Как влияет содержание углерода на свариваемость стали

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.

Читайте также:  Как находится объем железа

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.

Источник

Влияние химические элементов на свойства стали и свариваемость

Свариваемость — это способность материала образовывать неразъёмные соединения, отвечающие требованиям изготовления и проектирования и работающие должным образом в течение срока службы. Свариваемость считается хорошей для низкоуглеродистой стали, С повышением содержания углерода требуется применять специальные меры, такие как предварительный нагрев, контроль подвода тепла и термическая обработка после сварки. Кроме углерода на свариваемость влияет содержание других легирующих элементов. Качественный подход к определению свариваемости стали заключается в расчете ее углеродного эквивалента.

где Сэ – углеродный эквивалент,

С, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – массовые доли углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля, и меди, %.

Классификация сталей по свариваемости

По технологической свариваемости легированные углеродистые стали условно можно разбить на четыре группы:

Читайте также:  Как сделать кости крепче стали

1) стали, свариваемые без ограничений (Сэ ≤ 0,25%);

2) стали с удовлетворительной свариваемостью (0,25 0,45 %), применение которых для изготовления сварных конструкций не желательно

Свариваемость Эквивалент Сэ, % Специальные меры
подогрев
предварительный сопутствующий термообработка после сварки
Хорошая ≤ 0,25
Удовлетворит. 0,25 — 0,35 необходим необходим
Ограниченная 0,35 — 0,45 необходим необходим
Плохая > 0,45 необходим необходим необходим

Методы оценки свариваемости металлов

Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы.

Косвенные способы позволяют оценить склонность к образованию холодных трещин расчетным путем без непосредственного испытания материалов

Прямые способы предусматривают сварку технологических проб,
проведение специализированных испытаний сварных соединений
или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные

Влияние химических элементов на свариваемость

Углерод (C)

Углерод является самым важным элементом в стали, его содержание определяет твердость и прочность материала, а также реакцию на термическую обработку, способность стали к закалке. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твёрдость, а свариваемость пластичность, и обрабатываемость стали снижаются.

Кремний (Si)

Кремний является одним из основных раскислителей стали. Кремний помогает удалять пузырьки кислорода из расплавленной стали. Это элемент, обязательно используется в производстве сталей, и обычно содержится в количествах менее 0,40 процента. Кремний растворяется в железе и имеет свойство увеличивать прочность.

При сварке кремний улучшает очистку и раскисления металла при сварке на загрязненных поверхностях и способствует получения металла сварного шва повышенной прочности Кремний добавляется как раскисляющий элемент в сварочную проволоку. Он предотвращает соединение железа с кислородом и уменьшает количество FeO в сварочной ванне, однако при этом образуются оксиды SiO2 имеющие высокую температуру плавления (около 1710℃), и остающиеся в металле при застывании.

Марганец (Mn)

Действие марганца аналогично действию кремния, но его способность к раскислению несколько хуже, чем у кремния. Марганец добавляемый в сварочную проволоку соединяться с серой и образовывает сульфида марганца (MnS). Оксиды и сульфиды марганца имеет температуру плавления (около 1270 ℃) и низкую плотность благодаря чему они могут агломерироваться в крупный шлак и всплывают в сварочной ванне, обеспечиваю хороший эффект очищения от кислорода и серы. Марганец также является важным легирующим элементом, оказывающим влияние на повышение прочности но снижется вязкость металла сварного шва.

Марганец (Mn)

Марганец может быть вторым по важности элементом после углерода в стали. Mn обладает эффектами, аналогичными эффектам углерода, и производитель стали использует эти два элемента в сочетании для получения материала с желаемыми свойствами. Марганец необходим для процесса горячей прокатки стали путем его сочетания с кислородом и серой.

Стали обычно содержат не менее 0,30% марганца, однако в некоторых углеродистых сталях может содержаться до 1,5%.

Сталь с низким содержанием марганца может содержать серу в виде сульфида железа (FeS), что может привести к образованию трещин в сварном шве.

Сера (S)

Сера улучшает обрабатываемость, но снижает пластичность и ударную вязкость. При сварке сера является вредной примесью, оказывающей неблагоприятное влияние на свариваемость и механические свойства стали. Содержание серы в сталях ограничено до 0,05%.

Сера обычно присутствует в стали в виде сульфида железа и распределяется по границе зерен в виде сетки. По содержанию серы и фосфора стали классифицирую по качеству. Стали с содержанием серы и фосфора менее 0,025% относят к высококачественным.

Читайте также:  Как заварить чугун герметично

Фосфор (Р)

Фосфор может быть полностью растворен в феррите в стали. Фосфор хотя и увеличивает прочность и коррозионную стойкость стали, также является вредной примесью, так как приводит к охрупчиванию, особенно при низкой температуре. Поэтому он крайне не благоприятен для сварки и его содержания ограничивается так же как и серы.

Хром (Cr)

Хром один из основных легирующим элементом в стали. Хром повышает прокаливаемость стали, коррозионную стойкость, а также предела текучести но при этом ударная вязкость и пластичность незначительно снижаются. Стали с содержанием хрома боле 12% относят к нержавеющим.

Хром также обладает сильной антиоксидантной способностью и термостойкостью. Поэтому хром широко используется в жаропрочных сталях.

Алюминий (Al)

Алюминий является одним из сильнейших раскисляющих элементов, поэтому использование алюминия в качестве раскислителя приводит к снижению оксидов в сварочной ванне, азота и снижает пористость. способность противостоять пористости CO. В то же время высокое содержание в сварочной проволоке алюминий приводит к сильному разбрызгиванию. При оптимальном содержания алюминия в сварочной проволоке, формируется мелкозернистая структура, незначительно повышается твердость, предел текучести и прочность на растяжение металла сварного шва.

Титан (Ti)

Титан очень прочный и легкий металл, который можно использовать отдельно или легировать сталями. Он добавляется в сталь для придания ей высокой прочности при высоких температурах.

Титан является сильным раскисляющим элементом, и также может связывать азот и кислород, что приводит к снижению пористости сварного шва. Содержание титана в металле препятствует росту зерна и улучшает структуру.

Молибден (Мо)

Молибден в сталях повышает прочность и твердость, придает структуре мелко зернистость, уменьшает склонность к образованию трещин и повышает ударную вязкость. Молибденом используется для придания стали жаропрочности, в нержавеющих сталях добавляется для повышения их коррозионной стойкости, а также используется в быстрорежущих инструментальных сталях.

Ванадий (V)

Ванадий повышает прочность стали, способствует уменьшению роста зерна и улучшить прокаливаемость. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, увеличивает склонность стали к закалке. Карбид ванадия обладает высокой температурной стабильностью, поэтому он может улучшить высокотемпературную твердость стали. Ванадий образует тугоплавкие оксиды, что увеличивает сложность газовой сварки и резки.

Ванадий используется в жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.

Вольфрам (W)

Используется с хромом, ванадием, молибденом или марганцем для производства быстрорежущей и инструментальной стали. Вольфрам в виде карбида вольфрама придает стали высокую твердость, которая сохраняется даже при сильном нагреве, что делает ее особенно подходящей для режущего инструмента.

Кобальт (Co)

Кобальт повышает прочность и твердость при высоких температурах. Усиливает действие других элементов в высоко легированных сталяз индивидуальные эффекты других элементов в более сложных сталях.

Никель (Ni)

Никель улучшает коррозионную стойкость, низкотемпературные характеристики стали и свариваемость. Часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно хромом и молибденом. Это ключевой компонент в нержавеющих сталях, в низких концентрациях, обнаруживаемых в углеродистых сталях.

Медь (Cu)

Медь является еще одним основным элементом коррозионной стойкости. Она также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость стали. Наиболее часто медь встречающаяся в качестве остаточного металла в сталях и содержится в количестве не менее 0,20 процента.

Ниобий (Nb)

Ниобий улучшает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость и улучшает структуру зерна. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень мелкие карбиды.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Поделиться с друзьями
Металл и камни