Андрей Смирнов
Время чтения: ~12 мин.
Просмотров: 1

Классификация сталей по свариваемости

Понятия свариваемости

Физическая свариваемость — подразумевает возможность получения монолитных сварных соединений с химической связью. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд сочетаний металлов с неметаллами.

Технологическая свариваемость — это характеристика металла, определяющая его реакцию на воздействие сварки и способность образовывать сварное соединение с заданными эксплуатационными свойствами. В этом случае свариваемость рассматривается как степень соответствия свойств сварных соединений одноименным свойствам основного металла или их нормативным значениям.

Свариваемость материалов

Способы сварки плавлением, как правило, непригодны для соединения металлов с керамическими и стеклообразными материалами вследствие природной несовместимости соединяемых композиций. Наибольшую перспективу создания неразъемных соединений из стекла и керамики имеет диффузионная сварка (ДС).

На свариваемость стекла, ситаллов и керамики с металлами существенное влияние оказывает их химический состав, структура, состояние поверхности, наличие и концентрация неравновесных дефектов, а также ряд других физико-химических свойств соединяемых материалов. Так, на свариваемость керамики с металлами влияет ее микроструктура, т. е. увеличение размеров зерен керамики, содержащей стеклофазу, приводит к уменьшению протяженности границ и, следовательно, участков наиболее активного взаимодействия.

Наличие стеклофазы в керамике ускоряет процесс сварки, соединение получается более прочным. При сварке керамики, не содержащей стеклофазы, например ВК100-2, с металлами, требуются большие энергозатраты, чем для керамики с наличием стеклофазы (ВК94-1).

Природа и механизм образования соединения

Необходимым условием образования сварного соединения металлов со стеклом и керамикой является химическое взаимодействие, механизм которого зависит от свойств элементов. В условиях ДС наиболее вероятны две топохимические реакции — присоединения (1) и замещения (2):

По механизму реакции (1) взаимодействуют d-элементы периодической системы Менделеева, практически все переходные металлы и сплавы на их основе (Fe, Ni, Со, W, Mo, Мn и т. д.), а по схеме реакции замещения (2) взаимодействуют s- и р-элементы — непереходные металлы (Al, Mg, Be, Li) и их сплавы. Поэтому разработка технологии ДС стекла и керамики с металлами должна производиться как с учетом физико-химических свойств соединяемых композиций, так и с учетом топохимических процессов, происходящих в зоне контакта.

Причины образования дефектов

Наиболее распространенным дефектом металлостеклянных и металлокерамических узлов является образование трещин из-за высокого уровня остаточных напряжений, вызванных большим различием коэффициентов термического расширения соединяемых материалов. Согласование теплового расширения соединяемых материалов устраняет опасность возникновения термических напряжений. Соединять материалы с несогласованными ТКЛР также возможно, но толщины металлической детали при этом сильно ограничены.

Особенности сварки низколегированных сталей

Сварка конструкционных сталей 15ХСНД, 15ГС, 14Г2, 14Г2АФ, 16Г2АФ

Для сварки низколегированных сталей марок 15ХСНД, 15ГС, 14Г2, 14Г2АФ, 16Г2АФ
и т.п. хорошо подходит ручная дуговая сварка электродами Э50А или Э44А. Но наиболее
качественные сварные соединения получаются при сварке электродами УОНИ-13/55
и ДСК-50. Но, лучшие результаты получаются при сварке постоянным током при обратной
полярности. При этом, сварку необходимо проводить при пониженных токах, 40-50
А на миллиметр диаметра электрода.

Автоматическую дуговую сварку данных марок сталей выполняют сварочной проволокой
Св-08ГА или Св-10ГА под флюсами АН-348-А или ОСЦ-45.

Металлоконструкции из сталей 15ХСНД, 15ГС, 14Г2, 14Г2АФ, 16 Г2АФ можно сваривать
при температуре окружающей среды не ниже -10°C. Если же температура окружающей
среды находится в пределах от -10°C до -25°C, то при сварке необходим предварительный
подогрев. Ширина подогрева зоны сварки составляет 100-120 мм по обе стороны
шва. Температура предварительного подогрева 100-150°C. При температуре окружающей
среды ниже, чем -25°C, сварка вышеуказанных сталей не допустима.

Сварка низколегированных сталей 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д

Оценку
свариваемости сталей таких марок, как 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д и т.п. можно
дать хорошую (см. таблицу
свариваемости сталей), и связано это с тем, что они не подвержены закаливанию,
не склонны к перегреву и устойчивы к образованию горячих и холодных
трещин в сварном шве и зоне
термического влияния. Сварку низколегированных конструкционных сталей данных
марок можно выполнять как ручной дуговой сваркой, так и автоматической.

При ручной сварке хорошо подходят электроды марок Э50А и Э55А. При автоматической
сварке используют сварочную проволоку марок Св-08ГА, Св-10ГА или Св-10Г2. Для
защиты зоны сварки применяют флюсы АН-348-А или ОСЦ-45.

Сварка листов из сталей 09Г2С, 10Г2С1, 10Г2С1Д, толщиной менее 40 мм выполняется
без разделки кромок. И, при соблюдении технологии и режимов сварки, механические
свойства сварочного шва почти не уступают механическим свойствам основного металла.
Равнопрочность сварного шва обусловлена переходом легирующих элементов из электродной
проволоки в металл сварного шва.

Сварка хромокремнемарганцовистых низколегированных сталей 25ХГСА,
30ХГСА, 35ХГСА

Сварка низколегированных сталей 25ХГСА, 30ХГСА, 35ХГСА и т.п. затруднена тем,
что они склонны к образованию трещин при сварке и к появлению закалочных структур.
И чем меньше толщина свариваемых кромок, тем выше риск образования закалочных
зон и появления трещин в металле шва и, особенно, околошовной зоне.

Склонность данных сталей к сварным дефектам обусловлена повышенным содержанием
углерода в их составе (0,25% и более). Сварку этих сталей можно выполнять сварочной
проволокой Св-08 или Св08А, а также электродами данных марок.

Для особоответственных сварных швов рекомендуют применять электроды Св-18ХГСА
или Св-18ХМА с защитным покрытием следующих видов: ЦЛ-18-63, ЦК18М, УОНИ-13/65,
УОНИ-13/85, УОНИ-13/НЖ.

При сварке низколегированных хромокремнемарганцовистых сталей, в зависимости
от толщины свариваемого металла, рекомендуются следующие режимы сварки:

Толщина металла, мм 0,5-1 2-3 4-6 7-10
Диаметр электрода, мм 1,5-2,0 2,5-3,0 3-5 4-6
Сварочный ток, А 20-40 50-90 100-160 200-240

При сварке металлов, толщиной
более 10мм, выполняют многослойную сварку с небольшими промежутками по времени
между выполнеием последующих слоёв. В случае, когда свариваются детали разной
толщины, сварочный ток выбирают по больше толщине и на неё направляется бОльшая
зона дуги.

После сварки рекомендуется провести термообработку для устранении закалочных
структур. Для этого изделие нагревают до температуры 650-680 ?С, выдерживают
эту температуру по времени, в зависимости от толщины металла (1ч на 25мм толщины)
и охлаждают на воздухе, либо в воде.

Сварка низколегированных конструкционных сталей в защитных газах выполняется
по режимам для автоматической или полуавтоматической сварки под флюсом. В случае,
выполнения сварки в среде углекислого газа, применяют сварочную проволоку марки
Св-08Г2С, или Св-10Г2 диаметром 1,2-2мм.

В случае применения электрошлаковой сварки, выбирают сварочную проволоку марки
Св-10Г2, которая подходит для любой толщины свариваемых деталей. В качестве
защиты применяют флюс АН-8. При таком способе
сварки вести сварку можно при любой температуре.

Дополнительные материалы по теме:

Сварка
ферритных сталейСварка
аустениитных сталейСварка
чугуна. Способы сварки чугунаСварка
высоколегированных сталей

Сварка
мартенситных сталейСварка
среднелегированных высокопрочных сталейСварка
теплоустойчивых сталей

1 Главные особенности сварки углеродистой стали

К углеродистым относят стали с содержанием углерода от 0,1 до 2,07 %. Сплавы, в которых данный элемент содержится в количестве 0,6–2,07 %, называют высокоуглеродистыми, 0,25–0,6 % – среднеуглеродистыми, менее 0,25 % – низкоуглеродистыми. Технология сварки для каждой из этих групп легированных сталей своя. При этом есть и общие рекомендации, коих следует придерживаться, осуществляя сварку изделий из сплавов, включающих в свой состав на правах главного легирующего элемента углерод. О них мы и поговорим.

Стыковые швы, соединяемые полуавтоматами при помощи порошковых проволок и в защитной атмосфере, электродами покрытого вида (вручную), а также с применением газосварки, в большинстве случаев сваривают на весу. Если же используется автоматическое оборудование, необходимо применять такие методики, которые, во-первых, гарантируют достаточный провар корня шва, а во-вторых, исключают вероятность образования прожогов.

Для разных методов сварки имеются собственные стандарты, которые описывают требования к параметрам швов и процессу подготовки кромок соединяемых деталей. Сварные конструкции с целью надежной фиксации между собой компонентов, входящих в них, рекомендовано собирать, используя специальные прихватки либо сборочные приспособления.

Прихватки, как правило, применяют при полуавтоматическом процессе в углекислом газе либо при использовании покрытых электродов для легированных углеродистых сталей. Толщина металла определяет длину указанных прихваток, а площадь их сечения обычно составляет порядка 2,5–3 сантиметров (до трети площади сечения получающегося сварного шва). Желательно производить их накладку с той стороны, которая является обратной по отношению к однопроходному главному шву. В тех случаях, когда речь идет о многопроходных швах, прихватки накладывают с обратной стороны по отношению к самому первому слою.

Перед началом сварки прихватки в обязательном порядке следует скрупулезно зачистить и провести их визуальный осмотр. Если при таком осмотре обнаруживают трещины, их обязательно удаляют. Еще один момент – необходимо добиваться полного переплавления используемых прихваток. В противном случае из-за повышенной скорости отвода тепла на них могут возникать трещины, которые ухудшают свариваемость и делают весь процесс сварки некачественным.

Электродуговая сварка углеродистых сплавов демонстрирует высокую эффективность при наложении нескольких швов и при сваривании изделий в двух сторон. Многослойная сварка рекомендована для деталей, имеющих большую толщину, а также для конструкций, работающих в ответственных условиях. Если после процесса в швах обнаруживаются подрезы, трещины, поры, непровары и прочие дефекты, следует:

  • механически удалить металл в «опасном» месте;
  • выполнить зачистку зоны дефекта;
  • произвести подваривание зачищенной области.

При использовании электрошлакового способа сварки изделия нужно монтировать с некоторым зазором, который к концу должен иметь небольшое расширение. Фиксация взаимного расположения элементов свариваемой конструкции производится при помощи скоб (дистанция между ними – от 50 до 100 сантиметров). Кроме того, при электрошлаковом процессе и при дуговой автоматической сварке на шве (в начале и в конце) монтируют планки, которые облегчают процедуру и обеспечивают заданные параметры шва.

Технология сварки

Подготовка стекла, ситалла и керамики

Химическая очистка в сочетании с ультразвуковой обработкой стекла и керамики является наиболее эффективным способом получения качественной поверхности под сварку. Термическое обезжиривание обычно применяется в сочетании с химической очисткой, а очистка в поле ультразвука в сущности является разновидностью химической очистки, так как в качестве рабочих жидкостей применяются различные химические вещества и соединения. Очистка поверхности перед диффузионной сваркой в сущности сводится к трем основным процессам: обезжириванию, удалению механических загрязнений и травлению поверхности. Наиболее часто применяют первые два способа обработки, а к травлению прибегают только в случае необходимости изменения структуры поверхностного слоя.

Подготовка металлов к сварке

Химические активные металлы (s- и р-элементы) и сплавы на их основе перед соединением со стеклом, ситаллом и керамикой тщательно очищаются от посторонних загрязнений, а также от оксидов, присутствующих на их поверхности. Переходные металлы (d-элементы) и сплавы на их основе, как правило, перед соединением со стеклом и керамикой проходят специальную обработку, связанную с созданием на их поверхности тонких слоев оксидов низшей валентности.

Режимы сварки

При разработке технологии ДС стекла и керамики с металлами широко используют промежуточные прокладки. Назначение прокладок главным образом сводится к снижению энергетических параметров сварки, остаточных напряжений в зоне соединения и активации соединяемых поверхностей. Некоторые режимы диффузионной сварки стекла и керамики с металлами приведены в табл. 36.7.

Особенности конструкции металлостеклянных и металлокерамических узлов

Конструкции узлов металлов с неметаллами разделяют на три группы (рис. 36.1).

1. Соединения, в которых металл охватывает стекло или керамику, при этом ТКЛР металла имеет большее значение, чем неметалла. Такие соединения называют охватывающими (рис. 36.1, а—в).

2. Соединения, в которых керамика или стекло охватывают металлическую деталь, называют внутренними спаями или соединениями (рис. 36.1, г).

3. Соединения, когда металлическая деталь сочленяется с неметаллической по плоскости торца; поэтому они и называются плоскими или торцовыми соединениями (рис. 36.1, д—ж).

Возникновение больших и опасных напряжений в таких соединениях компенсируют следующими способами: использованием металлов небольших толщин и возможно меньшего диаметра; применением для соединений пластичных материалов, позволяющих несколько ослаблять напряжения; использованием более низких температур при получении соединения, а также применением медленного охлаждения в процессе сварки с чередованием промежуточных отжигов.

Классификация высоколегированных сталей

ГОСТ5632 определяет около сотни марок высоколегированных сталей и более 20
марок высоколегированных сплавов. Некоторые марки высоколегированных сталей
выпускаются по другим техническим условиям.

Классификация таких сталей происходит по структуре, системе легирования, свойствам
и другим показателям.

По системе легирования высоколегированные стали разделяются на хромсодержащие,
хром и никельсодержащие, хром и марганецсодержащие, хром, никель и марганецсодержащие,
хром, марганец и азотсодержащие.

По своей структуре высоколегированные стали бывают мартенситные (1Х17Н2, 1Х12Н2ВМФ
и др. марки), ферритные (12Х13, 08Х18Т1, 10Х13Н3 и др. марки), аустенитные (03Х17Н14М2,
12Х18Н9, 09Х14Н16Б и др. марки). О свариваемости этих сталей рассказано на страницах:
сварка
аустенитных сталей, сварка
мартенситных сталей и сварка
ферритных сталей.

Высоколегированные стали также подразделяются в зависимости от своих свойств
на коррозионно-стойкие (нержавеющие), жаростойкие и жаропрочные.

Состав и основные свойства материалов

Стекло

Стекло — аморфный материал, получаемый путем сплавления стеклообразующих оксидов типа SiO2, В2О3, Р2О5, Al2O3. В соответствии с этим различают классы стекол — силикатные, боратные, германатные, фосфатные, алюминатные и др. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (табл 36.1)

По назначению стекла могут подразделяться на большие группы:

Оптические стекла — это однородные прозрачные неокрашенные специально стекла (табл. 36.2).

Электротехнические стекла находят применение главным образом в электровакуумной промышленности. Ряд электротехнических стекол были специально разработаны для получения надежных соединений с металлами. Коэффициенты их линейного расширения в некоторых случаях близки с отдельными металлами и сплавами (табл. 36.3).

Определяющим свойством стекла является его способность постепенно и непрерывно изменять вязкость в определенном интервале температур. Вязкость стекла в точке трансформации равна 1012.3 Па*с. До температуры трансформации стекло находится в хрупком состоянии, а выше этой точки оно обратимо переходит в вязкое состояние и не разрушается ни при механических ударах, ни при внезапном резком увеличении температуры.

Ситаллы

Ситаллы — это искусственные материалы, полученные путем кристаллизации стекол определенного состава. Для получения ситаллов необходимо выбрать соответствующий состав стекла, ввести в этот состав катализатор кристаллизации и сварить стекло, а затем провести специальную термическую обработку.

Назначение термической обработки состоит в том, чтобы обеспечить, во-первых, образование максимального числа центров кристаллизации; во-вторых, необходимую степень закристаллизованности; в-третьих, заданный фазовый состав ситалла.

В зависимости от химической природы ситаллы классифицируются следующим образом: ситаллы сподуменового состава (СО—115М) ситаллы кордиеритового состава и свинецсодержащего состава.

Керамика

К традиционной керамике относят изделия из глины и кремнезема, которые являются основными компонентами керамики, фаянса, фарфора, эмалей и других материалов.

В настоящее время наряду с многокомпонентной оксидной керамикой широко используют в промышленности несколько групп новых материалов:

1. Керамика чистых оксидов на основе Al2O3 (корунды), SiO2, ZrО2, ТhО2, BeO, MgO, а также шпинель (MgAl2O4) и форстерит Mg2SiO4 (табл. 36 4).

2. Бескислородная керамика на основе нитридных и карбидных соединений (Si3N4, SiC, TiC и др), а также комбинированная керамика на основе оксикарбидов и оксинитридов (миалоны и др.).

3. Магнитная керамика, основа которой — оксиды Fe2O3, MnO, NiO (ферриты).

4. Пьезокерамика на основе титаната, цирконата свинца (ЦТС-19).

Кроме того, промышленность постоянно разрабатывает новые виды керамических материалов. Наиболее распространенной керамикой являются разные марки керамики на базе оксида алюминия, так называемые высокоглиноземистые керамики. Так, на основе оксида алюминия разработана большая группа керамических материалов (табл. 36.4).

Керамика относится к хрупким материалам, поэтому ее реальная прочность примерно на три порядка меньше теоретической. Прочность керамических материалов определяется их составом и микроструктурой (табл. 36.5).

Металлы и сплавы для сварки со стеклом, ситаллом и керамикой

При правильном конструировании сварного узла температурные коэффициенты линейного расширения (ТКЛР) стекла, керамики и металла должны быть максимально согласованы. В противном случае напряжения, возникающие при изменении температуры, могут привести к разрушению сварного соединения. Наиболее широко для соединения со стеклом и керамикой используют железоникблевые сплавы, ковар, нержавеющую сталь, а из чистых металлов Сu, Ni, Ti, Al, Mo, Wi и некоторые другие. Основные свойства металлов, которые могут быть использованы при разработке металлокерамических и металлостеклянных узлов, приведены в табл. 36.6.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации