Сварка низколегированных и микролигированных сталей

Размещено на http://www.allbest.ru

Реферат на тему

«Сварка низколегированных и микролигированных сталей»

І. НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

1.1 Назначение сталей

Низколегированные стали примениются в различных конструкциях взамен углеродистых, обеспечивая снижение металлоемкости на 20-50 %. Они широко используются в строительстве трубопроводов, конструкций газонефтехимических производств, судов, мостов и других сооружений, эксплуатируемых в температурном интервале от -70 до +475°С в зависимости от химического состава и структурного состояния, обеспеченного термообработкой.

1.2 Состав сталей

Одним из наиболее эффективных средств повышения качества низкоуглеродистых сталей является их упрочнение за счет легирования такими элементами, как Si, Мn, и повышения дисперсности структуры посредством термической или термомеханической обработки.

Содержание С в низколегированных сталях ие превышает 0,23 %. В зависимости от легирующих элементов, суммарное содержание которых в составе стали не превышает 5%, различают марганцовистые, кремнемарганцовистые, хромокремнемарганцовистые и другие стали. По содержанию S и Р эти стали можно отнести к качественным сталям. В последние годы расширяется производство и применение рафинированных посредством электрошлакового, вакуумного переплава сталей, обработанных в ковше синтетическими шлаками с целью снижения содержания серы в их составе для повышения сопротивляемости образованию слоистых (ламинарных) трещин.

1.3 Механические свойства сталей

Введение в состав низкоуглеродистых сталей легирующих элементов (до 2 % каждого и до 5 % суммарно) способствует повышению прочности и сопротивления хрупкому разрушению, не ухудшая их свариваемости.

Прочность сталей. Показатели механических свойств сталей характерны для проката в горячекатаном либо в нормализованном состояниях. Термическое упрочнение позволяет дополнительно на 20-50 % увеличить уровень показателей прочности.

Ударная вязкость. По ударной вязкости, в особенности при отрицательных температурах, низколегированные стали превосходят низкоуглеристые стали. Термическое упрочнение позволяет повысить уровень ударной вязкости в 1,5-2 раза и обеспечить высокую сопротивляемость хрупкому разрушению низколегированных сталей.

1.4 Свариваемость сталей

Легирующие элементы оказывают существенное влияние на показатели свариваемости сталей. Увеличение содержания элементов, повышающих закаливаемость, сопровождается снижением сопротивления сварных соединений образованию холодных трещин [1]. Элементы, упрочняющие твердый раствор, способствуют, как правило, снижению ударной вязкости металла в околошовном участке ЗТВ сварных соединений

Наиболее распространенные в металлургической практике легирующие элементы Мn, Сr, Мо снижают диффузионную подвижность С и, как следствие, увеличивают уровень значений характеристических длительностей) те, понижают температурный интервал г-б-превращения. Поэтому при общепринятых режимах сварки в околошовном участке возрастает вероятность образования мартенсита и понижается сопротивляемость сварных соединений образованию холодных трещин.

Мn упрочняет феррит, снижает температуру начала г-б-превращения, способствует процессу карбидообразования. Сr и Мо существенно снижают критическую скорость охлаждения, подавляют перлитное превращение, расширяют область промежуточных превращений на диаграмме.

Такие элементы, как Al, Ti, Nb, интенсифицируют процесс г-б-превращения при высоких температурах, способствуя увеличению числа центров кристаллизации и получению мелкозернистой структуры.

сварной сталь термообработка

1.5 Технология сварки и свойства сварных соединений

Технология сварки низколегированных сталей должна проектироваться с учетом того обстоятельства, что при уменьшении погонной энергии и увеличении интенсивности охлаждения в металле шва и зоны термического влияния возрастает вероятность распада аустенита с образованием закалочных структур. При этом будет отмечаться снижение сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин и хрупкому разрушению При повышенных погонных энергиях наблюдается рост зерна аустенита и образуется грубозернистая феррито-перлитная структура видманштеттового типа с пониженной ударной вязкостью.

Ручная сварка. Технология ручной дуговой сварки низколегированных сталей практически не отличается от соответствующей технологии сварки низкоуглеродистых сталей.

Сварку низколегированных сталей осуществляют электродами типа Э46А и Э50А с фтористо-кальциевым покрытием, которые позволяют достигать более высокую стойкость против образования кристаллизационных трещин и повышенную пластичность по сравнению с электродами других типов. Для сталей марок 09Г2, 09Г2С, 16ГС, 17ГС, 10Г2, 10Г2С1 рекомендуют применять электроды УОНИ 13/55, К-5А, АНО-11 (тип Э50А). Для сварки кольцевых швов трубопроводов, работающих при температурах до -70єС, например из стали 09Г2С, применяют электроды ВСН-3 (тип Э50АФ) с фтористо-кальциевым покрытием.

Сварка под флюсом. Технология сварки под флюсом низколегированных сталей практически такая же, как 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 марок 16ГС, 09Г2С, 10Г2С1 при эксплуатации не ниже -40°С рекомендуется использовать сварочные проволоки Св-08ГА, Св-ЮГА, а при температурах эксплуатации до -70 °С (сталь 09Г2С в нормализованном состоянии) - сварочные проволоки Св-10НМА, Св-ЮНЮ, Св-08МХ с целью обеспечения достаточного уровня ударной вязкости.

Электрошлаковая сварка. Электрошлаковая сварка по общепринятой технологии сталей толщиной свыше 30 мм осуществляется, как правило, с последующей или сопутствующей нормализацией с целью повышения ударной вязкости металла шва и ЗТВ до регламентируемого уровня Сварку сталей 16ГС, 09Г2С, 14Г2 осуществляют с применением флюса АН-8 и сварочных проволок Св-08ГС, Св-10Г2.

Сварка с регулированием термических циклов. Для кольцевых швов аппаратов газонефтехимических производств с толщиной стенки до 100 мм при температуре эксплуатации не ниже -40°С (сталь 16ГС) и не ниже -55°С (сталь 09Г2С) в соответствии с ГОСТ 291-81 допускается применять электрошлаковую сварку с регулированием термических циклов в сочетании с последующим отпуском [4]. При этом удается не только обеспечить равнопрочность, но н достаточно высокий уровень сопротивления сварных соединений хрупкому разрушению без применения последующей высокотемпературной термообработки.

Увеличение интенсивности охлаждения при электрошлаковой сварке с регулированием термических циклов предотвращает образование структурно-свободного феррита при г-б-превращении. Отмеченное препятствует протеканию коррозионных процессов, а уменьшение размеров карбидных частиц, играющих роль коллекторов водорода, тормозит катодную реакцию при эксплуатации сварных соединений в коррозионно-активных средах.

Особенностью термоупрочненных сталей является их склонность к разупрочнению при сварке.

Применение сопутствующего охлаждения позволяет обеспечить равнопрочность сварных соединений с основным термоупрочненным металлом и повысить их сопротивление хрупкому разрушению. Например, при механизированной дуговой сварке под флюсом по общепринятой технологии коэффициент прочности сварных соединений сталей 14ГН, 16ГС, 09Г2С толщиной 12 мм составил 0,75-0,77, а при сварке с сопутствующим охлаждением - 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 термоупрочненного металла.

При переходе от общепринятой технологии электрошлаковой сварки к технологии электрошлаковой сварки с регулированием термических циклов термоупрочненной стали 09Г2С (сварочная проволока Св-ЮНМ, флюс АН-8, последующий отпуск при 640°С) коэффициент прочности сварных соединений повышается с 0,89 до 0,99, значения KCU-40 металла шва - с 0,12 до 0,72, а металла околошовного участка - с 0,08 до 0,42 МДж/м2.

ІІ. МИКРОЛИГИРОВАННЫЕ СТАЛИ

2.1 Назначение сталей

Широкое применение при изготовлении конструкций ответственного иазназначения - таких, как сосуды высокого давления, танкеры, суда, ледоколы, береговые и морские нефтегазовые сооружения, находят микролегированиые стали. Наряду с экономией легирующих элементов при их использовании особенно в термо и термомеханически обработанном состояниях обеспечиваются высокая прочность и сопротивляемость хрупкому разрушению металла

2.2 Состав сталей

В микролегированных сталях содержание углерода, как правило, не превышает 0,20 %. Микролегирующие элементы, входящие в состав сталей, находятся в следующих пределах %. Al 0,06, Cr0,25, Zr0,15; V0,15, Ti 0,1-0,2, Nb0,06, Mo0,20, B0,05.

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 виепечнои 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 ограничивают содержание S в составе стали до 0,005-0,012 %.

Известно, что С относительно слабо влияет на предел текучести сталей с феррито-перлитиой структурой Однако с увеличением содержания С в составе стали существенно снижаются вязкопластические свойства и ухудшается свариваемость. Поэтому в последние годы получают распространение 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 микролегироваиных сталей с бейнитиой структурой нашли применение марки 12Г2СМФ и 12ГН2МФАЮ.

2.3 Термообработка и свойства сталей

Термомеханическая обработка. Различают два вида термомеханической обработки - низкотемпературную (НТМО) и высокотемпературную (ВТМО) [5].

НТМО включает пластическое деформирование аустенита в области его повышенной устойчивости, но ниже температуры рекристаллизации, и последующую закалку. Этот процесс называется аусформиигом Существенное повышение прочности стали после такой обработки связано с эффектом наследования мартенситом дислокационной структуры аустенита, закрепляемой атомами углерода и карбидными выделениями ВТМО имеет преимущество перед НТМО, заключающееся в возможности обеспечения как высокой прочности, так и повышенного сопротивления стали хрупкому разрушению. Причем по уровню пластичности при одинаковой прочности низколегированная стань после ВТМО превосходит обычную термоупрочиениую сталь. При ВТМО сталь подвергают пластическому деформированию до начала процесса г-б-превращения Для обеспечения развитой полигональной структуры и осуществляют закалку для получения мелкореечиого пакетного мартенсита.

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

Отличительной особенностью другой разновидности ТМО-изоформинга является аустеиитизация стали, охлаждение ее до интервала температур перлитного превращения и пластическое деформирование в этом интервале температур со степенью обжатия до 70 %. В результате обеспечивается получение 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) иизколегироваиной стали -это ее высокотемпературная обработка,, отличающаяся тем, что режимы иагрева под обработку давлением и пластического деформирования заготовки выбирают такими, чтобы получить в ней высокодисперсные рекристаллизоваиные зерна аустенита. При дальнейшем охлаждении металла из аустенитного состояния образуются многочисленные зародыши а фазы, а дисперсные карбиды препятствуют росту ферритных кристаллов. Ферритные зериа полигоиизуются н упрочняются в результате выделения сверхмелких карбонитридов.

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

Термообработка из межкритического интервала температур. Одним из методом термообработки микролегироваиных сталей, обеспечивающих повышение их прочности и пластичности, является термообработка из межкритического интервала температур. В результате проведения такой термообработки получают так называемые двухфазные феррито-мартенситные стали. В действителоности структура таких сталей более разнообразна и включает в себя также бейнит, остаточный аустенит и феррит двух типов исходный (старый), существовавший ранее, и эпитаксиальиый (новый), образующийся при охлаждении из межкритического интервала (МКИ) температур. Причем мартенсит может быть двух морфологических різновидностей - высокоуглеродистый игольчатый и низкоуглеродистый пакетный. Фазовый состав стали, как и уровень механических свойств, зависит как от температуры нагрева в интервале температур критических точек Ac1-Ac3, так и от интенсивности охлаждения.

Оптимальным является такой режим термообработки, при котором в результате охлаждения из межкритической области температур в структуре стали образуется 10-20 % мартенсита и бейнита. Наиболее эффективно применение такой термообработки для низколегированных сталей с содержанием С от 0,06 до 0,13 %, около 1,3 % Мn и 0,25-1,55 % Si. Для подавления процесса образования перлита при г-б-превращеиии осуществляют легирование сталей Мо, Сг, V.

При закалке в воде из межкритического интервала температур прочностные показатели сталей возрастают с увеличением максимальной температуры нагрева в диапазоне Ac1-Ас3, а пластичность снижается, так как при этом весь образовавшийся аустенит превращается в мартенсит. При охлаждении из МКИ со скоростями w меньше критических (при w = 8-20°С/с) фазвый состав структуры феррито-перлитный или феррито-бейнитный. При этом часть аустенитной фазы при охлаждении превращается в феррит, а остаточный аустенит распадается при более низких температурах с образованием бейнита или перлита (троостита). Кроме того, при пониженных скоростях охлаждения, когда аустенит распадается по диффузионному механизму, механические свойства практически не зависят от температуры нагрева в диапазоне Ac1-Ас3.

Как правило, для получения феррито-мартеиситной структуры и реализации повышенных механических свойств необходимо после нагрева стали в МКИ температур обеспечить интенсивное охлаждение - закалку. Между тем в работе [6] показано, что в низколегированных кремнемаргаицовистых сталях с 1,8-2,3 % Mn эффект упрочнения достигается при пониженных скоростях охлаждения, не превышающих 0,04°С/с. На этой основе разработан ряд марок сталей (09Г2СЮЧ, 09ХГ2СЮЧ, 10ХГ2МЧ) для производства сварных сосудов, работающих под давлением, которые после охлаждения из МКИ температур иа воздухе имеют ут = 540-900 МПа и ув=720-1120 МПа.

2.4 Свариваемость сталей

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

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 труднорастворимые при нагреве нитриды TiN и препятствующие росту зерна аустенита, микролегирование. В с целью повышения дисперсности ферритной составляющей структуры.

Свариваемость микролегированных сталей в значительной степени зависит не только от легирующих и микролегирующих элементов, но и от содержания примесных элементов. В особенности это относится к S, которая повышает склонность соединений к образованию горячих и слоистых трещин [7]. Отмеченное является следствием не только «раскатывания» сульфидных включений при прокатке, но и изменения их состава и физических свойств.

В сталях, содержащих Mn, Ti, Zr, активность элементов по отношению к S последовательно уменьшается при переходе от Zr к Ti, а затем к Мп В сталях, микролегированных V и Nb и содержащих Мп и Сг, активность элементов по отношению к S убывает в следующей последовательности- Mn, Nb, V, Сг.

Выбор тепловых режимов сварки. Увеличение погонной энергии сварки сопровождается увеличением количества доэвтектоидного феррита и интенсивным снижением ударной вязкости металла околошовного участка зоны термического влияния сварных соединений. Например, в сварных соединениях стали 09Г2ФБ, выполненных дуговой сваркой под флюсом, значение KCU-60 составляет при q/v = 30 кДж/см не менее 0,8 МДж/м2, а при q/v = 45 кДж/см -- не менее 0,45 МДж/м2. По соображениям обеспечения требуемого уровня ударной вязкости KCU-70 0,3 МДж/м2, минимально допустимая скорость охлаждения шд ограничивается для стали 16Г2АФ уровнем 4,6 °С/с, а для стали 1.2ГН2МФАЮ -- уровнем 6 °С/с [8].

Применительно к условиям электрошлаковой сварки термоупрочненной стали 10Г2ФР без последующего отпуска значения KCU -400,3 МДж/м2 металла околошовного участка ЗТВ достигаются при w=10-30°С/с, а в условиях ЭШС с последующим отпуском при 670 °С - когда w3°С/с.

2.5 Особенности технологии сварки

При ручной дуговой сварке корневого слоя шва неповоротных стыков термоупрочненных труб из микролегированных сталей с уровнем прочности 600 МПа применяют электроды типа Э-50 с целлюлозным покрытием марок ВСЦ-4 или ВСЦ-4А. Для сварки заполняющих слоев шва неповоротных стыков используют электроды типа Э-60 и Э-70 с покрытием основного типа марок ВСФ-6Э и ВСФ-75.

Микролегированные стали с пониженным содержанием С и углеродного эквивалента допускают возможность сварки без подогрева до больших толщин проката, чем обычные низколегированные стали соответствующей категории прочности. Однако при сварке корневых швов в ряде случаев подогрев обязателен с целью предотвращения возможности образования холодных трещин. Температуру подогрева выбирают с учетом степени легированности стали, оцниваемой по величине Сэкв, толщины стенки свариваемой конструкции, температуры окружающего воздуха и типа покрытия электрода, где

Сэкв = С + Мn/6 + (Сг + Мо + V + Ti)/5 + (Ni + Сu)/15.

Для электродов с основным покрытием при сварке труб из стали с ув5504-600 МПа приняты следующие условия выполнения подогрева.

Если Сэкв = 0,370,41 %, то подогрев до 100 °С назначают при толщине стенки от 15 до 20 мм и температуре окружающего воздуха от 0 до -35°С. При большей толщине стенки подогрев до данной температуры выполняют независимо от температуры окружающего воздуха.

Если Сэкв = 0,420,46 %, то подогрев до 100 °С назначают при толщине стенки от 12 до 16 мм и температуре окружающего воздуха от +10 до -35°С. При большей толщине стенки подогрев до данной температуры выполняют независимо от температуры окружающего воздуха.

Если Сдкв = 0,474-0,51 %, то подогрев до 100 °С назначают при толщине стенки от 10 до 12 мм и температуре окружающего воздуха от 0 до -20 °С. При толщине стенки от 12 до 18и 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 ув = 550-т-600 МПа осуществляют с применением сварочных проволок Св-08ХМ, Св-08МХ в сочетании с флюсами АН-348А, АН-348АМ, AШ-47.

Необходимый уровень свойств сварных соединений сталей 16Г2Ф и 12ГН2МФАЮ при соблюдении требований по ограничению 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 вязкопластических свойств и равнопрочности сварных соединений термоупрочненных сталей, сварку эффективно осуществлять с регулированием термических циклов.

Для электрошлаковой сварки с РТЦ термоупрочненной стали 12ГН2МФАЮ толщиной 40 мм при этом используют сварочную проволоку 2Св-10Г2СМА и флюс АН-8.

При РТЦ (регулируемый термический цикл) посредством принудительного сопутствующего охлаждения достигается интенсивность охлаждения металла шва и ЗТВ w = 3,5-4,0 °С/с и после отпуска при 620-650°С обеспечивается следующий уровень свойств шов - ув 929 МПа.

ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Макаров Э Л Холодные трещины при сварке легированных сталей - М. Машиностроение, 1981 - 247 с.

2. Kasugai Т, Inagaki М Effect of Mo on transformation behavior of syntetic weld heat-affected zone of steel.--Transactions of National Research Insti- tute for Metals V 23 N 2, 1981, p. 39-50.

3. Ehrenberg H Gedanken zum Vorwarmen beim SchweiSen von Stahl - Schweisstechmk, 6, 1981, p. 97-100.

4. Хакимов A. H. Электрошлаковая сварка с регулированием термических циклов.- М Машиностроение, 1984. - 208 с.

5. Новиков И. И. Теория термической обработки металлов 4-е изд., перераб. и доп. - М Машиностроение, 1986 - 480 с.

6. Егорова С. В., Стеренбоген Ю. А., Юрчиишн Л. В. и др. //Возможность и перспективы использования межкритической нормализации для упрочнения низколегированных сталей и сварных конструкций.//Автоматическая сварка 1983 № 12, С 7-13.

7. Гривняк И. Свариваемость сталей - М. Машиностроение, 1984 - 215 с.

8. Башмаков В. Е. Свойства сварных соединений высокопрочной низколегированной стали 16Г2АФ // Сварочное производство 1983 № 4 С. 21-23.

Размещено на Allbest.ru