Особенности легированных, аустенитных, ферритных сталей при сварке и обработке резанием

Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенности легированных, аустенитных, ферритных сталей при сварке и обработке резанием

Межевов Павел Николаевич Главный специалист «Управления главного технолога»

Аннотация

В статье анализируется обработка металлов резанием и сварка легированных, аустенитных и жаропрочных сталей. Рассматриваются основные легирующие элементы и их свойства, приводятся особенности и отличия аустенитных и ферритных сталей и специфика жаропрочных сталей. Выявляются особенности обработки резанием и сварки легированных сталей, обусловленные их структурным состоянием, рассматриваются пути повышения обрабатываемости резанием и увеличения эффективности сварки. обработка металл резание сварка

Ключевые слова: обработка металлов, обработка резанием, сварка, легированные стали, аустенитные стали, жаропрочные стали.

Annotation

Key words: metal processing, cutting, welding, alloy steels, austenitic steels, heat-resistant steels.

Введение

По мере развития различных областей техники возрастают и требования к эксплуатационным свойствам материалов, которые должны показывать высокую степень работоспособности в условиях повышенных значений нагрузок, температур, скоростей и давлений [1]. В связи с этим широкое распространение получают легированные стали, создаваемые посредством направленного воздействия на процессы структурообразования, что позволяет придавать им специфические свойства и высокие показатели прочности, твёрдости, коррозиестойкости в различных агрессивных средах и красностойкости. Основными завершающими операциями производственного цикла, применяющимися практически во всех областях техники, являются сварка и механическая обработка металлов [2]. От корректности проведения этих операций во многом зависит качество готовых изделий, что обуславливает значимость исследования особенностей сварки и механической обработки легированных сталей.

Целью работы является изучение обработки металлов резанием и сварки легированных, аустенитных и жаропрочных сталей. Для её достижения были использованы методы анализа и синтеза научных публикаций и литературных источников по рассматриваемой теме.

Легированные, аустенитные и жаропрочные стали

Легированными называются стали, включающие примеси, вводимые в определённых концентрациях для изменения внутренней структуры и свойств [3]. Введение легирующих примесей существенно усложняет взаимодействие компонентов стали, приводит к образованию новых структурных составляющих и фаз и изменяет кинетику превращений. Легирующие элементы в сталях могут находиться в свободном состоянии, в виде интерметаллидных соединений с железом либо между собой, в виде сульфидов, оксидов и прочих неметаллических соединений, в растворённом виде в железе, в виде самостоятельных соединений с углеродом или твёрдого раствора в цементите.

В качестве основных легирующих элементов применяются следующие [4]:

• углерод, повышающий коррозионную стойкость;

• хром, определяющий пассивную природу нержавеющих сталей;

• никель, присутствие которого приводит к образованию аустенитной структуры, придающей сталям пластичность, прочность и вязкость даже при криогенных температурах, а также делающий сталь немагнитной, что приводит к значительному улучшению стойкости к кислотному нападению;

• молибден, повышающий устойчивость к щелевой коррозии и локальному воздействию точечной коррозии;

• марганец, являющийся стабилизатором аустенита, способствующий раскислению при плавлении и предотвращающий образование включений сульфида железа, могущих стать причиной проблем с горячим растрескиванием;

• кремний, повышающий коррозиестойкость, улучшающий сопротивление оксидации и стабилизирующий феррит;

• медь, улучшающая коррозиестойкость и повышающая обрабатываемость аустенитных сталей за счёт снижения склонности к упрочнению;

• азот, увеличивающий сопротивление к межкристаллитной и питтинговой коррозии и обеспечивающий усиление жаропрочных сплавов;

• ниобий, предотвращающий межкристаллитную коррозию и повышающий сопротивление термической усталости;

• титан, использующийся для стабилизации сталей перед аргонокислородным обезуглероживанием.

В зависимости от влияния легирующих элементов на температуры полиморфного превращения выделяют два типа сталей [5]:

1. Аустенитные. Включают никель, марганец, углерод, азот и другие элементы. Отличаются высокими показателями коррозионной стойкости, прочности на разрыв и коэффициента теплового расширения, низким пределом текучести, хорошими показателями деформации и свариваемости, отсутствием магнитных свойств, высокой пластичностью и ударной вязкостью.

2. Ферритные. Содержат в своём составе хром, молибден, вольфрам, ванадий, кремний, титан и другие примеси. Обладают рядом недостатков, таких как магнитные свойства, высокая чувствительность к надрезу, низкая пластичность и ударная вязкость, образование холодных трещин, склонность к хрупкому разрушению, межкристаллитной коррозии и росту зерна и прочие. Для их устранения или минимизации в ферритные стали добавляются дополнительные легирующие элементы.

Отдельную категорию легированных сталей образуют жаропрочные стали, содержащие кремний, хром, молибден, никель и ряд других элементов [6]. Такие стали способны выдерживать механические нагрузки без существенных деформаций при нагреве до 650°С и более, сохраняя свои прочностные свойства.

Особенности обработки резанием и сварки

Основной разновидностью механической обработки сталей является обработка резанием, заключающаяся в срезании с обрабатываемой поверхности припуска, который может удаляться как одновременно с нескольких поверхностей заготовки, так и последовательно с каждой обрабатываемой поверхности [7]. Процесс отделения стружки от заготовки находится в прямой зависимости с характеристиками обрабатываемой стали, такими как прочность, твёрдость и пластичность, и термомеханическими условиями резания.

Аустенитные стали входят в число труднообрабатываемых материалов, по обрабатываемости резанием уступая коррозионностойким мартенситным и ферритным сталям в 1,5-2 раза [8]. Их низкая обрабатываемость обусловлена высокими коэффициентами трения в зоне теплового расширения и резания, значениями склонности к наклёпу и вязкости и низкой теплопроводностью.

Обрабатываемость резанием легированных сталей в значительной степени определяется их структурным состоянием, зависящим от режимов термопластической и термической обработки. Так, дисперсионнотвердеющие стали в случае присутствия в их структуре дисперсных частиц после закалки и отпуска обрабатываются хуже, поскольку эти частицы препятствуют деформации сдвига при резании и повышают истирающую способность сталей. Лучшими показателями обрабатываемости резанием отличаются аустенитные стали в отожжённом состоянии, что связано с меньшим упрочнением аустенита либо образованием мартенсита деформации в ходе резания.

Повышение эффективности обработки резанием может быть достигнуто технологическими и металлургическими приёмами [9]. Технологические сводятся к нормализации с высоких температур и укрупнению зерна, а металлургические предусматривает введение в состав сталей серы, фосфора, селена, кальция и свинца, образующих различные включения, создающие внутреннюю смазку, которая в зоне резания облегчает измельчение стружки, снижая трение между ней и инструментом.

Сварка представляет собой процесс получения неразъёмного соединения материалов благодаря термодинамически необратимому превращению механической и тепловой энергии и вещества в стыке [10]. По характеру вводимой энергии все сварочные процессы делятся на термические, механические и термомеханические. Сварка легированных сталей проводится с учётом их состава и концентрации легирующего элемента, по количеству которого эти стали подразделяются на [11]:

• низколегированные, содержащие не более 2 % одного легирующего элемента и не более 5 % суммарного объёма легирующих компонентов;

• среднелегированные, в которых суммарное содержание легирующих элементов доходит до 10 % при содержании одного элемента в пределах 2-5 %;

• высоколегированные, включающие более 5 % одного легирующего элемента при суммарном содержании примесей более 10 %.

При сварке аустенитных легированных сталей выбираются режимы термической обработки, обеспечивающие снятие самонаклёпа и гомогенизацию структуры сварного соединения. Сварка жаропрочных сталей осуществляется с применением вольфрамового электрода в среде защитных газов. Помимо этого, широко используются автоматическая сварка под флюсом и механизированная аргонодуговая сварка неплавящимися и плавящимися электродами.

Заключение

Сварка и механическая обработка сталей различных типов являются основными операциями, использующимися для производства деталей и конструкций, поскольку отличаются универсальностью и позволяют достигать максимальной точности работ. Использование в разнообразных производствах специальных легированных сталей, отличающихся специфичными механическими свойствами, химическими и магнитными показателями, требует постоянного обновления применяемых видов сварки и механической обработки, в частности обработки резанием, и соответствующего оборудования, а также высокого уровня квалификации кадров. Легированные, аустенитные и жаропрочные стали относятся к категории труднообрабатываемых материалов, в связи с чем для их полноценного применения необходимо совершенствование как состава этих типов сталей, так и используемого для обработки оборудования.

Список литературы

1. Луценко В.А. Влияние химического состава на механические свойства легированной стали / В.А. Луценко, Т.Н. Голубенко, О.В. Луценко, А.С. Козачек, Н.А. Глазунова // Литье и металлургия. - 2018. - № 1 (90). - С. 120-123.

2. Малышко С.Б. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для вузов / С.Б. Малышко, С.А. Горчакова. - Владивосток: Мор. гос. ун-т, 2017. - 83 с.

3. Кушнер В.С. Материаловедение: учеб. для студентов вузов / В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртлаздзе, Д.А. Негров, О.Ю. Бургонова; под ред. В.С. Кушнера. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 232 с.

4. Юсеф Х.А. Обработка нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов: традиционные и нетрадиционные методы / Х.А. Юсеф. - Египет: Александрийский университет, 2016. - 278 с.

5. Александров В.М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб. пособие. Ч. 1. Материаловедение. Стандарт третьего поколения / В.М. Александров. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2015. - 327 с.

6. Иванников Е.В. Конструкционные стали и сплавы для заданных изделий: учеб. пос. / Е.В. Иванников. - Липецк: Издательство Липецкого государственного технического университета, 2017. - 83 с.

7. Технология конструкционных материалов: учеб. пособие для СПО / М.С. Корытов и др.; под ред. М.С. Корытова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во Юрайт, 2022. - 234 с.

8. Блинов Е.В. Развитие систем легирования высокоазотистых аустенитных сталей для тяжелонагруженных изделий криогенной техники: дис. ... д-ра техн. наук: 05.16.01 / Евгений Викторович Блинов; Инст. металлург. и материаловед. им. А.А. Байкова. - М., 2018. - 325 с.

9. Александров В.М., Думанский И.О. Материаловедение: курс лекций. - Архангельск, 2020. - 140 с.

10. Материаловедение и технология материалов в 2 ч. Ч. 2: учеб. для вузов / Г.П. Фетисов и др.; отв. ред. Г.П. Фетисов. - 8-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд- во Юрайт, 2022. - 410 с.

11. Оборудование и основы технологии сварки металлов плавлением и давлением: учеб. пособие / под ред. Г.Г. Чернышова и Д.М. Шашина. - СПб.: Издательство «Лань», 2013. - 464 с.

Размещено на Allbest.ru