Влияние легирующих элементов на свариваемость сталей
Влияние легирующих элементов на свариваемость сталей часто имеет решающее значение. Конечно, на свариваемость сталей влияет и толщина свариваемых металлов и вид сварки и температура окружающей среды и чёткое соблюдение технологии сварки.
Даже плохо свариваемые стали можно успехом сваривать, если обеспечить нужную интенсивность нагрева, и охлаждения. А также, провести термообработку до и после сварки. И, наоборот, стали, сваривающиеся без ограничений, можно сварить с множеством дефектов в сварном шве.
Но, хотя факторов, влияющих на свариваемость сталей несколько, именно химический состав стали играет главную роль. Потому что и технология сварки и применяемый вид сварки зависят, в большинстве случаев, от химического состава свариваемой стали.
Как влияют основные легирующие элементы и примеси на свариваемость сталей
Не все легирующие элементы влияют на свариваемость сталей отрицательно. Какие-то элементы могут оказывать положительное влияние на свариваемость, а, какие-то, при небольшом содержании, вовсе не оказывают заметного влияния на процесс сварки металлов.
Влияние углерода на свариваемость стали
Углерод является наиболее распространённым и важных компонентом в составе углеродистых и других сталях. Углерод, во многом, определяет свойства стали при её обработке и сварке, и, во многом, определяет группу свариваемости стали. Сварка низкоуглеродистых сталей, с содержанием углерода до 0,25% происходит без ограничений. Среднеуглеродистые стали, с содержанием углерода свыше 0,25% и до 0,35% свариваются удовлетворительно. Стали, содержащие в своём составе углерода более 0,35%, свариваются ограничено, а высокоуглеродистые стали с содержанием углерода более 0,45% относятся к трудносвариваемой группе сталей.
Влияние серы на свариваемость сталей
Сера является вредной примесью в стали и содержание её с составе стали не допускается более, чем 0,05%. Сера, вступая во взаимодействие с железом, образует сернистое железо Fe2S3 которое имеет температуру плавления более низкую, чем у стали, и является трудно растворимым в расплавленной стали.
В процессе кристаллизации стали, сернистое железо кристаллизуется между кристаллами металла сварного шва. Это приводит к возникновению горячих трещин.
Влияние фосфора на свариваемость сталей
Фосфор, также как и сера, является вредной примесью в составе сталей и его содержание не допускается более, чем 0,05%. Фосфор, соединяясь с железом, образует фосфористое железо, которое обладает высокой хрупкостью и придаёт стали хладноломкость.
Влияние кремния на свариваемость
Обычно, содержание кремния в стали составляет от 0,02% до 0,3%. При таком содержании заметного влияния на свариваемость стали легирование кремнием не оказывает.
Если содержание кремния в составе стали повышенное и составляет 0,8-1,5%, то процесс варки затрудняется, т.к. кремний повышает жидкотекучесть стали и, взаимодействуя с металлом, образует тугоплавкие химические соединения.
Влияние марганца на свариваемость сталей
Обычно, содержание марганца в стали колеблется в пределах 0,3-0,8%. Считается, что при содержании до 1,5-2% марганец не оказывает существенного влиянии на свариваемость. При повышенном содержании марганца (свыше 2%), механические свойства стали (прочность, твёрдость, склонность к закалке) возрастают, а это приводит к риску образования холодных трещин при сварке.
При сварке сталей, с высоким содержанием марганца (более 11%), происходит его выгорание. В этом случае необходимо восполнять марганец через электродное покрытие, флюсы или другими способами.
Влияние хрома на свариваемость
Содержание хрома с составе сталей обычно находится в пределах до 0,3%. При содержании хрома в стали менее 1% сильного влияния на свариваемость он не оказывает. Однако, при повышенном содержании хрома он снижает свариваемость стали из-за образования тугоплавких оксидов Cr2O3. Кроме того, в зоне термического влияния резко повышается твёрдость из-за образования карбидов хрома Cr2С3. Также хром способствует появлению закалочных структур.
Влияние никеля на свариваемость
Обычно, содержание никеля в составе стали не превышает 0,3%, однако, в легированных сталях его содержание может достигать 35%. Никель способствует измельчению зёрен метала, улучшает пластичность стали и её прочность и оказывает положительное влияние на свариваемость, особенно, если в составе стали повышенное содержание хрома. Поэтому, стали, с высоким содержанием хрома, часто легируют никелем.
Влияние молибдена на свариваемость
Молибден часто присутствует в составе теплоустойчивых сталей с содержанием 0,15-0,8%. В сталях, которые эксплуатируются в условиях высоких температур и ударных нагрузок, его содержание может достигать 5% и более.
Молибден способствует измельчению зёрен металла, повышает прочность и ударную вязкость. Однако, оказывает отрицательное влияние на свариваемость, т.к. способствует образованию трещин в металле сварного шва и в зоне термического влияния. При сварке молибден быстро выгорает, поэтому, необходимы меры, препятствующие его выгоранию в процессе сварки.
Влияние ванадия на свариваемость
Содержание ванадия в сталях обычно находится в пределах 0,2-1,5%. Ванадий увеличивает механические свойства стали (прочность, ударную вязкость, упругость) и снижает свариваемость, т.к. является причиной появления закалочных структур в металле сварного шва и в зоне термического влияния.
Влияние вольфрама на свариваемость
Вольфрам содержится в сталях в пределах 0,8-18%. Он увеличивает твёрдость, и теплостойкость стали, снижая, при этом, её свариваемость. При сварке вольфрам легко окисляется и выгорает.
Влияние титана и ниобия на свариваемость
Титаном и ниобием легируют нержавеющие и жаропрочные стали и их содержание, обычно, находится в пределах 0,5-1%. Титан и ниобий хорошо образуют карбиды, поэтому, препятствуют образованию твёрдых карбидов хрома. При сварке нержавеющих сталей ниобий повышает риск образования горячих трещин. Титан отрицательного влияния на свариваемость не оказывает.
Влияние легирующих элементов на свариваемость металлов
Влияние легирующих элементов на свариваемость металлов
При сварке металлов, имеющих различные легирующие элементы (Молибден, Кремний, Хром и др.) могут возникать различные проблемы, влияющие непосредственно на качество полученного сварного соединения (трещины, поры, непровары и т.д.). Для того, чтобы избежать трудностей и проблем, необходимо очень хорошо знать, как влияет тот или иной легирующий элемент на свариваемость изделия.
Знание влияния легирующих элементов на свариваемость различных сталей поспособствует лучшему пониманию процессов сварки.
Углерод
Один из самых значительных химических элементов в сталях.
Содержание углерода в сталях влияет на прочность, закаливаемость, вязкость, свариваемость.
У низкоуглеродистых сталей (углерода менее 0,25%) свариваемость практически не ухудшается.
При увеличении содержания углерода свариваемость резко ухудшается, так как в зонах ЗТВ (зонах термического влияния) возникает большое количество закалочных структур, которые вызывают трещины.
При высоком содержании углерода в присадочном материале увеличивается вероятность образования пор.
Марганец
Марганец является хорошим раскислителем. Электроды или проволоку необходимо применять при сварке в среде СО2. При содержании марганца в металле до 0,8 %, процесс сварки не усложняется. При увеличении содержания стали в металле (1,8%-2,5%) появляется опасность возникновения ХТ (холодных трещин), т.к. марганец способствует появлению хрупких структур (закалочных). При повышенном содержании марганца (11-16%) во время сварки происходит интенсивное выгорание данного вещества. Следовательно, необходимо применять специальные меры, например, использовать сварочные материалы с бОльшим содержанием марганца.
Кремний
Так же как и марганец является хорошим раскислителем. При малом количестве кремний (до 0,03%) на свариваемость не влияет. При содержании кремния 0,8-1,5% свариваемость ухудшается из-за повышенной жидкотекучести кремнистой стали и образования тугоплавких оксидов кремния. При повышенном содержании кремния, из-за увеличенной жидкотекучести особенно опасно появление горячих трещин.
Хром
Содержание хрома в сталях способствует увеличению коррозионной стойкости. Но, при сварке сталей образуются карбиды хрома, которые увеличивают твердость в ЗТВ (зоне термического влияния). Также образуются тугоплавкие окислы, которые затрудняют процесс сварки, а значит ухудшают свариваемость.
Никель
Содержание никеля в сталях способствует увеличению ударной вязкости, которая особенно важная при работе сталей при низких температурах. Также никель способствует увеличению пластичности, прочности стали и измельчению зерна. При этом свариваемость стали не ухудшается. Но, из-за высокой цены данного легирующего элемента, применение ограничено экономическими соображениями.
Молибден
Содержание молибдена в сталях увеличивает несущую способность при высоких температурах и ударных нагрузках, измельчает зерно.
С другой стороны, молибден способствует образованию трещин в ЗТВ и наплавленном металле шва.
Во время сварке окисляется и выгорает. Следовательно, необходимо использовать специальные меры.
Вольфрам
Содержание вольфрама в сталях резко увеличивает твердость стали и ее работоспособность при высоких температурах (красностойкость).
С другой стороны, вольфрам затрудняет процесс сварки и активно окисляется.
Ванадий
Содержание ванадия в сталях резко увеличивает закаливаемость стали. Из-за закаливаемости, а также из-за окисления ванадия и его выгорания, ухудшается свариваемость сталей.
Титан
Использование титана как легирующий элемент обусловлено его высокой коррозионной стойкостью.
Ниобий
Использование ниобия, аналогично титану, обусловлено его высокой коррозионной стойкостью. При сварке сталей ниобий способствует образованию горячих трещин.
Влияние легирующих элементов на свариваемость стали
Углерод(С) — одна из основных примесей, определяющих свариваемость стали. Содержание углерода в обычных конструкционных сталях до 0,25 % не ухудшает свариваемости. При более высоком содержании свариваемость стали резко ухудшается, так как в зонах термического влияния образуются структуры закалки, приводящие к трещинам. Повышенное содержание углерода в присадочном материале вызывает при сварке пористость металла шва.
Марганец(Мп) не ухудшает свариваемости стали, если его содержание не превышает 0,3. 0,8 %. В сред немарганцовистых (1,8. 2,5 %) сталях марганец повышает их закаливаемость и склонность к образованию трещин при сварке.
Кремний(Si) не влияет на свариваемость стали, если его содержание не превышает 0,3 %. В обычных углеродистых сталях содержится не более 0,2. 0,3 % кремния, в специальных сталях содержание кремния достигает 0,8. ..1,5 %. В таких количествах кремний затрудняет сварку из-за высокой жидкотекучести стали, легкой ее окисляемости и образования тугоплавких оксидов.
Хром(Сг) содержится в низкоуглеродистых сталях в количестве 0,2. 0,3 %, в конструкционных — 0,7. 3,5, в хромистых — 12. 18, в хромоникелевых — 9. 35 %. Он затрудняет сварку, так как усиливает окисление металла, образует химические соединения с углеродом (карбиды хрома), ухудшающие коррозионную стойкость стали и резко повышающие твердость металла в зонах термического влияния. Хром также содействует образованию тугоплавких оксидов, затрудняющих процесс сварки.
Никель(Ni) в низкоуглеродистых сталях содержится в количестве до 0,2. 0,3 %, в конструкционных — 1. 5, в легированных — 8. 35 %. В некоторых сплавах содержание никеля достигает 85 %. Он увеличивает пластические и прочностные 9войсТва стали, измельчает зерна, не ухудшая свариваемости.
Молибден(Мо) в сталях содержится в количестве 0,15. 0,8 %. Он измельчает зерно, затрудняет сварку, вызывает образование трещин в наплавленном металле и зонах термического влияния, сильно окисляется и выгорает при сварке.
Содержание в стали 0,8. 1,8 % вольфрама(W) резко увеличивает ее твердость и работоспособность при высоких температурах. Он сильно окисляется при сварке, требует хорошей защиты от кислорода, затрудняет сварку.
Ванадий(V) обычно содержится в сталях в количестве 0,2. 0,8 %, в штамповых сталях — 1. 1.5 %. Он улучшает закаливаемость стали, что затрудняет сварку. В процессе сварки активно окисляется и выгорает.
Титан(Ti) и ниобий(Nb) содержатся в коррозионно-стойких сталях в количестве до 1 %, не усложняют сварочный процесс и не ухудшают свариваемость стали.
Медь(Си) в специальных сталях имеется в количестве 0,3. 0,8 %. Она улучшает ряд свойств стали (прочность, пластичность, ударную вязкость, коррозионную стойкость) и не ухудшает ее свариваемость.
Сера(S) в количествах, превышающих предельно допустимые, ухудшает свариваемость стали, вызывает появление Горячих трещин.
Фосфор(Р) в концентрациях, превышающих предельно допустимые, ухудшает свариваемость стали, вызывает появление холодных трещин.
Кислород(О) содержится в сплаве в виде оксида железа, ухудшает свариваемость стали, снижая ее механические свойства.
Азот(N) образует с железом химические соединения (нитриды) в металле сварочной ванны при ее охлаждении, что снижает пластичность стали.
Водород(Н) является вредной примесью. Скапливаясь в отдельных местах сварного шва, он образует газовые пузырьки, вызывает появление пористости и мелких трещин.
Свариваемость стали можно приближенно определить по количеству легирующих элементов, эквивалентных (приравненных) углероду:
„ „ Мп Si Cr Ni Мо V Си Р
6 24 5 10 4 5 13 2
где Сэ — эквивалент углерода, %; С, Мп, Si, Cr, Ni, Мо, V, Си, Р — содержание в стали легирующих элементов, %.
Легирующие элементы в различной степени влияют на свариваемость сталей. Поэтому их воздействие сравнивают с влиянием углерода — приводят к эквиваленту углерода. Чтобы определить Сэ, в формулу вместо символов подставляется процентное содержание легирующих элементов. При Сэ 0,35 % требуется предварительный подогрев, другие технологические методы сварки или последующая термообработка.
Как видно из приведенной выше формулы, увеличение в стали содержания кремния, никеля, меди в меньшей степени влияет на ухудшение свариваемости. Ухудшают свариваемость стали увеличение содержания марганца, хрома, молибдена, ванадия. Значительно ухудшает свариваемость увеличение содержания фосфора (более 0,05 %). Наличие фосфора в количестве 0,05 % и менее в формуле не учитывается.
При суммарном содержании в стали примесей марганца, кремния, хрома и никеля меньше 1 % сталь хорошо сваривается, если содержание углерода не превышает 0,25 %, удовлетворительно — 0,25. 0,35; ограниченно — 0,35. 0,45 и плохо — свыше 0,45 % углерода.
Если суммарное содержание указанных примесей составляет 1. 3 %, сталь сваривается хорошо при содержании до 0,20 % углерода, удовлетворительно — при 0,2. 0,3, ограниченно — при 0,3. 0,4 и плохо — при содержании более 0,4 % углерода.
При суммарном содержании указанных примесей в стали свыше 3 % сталь хорошо сваривается, если количество углерода не превышает 0,18 %, удовлетворительно — 0,18. 0,28, ограниченно — 0,28. 0,38 и плохо, если в стали более 0,38 % углерода.
Формула эквивалентного углерода в сталях получена опытным путем и не всегда отражает точную картину взаимодействия различных элементов в сварочной ванне и изменения структуры при охлаждении металла шва. Поэтому для определения свариваемости обычно сваривают специальные образцы, исследуют микроструктуру наплавленного металла и т.д.
Особую сложность представляет сварка металлов, различающихся своими свойствами. Разные температуры плавления, склонность к образованию хрупких соединений и другие причины вынуждают разрабатывать специальные приемы сварки, особые сварочные материалы.
Для оценки свариваемости металла берут, например, две пластины и сваривают их на нескольких режимах. Затем изготовляют образцы и определяют ударную вязкость, критическую температуру хрупкости, зернистость, твердость наплавленного металла и зоны термического влияния.
При оценке свариваемости стали помимо химического состава учитываются: форма сварной конструкции, толщина металла и его механические свойства, количество и расположение швов в конструкции, технологические особенности сварки и другие характеристики.