CC BY
52
УДК 621.791
Кабацкий A.B.
НИЗКОЛЕГИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СВАРКИ ЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ СТАЛЕЙ
На современном этапе развития технологии в машиностроении производство сварных конструкций из высокопрочных закаливающихся сталей связано с определенными трудностями. Одной из главных проблем, возникающих при сварке этих сталей, является, как известно, опасность образования холодных трещин в зоне термического влияния сварных соединений. Поэтому применение в промышленном производстве подавляющего большинства известных низколегированных электродных материалов проблематично без использования дополнительных технологических мер: предварительного и сопутствующего подогрева, особых приемов техники сварки, термической обработки соединений после сварки и т.п.
Повышение стойкости против образования холодных трещин сварных соединений закаливающихся сталей, выполненных низколегированными сварочными материалами, является весьма актуальной проблемой. Целью настоящей работы являлась разработка низколегированных электродных материалов, применение которых позволило бы эффективно повысить стойкость против трещин сварных соединений высокопрочных сталей. При этом исходили из следующих соображений.
Одним из перспективных путей борьбы с образованием холодных трещин может служить модифицирование металла шва и зоны сплавления сварных соединений [1, 2]. Последний участок может являться наиболее вероятным местом зарождения околошовных трещин и, следовательно, опасность их возникновения в ряде случаев можно уменьшить выбором оптимального легирования металла шва. Установлено, например, [1, 2], что микролегирование металла шва элементами, обладающими повышенным сродством кислороду и сере, приводит к изменению морфологии неметаллических включений сульфидного типа в металле шва и зоне сплавления сварных соединений.
Имеются также данные о благоприятном воздействии на вязкость и хладостойкость металла сварных швов введения в него нитридообразующих элементов, в частности, ванадия [3, 4]. Выделение при охлаждении из твердого раствора высокодисперсной нитридной фазы на основе ванадия способствует образованию игольчатого феррита - наиболее благоприятной структуры низколегированных сварных швов [5,6].
В настоящей работе оценивался эффект модифицирования при совместном введении в наплавленный металл добавок азота и ванадия в сочетании с поверхностно-активными элементами. Азот вводили в металл через покрытия опытных электродов для ручной дуговой сварки в составе азотосодержащих ферросплавов (феррохрома 015Н1КЛ6, марганца азотированного марки МрН4Б). В качестве поверхностноактивных использовались редкоземельные элементы, которые вводились в электродное покрытие в составе лигатуры ФСЗОРЗМЗО.
Исследовались сварные соединения, выполненные ручной дуговой сваркой опытными электродами с покрытием основного вида на сталях 35ХМ, 20ХНЗМА и 15Х1М1Ф.
Данные электроды обеспечивают наплавленный металл типа 10ХМАФ и 10ХНЗМАФ.
Оценку сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин производили с помощью технологической пробы Теккен. При этом для более полной оценки вариантов фиксировалось время от момента окончания сварки до выхода трещины на поверхность металла. Пробы собирались из пластин размерами 200 х 150 х 15 мм с постоянным зазором 2 мм на участке контрольного шва. Контрольный шов выполнялся испытываемыми электродами диаметром 4 мм в один проход на режиме Ьв. = 160-180 А,Цц. = 22-24 В. При отсутствии визуально наблюдаемой трещины после выдержки пробы в течение 48 часов из контрольного шва вырезали
темплеты и изготавливали макрошлифы. Окончательное заключение делалось в таком случае после исследования микропшифов. Каждым вариантом опытных электродов сваривалось 2-3 пробы.
Определение механических свойств наплавленного металла осуществлялось при сварке образце» толщиной 15 мм с У-образной разделкой кромок. Пластины сваривали ручной дуговой сваркой электродами диаметров 4 мм на указанном выше режиме.
На основе сравнительного анализа результатов испытаний было установлено оптимальное соотношение добавок азота, ванадия и РЗМ в электродное покрытие, при котором обеспечивается достаточно высокая стойкость сварных соединений с низколегированными швами против образования холодных трещин в шве и ЗТВ. В случае сварки проб Теккен электродами оптимального состава холодных трещин удается избежать без использования подогрева
Введение модифицированных добавок в составе различных ферросплавов требует соответствующего пересчета количества присадки для достижения оптимального соотношения между элементами. При этом достигается достаточно высокая стабильность результатов.
Металлографические исследования сварных соединений из стали 35ХМ показали, что швы оптимального состава имеют преимущественно мелкозернистую дезориентированную первичную структуру. Вторичная структура представляет собой достаточно дисперсную смесь игольчатых микроструктурных составляющих (очевидно, игольчатого феррита и нижнего бейнита). Это может свидетельствовать о наличии дисперстной равномерно распределенной нитридной фазы, являющейся центрами активного внутризереннош зарождения структурных составляющих [7, 8].
В зоне термического влияния соединений наблюдается бейнито-мартенситная структура, состоящая, по-видимому, из нижнего бейнига и отпущенного мартенсита.
Подтверждением этому могут служить значения микротвердости в ЗТВ, которые составляют в среднем 380...410.
В результате проведенных исследований были разработаны электроды с покрытием основного вида, предназначенные для сварки конструкций из закаливающихся сталей. Электроды обеспечивают наплавленный металл, отвечающий по ГОСТ 9467-80 типу Э55-Э65. При сварке стали 35ХМ металл швов имеет химический состав и механические свойства, приведенные в табл. 1 и 2.
Испытания разработанных электродов в сравнении с широко используемыми для сварки закаливающихся сталей электродами показали существенное различие в стойкости против образования холодных трещин (табл. 3). При сварке образцов разработанными электродами возникновения холодных трещин в пробах удается избежать без использования подогрева. В то же время при испытаниях с использованием электродов УОНИ, ЦП и АНП в сварных соединениях образуются трещины-отколы.
Таблица 1 - Химический состав металла швов на стали 35 ХМ
Металл шва Содержание элементов в металле шва, %
С Мп Сг № Мо V в Р
10ХМАФ 0,06-0,12 0,10-0,20 0,30-0,45 0,30-0,60 - 0,10-0,20 0,05-0,15' 0,025 0,025
ЮХНЗМАФ 0,06-0,12 0,15-0,25 0,20-0,35 0,40-0,60 2,50-3,50 0,15-0,25 0,05-0,15 0,025 0,025
Таблица 2 - Механические характеристики металла швов на стали 35 ХМ
Металл СО,5 , Ов , 85 , ¥ > КСИ , Дж/см2, при
шва МПа МПа % % +20° С -400 С -60" С
10ХМАФ 470 620 20 55 102 65 -
ЮХНЗМАФ 580 670 15,5 66,5 104 53 50
Результаты проведенных испытаний свидетельствуют о том, что выбранный способ модифицирования позволяет получить достаточно высокие прочностные характеристики металла шва в сочетании с повышением стойкости против образования трещин в сварном соединении. При этом изучение структуры наплавленного металла подтверждает, что оптимальное соотношение прочности и стойкости против трещин может быть достигнуто не за счет традиционно используемого упрочнения феррита при легировании его элементами-упрочнителями, а путем образования мелкодисперсной нитридной фазы, что, по-видимому, приводит к диспергированию первичной структуры, а также к увеличению числа центров зарождения игольчатого феррита [5]. Введение азота и ванадия в сочетании с активными элементами способствует также изменению морфологии сульфидных включений в зоне сплавления сварного соединения, что, по всей видимости, может благоприятно сказываться на сопротивляемости образованию холодных трещин соед инений с низколегированными швами [6].
Таблица 3 - Технологическая прочность металла швов
Марка электрода Марка стали Наличие трещин в пробе Теккен Примечание
Визуально по макрошлифу
УОНИ 13/55 20ХНЗМА Есть - Трещина обнаружена через 30 мин. после сварки
35ХМ Есть - Трещина по ЗТВ через 25 мин. после сварки
ЦЛ - 45 15Х1М1Ф Есть - Трещина по шву через 2-3 часа после сварки
35ХМ Есть * Трещина по ЗТВ обнаружена Через 40 мин. после сварки
АНП-2 20ХНЗМА Есть - Трещина обнаружена через 15 мин. после «жарки
35ХМ Есть - Трещина по шву через 10 мин после (жарки
ЭФК-40 /10ХМАФ/, ЭФК-46 /ЮХНЗМАФ/' 20ХНЗМА Нет Нет -
15Х1М1Ф Нет Нет -
35ХМ Нет Нет ч -
В настоящее время электроды марки ЭФК-40 прошли промышленную проверку при ремонте крупного литья из стали 35ХМЛ в условиях ЗАО НКМЗ. По технологии, принятой на предприятии, заварка дефектов серийных изделий производится электродами УОНИ 13/55 с предварительным подогревом и последующей термообработкой изделия. Проверка разработанных электродов осуществлялась без использования предварительного подогрева. Тщательный осмотр изделий в течение всего технологического цикла, в том числе после окончательной термической (закалки с отпуском) и механической обработки показал отсутствие трещин в металле соединений. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование разработанных сварочных материалов при изготовлении и ремонте жестких сварных конструкций из закаливающихся сталей.
Перечень ссылок
1. Структура и свойства зоны термического влияния сварных соединений высокопрочной стали мартенситного класса / В. И.Кабацкий, В. В.Подгаецкий, Д. П.Новикова и др. //Автомат, сварка. - 1968. - № 1. -С. 16 - 20.
2. Влияние модифицирования неметаллических включений редкоземельными металлами на структуру и свойства металла шва при сварке высокопрочных сталей / В. Ф. Мусияченко, И. С.Мелъник, М. Б. Мовчан и др. // Автомат, сварка. -1987. - №6. - С. 1 -6.
3. Dolby R.E. The influence of vanadium on the microstructure and toughness of ferritic weld metal - a review // Metal construction. - 1982. - № 3. - P. 148 - 153.
4. Плескан В. M. Анализ способов повышения хладостойкости сварных конструкций // Свароч. пр-во. - 1987. -№ 1. - С. 14-16.
5. К вопросу о зарождении игольчатого феррита в сварных швах / Подгаецкий В. В.. Парфессо Г. И//Автомат, сварка. -1991. - № 10.-С.10 -12.
6. Кабацкий В. П., Парфессо Г. П., Новикова Д. П. Свойства зоны, термического влияния сварных соединений высокопрочной стали мартенситного класса со швами различного легирования // Технологические основы современного сварочного производства: Сб. статей / КИИ. - Краматорск, 1992. - С. 61 - 67.
7. Бабаскин Ю. 3. Структура и свойства литой стали. - Киев: Наукова думка, 1980.
-240 с.
8. Ricks R.A., Howell,P.R., Barritte G.S. The nature of acicular ferrite in HSLA steel weld metals // Jornal of Material Science. - 1982. - v. 17, N 5. - P. 132 - 740.
