталей практическц" отличается от соответствующей технологии

сварки низн0у^ородистых сталейСварку ниак^дегированных сталев осуществляют электро­

дами типа ^46А и 350А с фтористо-кальциевым покрытием, ко­ торые позволЯют достигать более высокую стойкость против образование к-)йС'Галлизадионных трещин и повышенную пла­ стичность пп спдв^ению с электродами других типов. Для ста­

меняют электроды ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.

8.5.2. Сварка под Флюсом

Технология сварки под флюсом низколегированных сталей

практически така* же> ка1< и для низкоуглеродистых сталей. В качестве флюсов ПРИ однодуговой сварке применяют флюсы марок АН-348А И ОСЦ-45, а при многодуговой на повышенной

скорости — АН-60.

Для сталей маР0К 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 при эксплуатации не ниже —40 °С рекомендуется использовать сварочные про­ волоки Св-08ГА, Св-ЮГА, а при температурах эксплуатации до —70 °С (сталь 09Г2С в нормализованном состоянии) — сва­ рочные проволоки Св-ЮНМА, Св-ЮНЮ, Св-08МХ с целью обеспечения достаточного уровня ударной вязкости.

8.5.3. Электрошлаковая сварка

Электрошлаковая сварка по общепринятой технологии сталей толщиной свыше 30 мм осуществляется, как правило, с после­ дующей или сопутствующей нормализацией с целью повышения ударной вязкости металла шва и ЗТВ до регламентируемого

щиной стенки до 100 мм при температуре эксплуатации не ниже —40 °С (сталь 16ГС) и не ниже —55 °С (сталь 09Г2С) в соответствии с ОСТ 291—81 допускается применять электрошлаковую сварку с регулированием термических циклов в

сочетании с последующим отпуском (4]. При этом удается не только обеспечить равнопрочность, но и достаточно высокий уровень сопротивления сварных соединений хрупкому разруше­ нию без применения последующей высокотемпературной тер­ мообработки.

Например, значения KCU~*° металла шва и околошовного участка составляют от 0,6 до 0,7 МДж/м2, а основного ме­ талла— стали 16ГС толщиной 60 мм — 0,8 МДж/м2.

Соответствующие данные для сварных соединений стали 09Г2С толщиной 60 мм при температуре испытаний —60 °С равны 0,66 и 0,75 МДж/м2, а для основного металла 0,58 МДж/м2.

По уровню параметров трещиностойкости металл шва и зоны термического влияния не уступают основному металлу — норма­

я = 3,82; dl/dN при A/Cic=/Cic/1,5 составляет 0,68-10- 3 мм/цикл. Увеличение интенсивности охлаждения при электрошлаковой сварке с регулированием термических циклов предотвращает образование структурно-свободного феррита при у “*■«-превра­ щении. Отмеченное препятствует протеканию коррозионных процессов, а уменьшение размеров карбидных частиц, играю­ щих роль коллекторов водорода, тормозит катодную реакцию при эксплуатации сварных соединений в коррозионно-активных

средах.

Особенностью термоупрочненных сталей является их склон­ ность к разупрочнению при сварке.

Применение сопутствующего охлаждения позволяет обеспе­ чить равнопрочность сварных соединений с основным термоуп­ рочненным металлом и повысить их сопротивление хрупкому разрушению. Например, при механизированной дуговой сварке под флюсом по общепринятой технологии коэффициент прочно­ сти сварных соединений сталей 14ГН, 16ГС, 09Г2С толщиной 12 мм составил 0,75—0,77, а при сварке с сопутствующим ох­ лаждением — не менее 0,98. Значения критических температур перехода в хрупкое состояние металла околошовного участка сварных соединений при переходе от общепринятой технологии к технологии сварки с сопутствующим охлаждением снизились на 40—50 °С и достигли уровня Ткр основного термоупрочнен­ ного металла.

При переходе от общепринятой технологии электрошлаковой сварки к технологии электрошлаковой сварки с регулирова­ нием термических циклов термоупрочненной стали 09Г2С (сва­ рочная проволока Св-10НМ, флюс АН-8, последующий отпуск

Суммарное содержание Zr и Ti не превышает 0,2% , a Nb, Ti и W ~ 0,16 %. В качестве микролегирующих элементов используют редкоземельные (Се, La, Y), а также N.

Микролегирующие элементы вводят в состав стали как в процессе ее выплавки, так и в ходе внепечной обработки. Они могут присутствовать в металле в составе включений вторых фаз или непосредственно в матрице. Например, в сталях, микролегированных V и Nb (иногда дополнительно А1 и Ti) в сочетании с повышенным до 0,03 % содержанием N, образуются дисперсные карбонитридные фазы, существенно повышающие их прочность.

Для повышения ударной вязкости и снижения анизотропии свойств ог­ раничивают содержание S в составе стали до 0,005—0,012 %.

Химический состав ряда марок микролегированных сталей приведен в табл. 9.1. Аналогами этих марок сталей в зарубежной практике являются стали типов Х55—Х80.

в составе стали существенно снижаются вязкопластические свойства и ухуд­ шается свариваемость. Поэтому в последние годы получают распростране­ ние малоперлитные стали с ограниченным содержанием С (до* 0,12 %). Для компенсации понижения прочности их легируют марганцем до 1,7 % микролегируют V, Сг, Мо. К отечественным малоперлитным сталям относятся стали марок 07Г2ФБ, 08Г2СФБ, 09Г2ФБ.

Из микролегированных сталей с бейнитной структурой нашли примене­ ние марки 12Г2СМФ и 12ГН2МФАЮ.

9.3. Термообработка и свойства сталей

9.3.1. Термомеханическая обработка

Различают два вида термомеханической обработки — низкотемпературную (НТМО) и высокотемпературную (ВТМО) [1].

НТМО включает пластическое деформирование аустенита в области его повышенной устойчивости, но ниже температуры рекристаллизации, и после­ дующую закалку. Этот процесс называется аусформингом. Существенное повышение прочности стали после такой обработки связано с эффектом на­

можности обеспечения как высокой прочности, так и повышенного сопро­ тивления. стали хрупкому разрушению. Причем по уровню пластичности при одинаковой прочности низколегированная сталь после ВТМО превос­ ходит обычную термоупрочненную сталь. При ВТМО сталь подвергают пластическому деформированию до начала процесса у-их-превращения для обеспечения развитой полигональной структуры и осуществляют закалку для получения мелкореечного пакетного мартенсита.

В зависимости от степени легирования стали и толщины проката ВТМО можно осуществить также с интенсивностью охлаждения, обеспечивающей получение в прокате мелкозернистой бейнитной структуры.

Отличительной особенностью другой разновидности ТМО — изоформинга является аустенитизация стали, охлаждение ее до интервала температур перлитного превращения и пластическое деформирование в этом интервале температур со степенью обжатия до 70 %. В результате обеспечивается по­ лучение в стали мелкодисперсной феррито-перлитной структуры. При этом наряду с высокой прочностью достигается увеличение (иногда на порядок) характеристик сопротивления хрупкому разрушению стали.

Контролируемая прокатка (КП) низколегированной стали — это ее вы­ сокотемпературная обработка,, отличающаяся тем, что режимы нагрева под

обработку давлением и пластического деформирования заготовки выбирают такими, чтобы получить в ней высокодисперсные рекристаллизованные зерна аустенита. При дальнейшем охлаждении металла из аустенитного со­ стояния образуются многочисленные зародыши a -фазы, а дисперсные кар­ биды препятствуют росту ферритных кристаллов. Ферритные зерна полигонизуются и упрочняются в результате выделения сверхмелких карбонитридов.

Таким образом, в сталях, применяемых в ТМО состоянии, карбо- и нитридообразующие элементы играют существенную роль в их упрочнении.

9.3.2. Термообработка из межкритического интервала температур

Одним из Методом термообработки микролегированных сталей, обеспечива­ ющих повышение их прочности и пластичности, является термообработка из межкритического интервала температур. В результате проведения такой термообработки получают так называемые двухфазные феррито-мартенсит­ ные стали. В действительности структура таких сталей более разнообразна и включает в себя также бейнит, остаточный аустенит и феррит двух типов: исходный (старый), существовавший ранее, и эпитаксиальный (новый), об­ разующийся при охлаждении из межкритического интервала (МКИ) темпе­ ратур. Причем мартенсит может быть двух морфологических разновидно­ стей— высокоуглеродистый игольчатый и низкоуглеродистый пакетный. Фа­ зовый состав стали, как и уровень механических свойств, зависит как от

в результате охлаждения из межкритической области температур в струк­ туре стали образуется 10—20 % мартенсита и бейнита. Наиболее эффективно применение такой термообработки для низколегированных сталей с содер­ жанием С от 0,06 до 0,13 %, около 1,3 % Мп и 0,25— 1,55 % Si. Для подав­ ления процесса образования перлита при у-ия-превращении осуществляют легирование сталей Mo, Сг, V

При закалке в воде из межкритического интервала температур проч­ ностные показатели сталей возрастают с увеличением максимальной тем­ пературы нагрева в диапазоне Асх—Лс3, а пластичность снижается, так как при этом весь образовавшийся аустенит превращается в мартенсит. При

пониженных скоростях охлаждения, когда аустенит распадается по диффу­ зионному механизму, механические свойства практически не зависят от тем­ пературы нагрева в диапазоне Асх—Лс3.

Как правило, для получения феррито-мартенситной структуры и реали­

тем в работе [2] показано, что в низколегированных кремнемарганцовистых сталях с 1,8—2,3 % Мп эффект упрочнения достигается при пониженных скоростях охлаждения, не превышающих 0,04 °С/с. На этой основе разра­ ботан ряд марок сталей (09Г2СЮЧ, 09ХГ2СЮЧ, 10ХГ2МЧ) для производ­ ства сварных сосудов, работающих под давлением, которые после охлажде­ ния из МКИ температур на воздухе имеют (Тт= 540—900 МПа и о в = 720— 1120 МПа.

9.4. Свариваемость сталей

Микролегированные стали с содержанием углерода ^0,1 % об­ ладают благоприятной свариваемостью. Свойства сварных со­ единений при сварке на погонной энергии до 50 кДж/см, как правило, удовлетворяют предъявляемым требованиям. Однако в последние годы возрастает потребность в сталях, допускаю­ щих возможность их сварки на повышенных погонных энергиях, достигающих 50—100 кДж/см. С увеличением погонной энер­ гии сварки более 100 кДж/см ударная вязкость металла в зоне термического влияния снижается из-за роста зерна аустенита, образования смеси структур верхнего бейнита, игольчатого фер­ рита и высокоуглеродистого мартенсита.

9.4.1. Влияние легирующих элементов

Благоприятное влияние на ударную вязкость металла шва и зоны термического влияния оказывают следующие факторы: снижение содержания С и N для повышения вязкости матрицы; легирование Ti, образующим трудцорастворимые при нагреве нитриды TiN и препятствующие росту зерна аустенита; микро­ легирование В с целью повышения дисперсности ферритной со­ ставляющей структуры.

Свариваемость микролегированных сталей в значительной степени зависит не только от легирующих и микролегирующих элементов, но и от содержания примесных элементов. В осо­ бенности это относится к S, которая повышает склонность со­ единений к образованию горячих и слоистых трещин [3]. Отме­ ченное является следствием не только «раскатывания» суль­ фидных включений при прокатке, но и изменения их состава и физических свойств.

9.4.2. Выбор тепловых режимов сварки

Увеличение погонной энергии сварки сопровождается увеличе­ нием количества доэвтектоидного феррита и интенсивным сни­ жением ударной вязкости металла околошовного участка зоны термического влияния сварных соединений. Например, в свар­ ных соединениях стали 09Г2ФБ, выполненных дуговой сваркой

0,45 МДж/м2. По соображениям обеспечения требуемого уровня

уровнем 4,6 °С/с, а для стали 12ГН2МФАЮ — уровнем 6 °С/с

[4].

Применительно к условиям электрошлаковой сварки тер­ моупрочненной стали 10Г2ФР без последующего отпуска зна­ чения /(С£/_40^ 0 ,3 МДж/м2 металла околошовного участка ЗТВ достигаются при до=10—30 °С/с, а в условиях ЭШС с после­ дующим отпуском при 670 °С — когда w ^ 3 °С/с.

9.5. Особенности технологии сварки

При ручной дуговой сварке корневого слоя шва неповоротных стыков термоупрочненных труб из микролегированных сталей

суровнем прочности 600 МПа применяют электроды типа Э-50

сцеллюлозным покрытием марок ВСЦ-4 или ВСЦ-4А. Для сварки заполняющих слоев шва неповоротных стыков исполь­ зуют электроды типа Э-60 и Э-70 с покрытием основного типа марок ВСФ-65 и ВСФ-75.

Микролегированные стали с пониженным содержанием С и углеродного эквивалента допускают возможность сварки без подогрева до больших толщин проката, чем обычные низколе­ гированные стали соответствующей категории прочности. Од­ нако при сварке корневых швов в ряде случаев подогрев обя­ зателен с целью предотвращения возможности образования хо­ лодных трещин. Температуру подогрева выбирают с учетом степени легированности стали, оцниваемой по величине Сэкв, толщины стенки свариваемой конструкции, температуры окру­ жающего воздуха и типа покрытия электрода, где

Сэкв = С + Мп/6 + (Сг + Mo + V + T i)/5 + (N1 + Cu)/15.

Для электродов с основным покрытием при сварке труб из стали с <7в = 550-^600 МПа приняты следующие условия выпол­ нения подогрева.

Если Сэкв= 0,374-0,41 %, то подогрев до 100 °С назначают при толщине стенки от 15 до 20 мм и температуре окружаю­ щего воздуха от 0 до —35 °С. При большей толщине стенки по­ догрев до данной температуры выполняют независимо от тем­ пературы окружающего воздуха.

Если Сэкв= 0,42-7-0,46 %, то подогрев до 100 °С назначают при толщине стенки от 12 до 16 мм и температуре окружаю­ щего воздуха от +10 до —35 °С. При большей толщине стенки подогрев до данной температуры выполняют независимо от температуры окружающего воздуха.

щего воздуха от 0 до —20 °С. При толщине стенки от 12 до 18

и от 18 до 26 мм подогрев до температур соответственно 100 и 150 °С назначают независимо от температуры окружающего воздуха.

Дуговую сварку под флюсом поворотных стыков труб из микролегированных сталей с ов = 550^-600 МПа осуществляют с применением сварочных проволок Св-08ХМ, Св-08МХ в соче­ тании с флюсами АН-348А, АН-348АМ, АН-47.

Необходимый уровень свойств сварных соединений сталей 16Г2Ф и 12ГН2МФАЮ при соблюдении требований по ограни­ чению погонной энергии достигается при дуговой сварке под флюсом с применением проволоки Св-ЮНМА и флюса АН-17М.

При дуговой сварке под флюсом стали 09Г2ФБ применяют проволоку Св-08ГНМ и флюс АН-60.

Исходя из условия обеспечения необходимых вязкопласти­ ческих свойств и равнопрочности сварных соединений термо­ упрочненных сталей, сварку эффективно осуществлять с регу­ лированием термических циклов.

Для электрошлаковой сварки с РТЦ термоупрочненной стали 12ГН2МФАЮ толщиной 40 мм при этом используют сва­ рочную проволоку 2Св-10Г2СМА и флюс АН-8. Режимы сварки: /св = 800-^850 А; 17 = 50-^51 В; i»3=340-s-360 м/ч; v = = 3,0 м/ч [5].

При РТЦ (регулируемый термический цикл) посредством принудительного сопутствующего охлаждения достигается ин­ тенсивность охлаждения металла шва и ЗТВ ш= 3,5-т-4,0 °С/с и после отпуска при 620—650 °С обеспечивается следующий

циклов термоупрочненной стали 10Г2ФР толщиной 40 мм осу­ ществляется с применением проволоки 4Св-10НМ и флюса АН-8. Термообработка — последующий отпуск при 700 °С. По­ казатели механических свойств соответствуют следующим зна­ чениям: шов — ав^770 МПа; КСи~40^ 1,15 МДж/м2; около­ шовный участок — КСи~*°^0,69 МДж/м2; основной металл — ав5*600 МПа; /(СЦ-405гО,78 МДж/м2.

Значения параметров трещиностойкости металла шва и околошовного участка зоны термического влияния сварных соедине­ ний стали 10Р2ФР находятся при этом выше соответствующих

Раздел 3

ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

Г л а в а 10. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ БЕЙНИТНО-МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ

(Мусияченко В. Ф., Миходуй Л. И.)

ЮЛ. Состав и свойства сталей

10.1.1. Назначение, производство и основные марки

Высокопрочные стали, предназначенные для сварных конструкций широкого назначения, должны обладать хорошей пластичностью, высокой сопротив­

гированием и термообработкой [1]. Стали выплавляют мартеновским, кисло­ родно-конверторным или индукционным способами. В ряде случаев осу­ ществляется дополнительная обработка жидкого металла синтетическими шлаками, обдувкой аргоном или его электрошлаковый переплав, что позво­ ляет ограничить содержание в стали вредных примесей [2].

Основные марки низкоуглеродистых мартенситно-бейнитных осталей ука­ заны в табл. 10.1: 13ХГМРБ и 14Х2ГМРБ (ТУ-14-1-1156—74), 14Х2ГМ и

12ГНЗМФАЮ ДР-СШ (ТУ -14-1-4145— 86), 12ХГНЗМАФД-СШ (ТУ-14-1-4254— 87) и 14ХГНМ ДАФ БРТ (ТУ-14-1-1478—75).

10.1.2. Механические свойства и структура

Оптимальные механические свойства и высокую сопротивляемость хруп­ кому разрушению при отрицательной температуре они приобретают после

С точки зрения прокаливаемости стали при сравнительно низком содер­ жании С и легирующих элементов эффективны микродобавки В в количе­ стве 0,001— 0,006 %. Это открывает возможности уменьшения содержания легирующих элементов в стали. В сочетании с 0,15—0,5% Мо — В обес­ печивает получение устойчивой против разупрочнения бейнитно-мартенсит- ной структуры металла зоны термического влияния (ЗТВ) в широком диа­

в стали указанных количеств молибдена и бора и при соответствующей

вого проката не превышает 30 мм. Обладая высокими прочностными свой­ ствами и достаточной пластичностью, такие стали уступают сталям типа 14Х2ГМРБ по хладостойкости.