Стали и их свариваемость.

Углеродистые стали.

Стали подразделяются на углеродистые и легированные. По на­значению различают стали конструкционные с содержанием углерода в сотых долях процента и инструментальные с содержанием углерода в десятых долях процента. Наибольший объем сварочных работ связан с использованием низкоуглеродистых и низколегированных конструк­ционных сталей.

Основным элементом в углеродистых конструкционных сталях является углерод, который определяет механические свойства сталей этой группы. Углеродистые стали выплавляют обыкновенного качест­ва и качественные.

Стали углеродистые обыкновенного качества подразделяются на три группы:

группа А — по механическим свойствам;

группа Б — по химическому составу;

группа В — по механическим свойствам и химическому составу.

Изготавливают стали следующих марок:

группа А – Ст 0, Ст 1, Ст 2, Ст 3, Ст 4, Ст 5, Ст 6;

группа Б – БСт 0, БСт 1, БСт 2, БСт 3, БСт 4, БСт 5, БСт 6;

группа В – ВСт 0, ВСт 1, ВСт 2, ВСт 3, ВСт 4, ВСт 5.

По степени раскисления сталь обыкновенного качества имеет сле­дующее обозначение: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спо­койная. Кипящая сталь, содержащая кремния (Si) не более 0,07 %, получается при неполном раскислении металла марганцем. Сталь ха­рактеризуется резко выраженной неравномерностью распределения вредных примесей (серы и фосфора) по толщине проката. Местная повышенная концентрация серы может привести к образованию кристаллизационных трещин в шве и околошовной зоне. Кипящая сталь склонна к старению в околошовной зоне и переходу в хрупкое состояние при отрицательных температурах.

Спокойная сталь получается при раскислении марганцем, алю­минием и кремнием и содержит кремния (Si) не менее 0,12 %; сера и фосфор распределены в ней более равномерно, чем в кипящей стали. Эта сталь менее склонна к старению и отличается меньшей реакцией на сварочный нагрев.

Полуспокойная сталь по склонности к старению занимает проме­жуточное место между кипящей и спокойной сталью. Полуспокойные стали с номерами марок 1-5 выплавляют с нормальным и повышен­ным содержанием марганца, примерно до 1%. В последнем случае после номера марки ставят букву Г (например, БСтЗГпс).

Стали группы А не применяются для изготовления сварных конс­трукций. Стали группы Б делятся на две категории. Для сталей первой категории регламентировано содержание углерода, кремния марганца и ограничено максимальное содержание серы, фосфора, азота и мы­шьяка; для сталей второй категории ограничено также максимальное содержание хрома, никеля и меди.

Стали группы В делятся на шесть категорий. Полное обозначение стали включает марку, степень раскисления и номер категории. Например, ВСтЗГпс5 обозначает следующее: сталь группы В, марка СтЗГ, полуспокойная, 5-й категории. Состав сталей группы В такой же, как сталей соответствующих марок группы Б, 2-й категории. Стали ВСт1, ВСт2, ВСтЗ всех категорий и степени раскисления выпускают с гарантированной свариваемостью. Стали БСт1, БСт2, БСтЗ постав­ляют с гарантией свариваемости по требованию заказчика.

Углеродистую качественную сталь выпускают в соответствии с су­ществующими стандартами. Сталь имеет пониженное содержание серы. Допустимое отклонение по углероду (0,03—0,04 %). Стали с со­держанием углерода до 0,20 % включительно могут быть кипящими (кп), полуспокойными (пс) и спокойными (сп). Остальные стали — только спокойные. Для последующих спокойных сталей после цифр буквы «сп» не ставят. Углеродистые качественные стали для изготовле­ния конструкций применяют в горячекатаном состоянии и в меньшем объеме после нормализации и закалки с отпуском.

Углеродистые стали в соответствии с существующими стандартами подразделяются на три подкласса: низкоуглеродистые с содержанием углерода до 0,25 %; среднеуглеродистые с содержанием углерода (0,25—0,60 %) и высокоуглеродистые с содержанием углерода более 0,60 %.

В сварных конструкциях в основном применяют низкоуглеродис­тые стали.

В сварочном производстве очень важным является понятие о сва­риваемости различных металлов.

Свариваемостью называется способность металла или сочетания металлов образовывать при установленной технологии сварки соедине­ния, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эк­сплуатацией изделия.

По свариваемости углеродистые стали условно подразделяются на четыре группы: I — хорошо сваривающиеся, с содержанием угле­рода до 0,25 %; II — удовлетворительно сваривающиеся, с содержани­ем углерода от 0,25 до 0,35 %, т. е. для получения качественных свар­ных соединений деталей из этих сталей необходимо строгое соблюде­ние режимов сварки, специальные присадочные материалы, опреде­ленные температурные условия, а в некоторых случаях — подогрев, термообработка; III — ограниченно сваривающиеся, с содержанием углерода от 0,35 до 0,45 %, для получения качественных сварных со­единений которых дополнительно необходим подогрев, предвари­тельная или последующая термообработка; IV — плохо сваривающи­еся, с содержанием углерода свыше 0,45 %, т. е. сварные швы склон­ны к образованию трещин, свойства сварных соединений понижен­ные, стали этой группы обычно не применяют для изготовления сварных конструкций.

Все низкоуглеродистые стали хорошо свариваются существующи­ми способами сварки плавлением. Обеспечение равнопрочности сварного соединения не вызывает затруднений. Швы имеют удовлетвори­тельную стойкость против образования кристаллизационных трещин. Это обусловлено низким содержанием углерода. Однако в сталях, со­держащих углерод по верхнему пределу, вероятность возникновения холодных трещин повышается, особенно с ростом скорости охлажде­ния (повышение толщины металла, сварка при отрицательных темпе­ратурах, сварка швами малого сечения и др.). В этих условиях пре­дупреждают появление трещин путем предварительного подогрева до 120-200 °С.

Легированные стали.

Сталь, содержащая один или несколько легирующих элементов, вводимых для придания изделию определенных физико-механичес­ких свойств, называется легированной. Содержание некоторых элемен­тов, когда они не являются легирующими, не должно превышать: кремния (Si) — 0,5 %; марганца (Мп) — 0,8%; хрома (Сг) 0,3 %; никеля (Ni) – 0,3 %; меди (Cu) – 0,3 %.

Легированные стали подразделяют на подклассы: низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированная сталь — это сталь, легиро­ванная одним элементом при содержании его не более 2 % (по верхне­му пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержании 3,5 % (по верхнему пределу). Среднелегированная сталь — легирован­ная одним элементом, при содержании его не более 8 % (по верхнему пределу) или несколькими элементами при суммарном их содержа­нии, как правило, не более 12 % (по верхнему пределу).

Высоколегированная — это сталь с суммарным содержанием легирую­щих элементов не менее 10 % (по верхнему пределу), при содержании одного из них не менее 8 % (по нижнему пределу), при содержании железа более 45 %.

Маркировка всех легированных конструкционных сталей одно­типная. Первые две цифры обозначают содержание углерода в сотых долях процента, буквы являются условным обозначением легирующих элементов, цифра после буквы обозначает содержание легирующего элемента в процентах, причем содержание, равное 1 % и меньше, не ставится, буква «А» в конце марки показывает, что сталь высококачественная и имеет пониженное содержание серы и фосфора.

Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке

Условное обозначение элементов химического состава в основном металле и электродной проволоке

Основными элементами, влияющими на свойства стали, являются углерод, марганец и кремний.

Углерод при повышении его содержания в стали ведет к повыше­нию прочности и твердости и уменьшению пластичности. Окисление углерода во время сварки вызывает появление большого количества газовых пор.

Марганец повышает ударную вязкость и хладноломкость стали, являясь хорошим раскислителем; способствует уменьшению содержа­ния кислорода в стали. При содержании марганца в стали более 1,5 % свариваемость ухудшается, так как увеличивается твердость стали, об­разуются закалочные структуры и могут появиться трещины.

Кремний вводится в сталь как раскислитель. При содержании кремния более 1 % свариваемость стали ухудшается, так как возника­ют тугоплавкие окислы, что ведет к появлению шлаковых включений. Сварной шов становится хрупким.

Хром при значительном содержании в стали снижает ее сваривае­мость вследствие образования тугоплавких окислов и закалочных структур.

Никель повышает прочность и пластичность шва и не ухудшает свариваемость.

Алюминий — активный раскислитель стали, повышает окалиностойкость.

Вольфрам повышает прочность и твердость при повышенных тем­пературах, ухудшает свариваемость, сильно окисляется.

Ванадий затрудняет сварку, сильно окисляется, требует введения в зону плавления активных раскислителей.

Медь улучшает свариваемость, повышая прочность, ударную вяз­кость и коррозионную стойкость сталей.

Сера приводит к образованию горячих трещин.

Фосфор вызывает при сварке появление холодных трещин.

Как правило, повышение уровня легирования и прочности стали приводит к ухудшению ее свариваемости. Первостепенная роль по вли­янию на свойства сталей принадлежит углероду. Доля влияния каждого легирующего элемента может быть отнесена к доле влияния углерода. На этом основании о свариваемости легированных сталей можно судить по коэффициенту эквивалентности по углероду для различ­ных элементов.

Образование холодных трещин уменьшают путем выбора рацио­нального способа и технологии сварки, предварительного подогрева, снижения содержания водорода в сварном соединении, применения отпуска после сварки.

Элементами, обусловливающими возникновение горячих трещин, являются прежде всего сера, затем углерод, фосфор, кремний и др. Элементами, повышающими стойкость швов против трещин и ней­трализующими действие серы, являются марганец, кислород, титан, хром, ванадий.

Предупреждение образования горячих трещин может быть достиг­нуто путем уменьшения количества и сосредоточения швов, выбора оптимальной формы разделки кромок, устранения излишней жест­кости закреплений, предварительного подогрева, применения элект­родного металла с более низким содержанием углерода и кремния.

Низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавлением. Получение при сварке равнопрочного сварного соединения, особенно термоупроченных сталей, вызывает некоторые трудности и требует определенных технологических приемов. В зонах, удаленных от высокотемпературной области, возникает холодная пластическая деформация. При наложении последующих слоев эти зоны становятся участками деформационного старения, приводяще­го к снижению пластических и повышению прочностных свойств металла и соответственно к возможному появлению холодных тре­щин. В сталях, содержащих углерод по верхнему пределу и повышен­ное количество марганца и хрома, вероятность образования холод­ных трещин увеличивается (особенно с ростом скорости охлажде­ния). Предварительный подогрев и последующая термообработка позволяют снимать остаточные сварочные напряжения и получать необходимые механические свойства сварных соединений из низко­легированных сталей.

По разрезаемости легированные стали делятся на аналогичные четыре группы с соответствующим значением показателя эквивалента углерода.