CC BY
80МАШИНОСТРОЕНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ
УДК 621.791.01
К.Б. Конищев1, Б.П. Конищев2
ОЦЕНКА СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ И ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ
ООО «Газпром ВНИИГАЗ», Москва1
2
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Рассматривается влияние химического состава конструкционных сталей на образование горячих трещин при сварке. Рассматривается отрицательное влияние серы, углерода, фосфора и других элементов на образование горячих трещин при сварке конструкционных сталей. Приводится сравнительная оценка сопротивляемости некоторых марок низкоуглеродистых и низколегированных конструкционных сталей по параметру Ита-муре HCS, критерию UCS европейского стандарта и эквиваленту углерода Сэг. Показано, что наиболее достоверную оценку дает эквивалент углерода Сэг. Дана оценка сопротивляемости высоколегированных сталей горячим трещинам по соотношению эквивалентов хрома [Сг]э и никеля [Ni]3 .
Ключевые слова: сульфидная эвтектика, ликвация серы, зональная неоднородность, температурный интервал хрупкости, сопротивляемость горячим трещинам, параметр ИтамуреНС8, европейский критерий UCS, эквивалент углерода на горячие трещины Сэг, эквиваленты хрома и никеля.
Важным показателем хорошей свариваемости сталей является сопротивляемость этих сталей образованию горячих трещин при сварке. Горячие трещины образуются на завершающей стадии кристаллизации металла в ТИХ (температурном интервале хрупкости) при низкой пластичности металла.
Образование горячих трещин определяется следующими факторами:
1. Величиной температурного интервала хрупкости ТИХ.
2. Значением минимальной пластичности металла 5mjn.
3. Темпом внутренней деформации авн.
Чем больше темп внутренней деформации авн, тем больше возможность образования горячих трещин. Темп внутренней деформации зависит от формы, размеров и жесткости конструкции. Наибольший темп внутренней деформации будет при сварке конструкций малой и большой жесткости. Наименьший темп внутренних деформаций будет при сварке конструкций средней жесткости. Чем больше минимальная пластичность стали 5mjn в ТИХ, тем больше сопротивляемость стали образованию горячих трещин. Чем меньше величина температурного интервала хрупкости ДТХр, тем больше сопротивляемость стали образованию горячих трещин.
Величина температурного интервала хрупкости ДТХр и значение минимальной пластичности металла 5mjn зависят от химического состава стали, от содержания вредных и полезных элементов. Наиболее вредным элементом в сталях, вызывающих горячие трещины является сера.
© Конищев К.Б., Конищев Б.П., 2015.
Сера обладает неограниченной растворимостью в жидком железе и весьма малой растворимостью в твердом. Сера образует с железом легкоплавкий сульфид железа БеБ с температурой плавления Тпл=1190°С и более легкоплавкую сульфидную эвтектику Ее-БеБ с температурой плавления Тпл=985°С.
При затвердевании металла сварочной ванны в результате избирательного процесса ее кристаллизации легкоплавкие сульфиды и сульфидная эвтектика оттеняется вглубь жидкой фазы и затвердевает при более низких температурах, сосредоточиваясь по границам столбчатых кристаллов в виде жидких прослоек, имеющих в температурном интервале хрупкости очень низкую пластичность. Наибольшее количество серы сосредотачивается в центральной части шва, в месте стыка кристаллов, образуя зональную ликвацию, где чаще образуются горячие трещины.
Вторым по вредности элементом, вызывающим горячие трещины, является углерод, расширяющим ДТХр и снижающим 5т;п, менее вредными элементами являются фосфор, кремний, никель, медь.
Полезными элементами являются Мп, Т и другие элементы, образующими тугоплавкие сульфиды и снижающими ДТХр.
Для предупреждения горячих трещин ограничивают содержание серы в основном металле. По содержанию серы стали делятся на 4 группы: стали обыкновенного качества Ст2сп, СтЗсп ,содержащие 8<0,05%, качественные стали 15, 20 ,содержащие 8<0,04%, высококачественные стали 23Г2А , содержащие Б<0,035 %, особокачественные стали 20Г-Ш, содержащие Б<0,02%. Еще больше ограничивают серу в сварочных проволоках: Св-08 Б<0,04%, Св-08А Б<0,03%, Св-08АА Б<0,02%. Содержание серы в металле шва снижают также за счет применения сварочных флюсов и электродных покрытий, обеспечивающих рафинирование металла - перевод серы из металла в основной шлак, содержащий оксиды СаО и М§0.
Эффективным способом борьбы с горячими трещинами является применение низкоуглеродистых сварочных проволок, содержащих 0,08% углерода и ниже.
Для оценки сопротивляемости конструкционных сталей образованию горячих трещин в зависимости от их химического состава применяют расчетно-статистические методы, основанные на использовании уравнений на основе анализа экспериментальных данных. Одно из параметрических уравнений (по Итамуре) применительно к низколеги-рованным сварным швам имеет вид [ 1]
юоодэ + р + |5 + Щ))
3Мп + Сг+ Мо +V
Если НСБ>4, то сварные швы потенциально склоны к горячим трещинам для сталей с пределом прочности менее 700 МПа. Для сталей с пределом прочности более 700 МПа допустимое значение НСБ составляет 1,6-2,0.
В табл. 1 приведены значения НСБ для 20 марок конструкционных сталей, рассчитанные по этому уравнению. Все стали, приведенные в этой таблице, потенциально склонны к горячим трещинам, так как НСБ>4. Однако в марочнике сталей [2] свариваемость этих сталей оценивается как хорошая, и они считаются не склонными к горячим трещинам. Практика применения этих сталей в производстве также показывает, что они не склонны к горячим трещинам при сварке.
По европейскому стандарту БК 1011-2:2001 «Рекомендации по сварке металлических материалов» при дуговой сварке ферритных (углеродистых и низколегированных) сталей ре-
комендуется оценивать опасность образования горячих трещин в сварных швах по соотношению [1]:
UCS=230C+190S+75P+45Nb-12,3Si-5,4Mn-1.
Таблица 1
Показатели сопротивляемости сталей образованию горячих трещин
Сталь Оэг, %
€т2сп 8,75 39,61 0,31
СтЗсп 10,27 54,9 0,38
8 5,43 28,76 0,26
10 6,19 33,36 0,28
15 8,01 44,86 0,33
20 10,01 56,36 0,38
15Г 5,00 42,02 0,32
15Х 5,098 41,34 0,31
20Х 5,94 52,304 0,36
20Г 6,39 53,52 0,37
15ГС 4,41 28,455 0,35
16ГС 4,89 35,54 0,35
17ГС 4,53 40,285 0,36
15ХФ 4,93 41,34 0,31
18ХГТ 4,39 50,68 0,36
20ХГВ 5,2 53,52 0,37
20ХМ 4,62 18,97 0,38
20ХН 6,54 38,24 0,38
10ХСНД 6,36 57,44 0,38
15ХСНД 7,49 52,84 0,398
Значение UCS<10 соответствует высокой сопротивляемости образованию горячих трещин, а при UCS>30 - низкой сопротивляемости горячим трещинам.
В табл. 1 приведены значения UCS, рассчитанные по этому уравнению для 20 марок сталей. Для большинства сталей UCS>30, т.е. они склонны к горячим трещинам, что не соответствует практике применения этих сталей в производстве.
В работе [3] оценка сопротивляемости конструкционных сталей против образования горячих трещин производится по эквиваленту углерода:
Сэг=С+2S+P/3+(Si-0,4)/10+Ni/12+Cu/15.
Если Сэг > 0,4%, сталь склонна к горячим трещинам, влияние Si учитываем только при ^ > 0,4%.
Результаты расчета по этому уравнению в табл. 1 показывают, что все стали не склонны к горячим трещинам, что хорошо соответствует данным марочника сталей [2] и практике применения этих сталей в производстве.
Сталь Ст4сп склонна к горячим трещинам, так как для нее Сэг=0,428%>0,4%. Сталь 25 при содержании углерода С=0,25% не склонна к горячим трещинам, так как для неё Сэг=0,377%<0,4%, а при максимальном содержании в ней углерода С=0,3% становится склонной к горячим трещинам, так как Сэг=0,437%>0,4%. Трубные стали 16ГС, 17ГС, 10ХСНД, 15ХСНД не склонны к горячим трещинам.
Сера образует с никелем более легкоплавкие соединения, чем с железом: сульфид никеля №382 с Гпл = 787°С и сульфидную эвтектику №-№382 с Гпл = 644°С. Поэтому аустенит-ные высоконикелевые стали очень склонные к горячим трещинам.
Сопротивляемость высоколегированных сталей, образованию горячих трещин оценивается по соотношению эквивалентов хрома [Сг]Э и никеля [№]Э [1, 3].
Таблица 2
Оценка сопротивляемости высоколегированных сталей, образованию горячих трещин
Марка стали Сгэ, % №э, % Сгэ/№э
14Х17Н2 16,85 5,6 3,67
08Х17Н5Ь3 19,6 8,45 2,4
08Х17Н6Т 15,9 9,5 1,81
20Х13Н4Г9 15,2 12,45 1,59
12Х21Н5Т 22,2 10,4 2,43
08Х21Н6М2Т 29,2 8,8 3,35
08Х18Г8Н2Т 22,7 9,7 2,95
03Х22Н6М2 27,6 7,9 3,57
37Х12Н8Г8МФБ 20 25,75 0,84
10Х14Г14Н4Т 17,7 15 1,47
08Х17Н13М2Т 23,4 18,4 1,21
12Х18Н9Т 19,9 14,6 1,44
08Х18Н10Т 19,9 14,4 1,42
12Х18Н10Т 20,9 15,6 1,41
06Х18Н11 18,9 13,8 1,46
12Х18Н12Т 20,9 16,6 1,32
20Х2 3Н18 24,2 25 1,05
20Х25Н20С2 29,5 26,75 1,19
10Х11Н20Т3Р 31,3 23,9 1,01
13Х11Н2В2МФ 17,5 4,59 3,43
Эквивалент хрома рассчитывается по зависимости [3]:
[Сг]Э = Сг + + 2Мо + 5Т + 2№ + 1,5Ш + 2А1 + V.
Эквивалент никеля рассчитывается по зависимости [3]:
[Ш]Э = N + Со + 0,5Мп + 30С + 30N + 0,3Си.
При соотношении Сгэ/№э<1,5 стали склонны к горячим трещинам, при Сгэ/№э>1,5 не склонны. В табл. 2 приведены значения эквивалентов хрома и никеля и их соотношение. Стали, для которых Сгэ/№э>1,5, склонны к горячим трещинам. На рис. 1 приведена диаграмма Шеффлера.
Рис. 1. Диаграмма Шеффлера:
А - аустенит; Ф - феррит; М - мартенсит
По диаграмме Шеффлера может быть ориентировочно установлена структура стали при определенных содержаниях эквивалентов хрома и никеля. К образованию горячих трещин склонны стали, имеющие на диаграмме чисто аустенитную структуру или структуру А+Ф при содержании Ф до 2%.
Высоколегированные стали более подверженные образованию горячих трещин, чем конструкционные стали. Это объясняется более вредным влиянием серы, а также сильно развитой транскристаллитной направленной первичной микроструктурой, увеличенной литейной усадкой кристаллизующего металла, более значительной величиной темпа внутренней деформации. Эффективным способом борьбы с горячими трещинами является легирование металла шва элементами ферритизаторами и получение в шве двухфазной аустенитно-ферритной структуры с содержанием феррита 2-7%.
Библиографический список
1. Сварка. Резка. Контроль: справочник в 2-х т. Т. 1 / под общ. ред. Н.П. Алешина, Г.Г. Черны-шова. - М.: Машиностроение, 2004. - 624 с.
2. Марочник сталей и сплавов / А.С. Зубченко, М.М. Колосков, Ю.В. Каширский [и др.]; под общей ред. А.С. Зубченко. - 2-е изд., доп. и испр. - М.: Машиностроение, 2003. - 784 с.
3. Оценка стойкости металла шва против образования горячих трещин при сварке: метод. указания к лаб. работе 11 по курсу «Теория сварочных процессов» для студентов специальностей 150701, 151701 и др. всех форм обучения / НГТУ; сост.: Б.П. Конищев. - Н. Новгород, 2012. - 12 с.
Дата поступления в редакцию 22.04. 2015
1 2 K.B. Konishchev , B.P. Kornshchev
STRUCTURAL AND HIGH-ALLOY STEEL RESISTANCE EVALUATION FOR HOT CRACKING DURING WELDING
"Gazprom VNIIGAZ LLC", Moscow1, Nizhny Novgorod state technical university n.a. R.E. Alexeev2
Purpose: To examine the impact of chemical structural steels to hot cracking during welding. To examine the negative impact of sulfur, carbon, phosphorus and other elements on the hot cracking during welding of structural steels. To evaluate resistance tohot crackinghigh-alloy steelsby the ratioof equivalentsof chromium [Cr]e and nickel [Ni]e. Methodology: The comparative assessment of the resilience of some brands of low-carbon and low-alloy structural steels in the parameter Itamura-HCS, UCS-europian criterion standard and equivalent carbon (carbon equivalent hot crack).
Findings: It is shown that the most reliable estimate gives the equivalent carbon (carbon equivalent hot crack).
Key words: sulfide eutectic segregation of sulfur zonal heterogeneity, the temperature interval of brittleness, resistance to hot cracking parameter Itamura HCS, European criteria UCS, the equivalent carbon (carbon equivalent hot crack).Chromium and nickel equivalents.
УДК 621.9-114.003.13
Д.С. Пахомов, Т.Н. Гребнева
ОСОБЕННОСТИ НОРМИРОВАНИЯ ОПЕРАЦИЙ ДЛЯ СТАНКОВ С ЧПУ
Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева
Предложен новый подход к нормированию времени операции, выполняемой на станках с ЧПУ. Представлена блок-схема расчета нормы штучного времени.
Ключевые слова: нормирование операций, станки с ЧПУ, время цикла станка, хронограмма, норма штучного времени, вспомогательное время, подготовительно-заключительное время.
В связи с возрастающим парком станков с ЧПУ на отечественных предприятиях необходимо правильно нормировать затраты времени оборудования и оператора при обработке деталей на данных станках. Затраты времени оборудования определяются временем его работы без участия оператора за время цикла и зависят от степени его автоматизации. Затраты времени оператора определяются приемами, которые он выполняет за время цикла. При этом приемы, которые выполняет оператор, могут быть совмещены или выполнятся последовательно с автоматической работой станка. Также оператор может обслуживать один или несколько станков с ЧПУ.
На станках с ЧПУ согласно ГОСТ 23004 [1] «Механизация и автоматизация технологических процессов в машиностроении и приборостроении», используются и могут совмещаться следующие методы выполнения технологической операции или ее части: коопериро-ванно-ручной метод, автоматизированно-ручной метод, автоматизированный метод, автоматический метод.
Для первых трех из указанных методов цикл выполнения операции (Тц), состоит из действий станка (ДС) и действий оператора (ДО) и определяется интервалом календарного времени от начала до конца периодически повторяющейся технологической операции независимо от числа одновременно изготовляемых деталей. Также при нормировании необходимо учитывать, что время цикла станка может быть постоянным и плавающим. Постоянный цикл возможен только при полной автоматизации работ по программе, без каких либо изменений и очень высокой надежности процесса. Плавающий цикл имеет определенный диапазон колебания из-за непостоянства действий оператора и возможных изменений, которые могут быть внесены в процессе цикла работы станка, а также случайных факторов, приводящих к прерыванию цикла обработки. Поэтому перед началом нормирования необходимо составлять хронограмму цикла обработки детали на станке и только после этого приступать к технологическому нормированию времени операции.
При производстве деталей на станках с ЧПУ устанавливают норму времени на одну деталь. Норма времени на одну деталь в соответствии с ГОСТ3.1109 [2], состоит из следующих частей:
• нормы штучного времени (Тншт);
• нормы подготовительно заключительного времени (Тнпз).
Норму подготовительно-заключительного времени составляют время на подготовку средств производства и рабочего к выполнению технологической операции и время на приведение их в первоначальное состояние после окончания технологической операции.
Норма подготовительно-заключительного времени включает:
Тн.п.з _ Тп.з.орг. + Тп.з.н. + Тп.з.п.обр, (1)
© Пахомов Д.С., Гребнева Т.Н., 2015.
