Научная статья на тему 'Присадочный материал для сварки высокопрочных конструкционных легированных сталей'

Присадочный материал для сварки высокопрочных конструкционных легированных сталей Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
79
6
Поделиться

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Старова Л.Л., Ковальчук В.Г., Борисов М.Т., Лукин В.И., Голев Е.В.

Исследовано влияние легирующих элементов Si, Co, Ni в присадочном металле на свойства металла шва при сварке высокопрочной стали 40ХС3Н5К2 (σ в≥2100 МПа). Установлено оптимальное содержание данных элементов в присадочном металле. Разработан состав присадочного металла, обеспечивающий высокие свойства сварных соединений: σ в.св≥1800 МПа; KC U≥50-55 Дж/см 2; KC V≥30 Дж/см 2, с вязким характером разрушения. Ил. 7. Библ. 8 назв.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Старова Л.Л., Ковальчук В.Г., Борисов М.Т., Лукин В.И., Голев Е.В.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Присадочный материал для сварки высокопрочных конструкционных легированных сталей»

Результаты испытаний показали, что сварные соединения сплава 1913 не склонны к МКК, как в исходном состоянии, так и после длительных нагревов (85°С, 2000 ч). Склонность к РСК проявляется в большей степени по зоне термического влияния после сварки (7 балл). Длительные нагревы снижают склонность к РСК до 2 балла.

Таким образом, в результате проведенной работы показано, что применение для сварки сплава 1913 нового присадочного материала на основе системы Al-Mg с добавками Sc и Ag и технологии автоматической сварки с пульсирующей подачей смеси защитных газов позволило не только получить практически равнопрочные основному материалу сварные соединения (авсв>0,95ав), но и повысить в 4 раза значения ударной вязкости (по сравнению со свойствами сварного соединения с присадочным материалом Св-1217).

Длительные эксплуатационные нагревы сварных соединений (85°С, 2000 ч) приводят к повышению пластичности (на 50-60%) и стойкости к расслаивающей коррозии по зоне термического влияния.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фридляндер И.Н., Ткаченко Е.А. и др. Влияние микролегирования на структуру и свойства сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu //МиТОМ, 1986, № 4, с. 46.

2. Berezina A.L., Chuistov K.V., Kolobnev N.I., Khokhlatova L.B. Sein aluminium alloys: The 8-th International Conference on Aluminium alloys (ICAA-8)-UK, 2002, v. 2, p. 741-746.

3. Лукин В.И. Se - перспективный элемент для присадочных материалов //Сварочное производство, 1995, № 6, с.13-14.

4. Лукин В.И., Арбузов Ю.П., Грушко О.Е. Химические элементы, влияющие на свариваемость сплавов Al-Mg-Li //Сварочное производство, 1994, № 1, с. 22-24.

5. Kusui Iun, Yokoe Kazuhiko et al. Characteristics of super-highly strength Al-Zn-Mg-Cu alloys //Alloys, 1977, v. 3, p.1777.

6. Mukhopadhyay A.K., Reddy G.M. Influence of Trase addition of Ag on the weldability of Al-Zn-Mg-Cu-Zr Base 7010 alloy: 8-th Materials science forum //ICAA, 2002, v. 396-402, p. 1665-1670 (Transtechpublication LTD - Sweden, Germany, GB, USA).

УДК 621.791.4

Л.Л. Старова, В.Г. Ковальчук, М.Т. Борисов, В.И. Лукин, Е.В. Голев

ПРИСАДОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ СВАРКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Повышение весовой отдачи материалов, используемых в современном самолетостроении, является весьма актуальной проблемой. Среди конструкционных материалов в изделиях авиационной техники достаточное место занимают стали, обрабатываемые на прочность до 1900 МПа. Эффективность применения сталей с прочностью свыше 1900 МПа во многом определяется возможностью изготовления из них сварных конструкций и прочностью сварных соединений.

Для сварки высокопрочных сталей с прочностью свыше 1900 МПа может быть применена серийно изготовляемая проволока ВЛ1-ДГ. Однако прочность сварных соединений в этом случае не превышает 1600 МПа. В качестве высоколегированной стали с прочностью более 1900 МПа исследовалась сталь 40ХС3Н5К2 (ВКС-12; ав>2100 МПа) [1].

Использование для сварки указанной стали высоколегированных присадок, близких по составу к основному материалу, вызывает хрупкие разрушения сварных образцов при испытании на растяжение, при этом прочность сварного соединения в 1,5 раза меньше, чем должна быть при данном содержании углерода. При применении присадочных материалов с 5-8% никеля, в структуре металла шва образуется грубокристаллическая структура с близкой кристаллографической ориентацией ячеек и дендритов, - такая структура является причиной разрушения вследствие высокого содержания кремния и никеля. Применение в качестве присадок менее легированных проволок Х2Г2СНВМА и Х2НМЦРА обусловливает измельченность и дезориентированность литой структуры металла шва. Однако система Х2Г2СНВМА (типа ВЛ1-ДГ) при одинаковом содержании углерода (0,30-0,35%) дает более высокие значения ударной вязкости при несколько более высокой прочности благодаря упрочняющему влиянию марганца при низком отпуске.

Одним из факторов, определяющих технологическую прочность в условиях сварки и эксплуатационные свойства сварных конструкций, является обеспечение необходимого химического состава металла шва, который (состав) достигается в средне-легированных высокопрочных сталях многокомпонентным легированием.

Основным элементом, определяющим уровень прочности стали, является углерод, наиболее активно тормозящий движение дислокаций. Известно [2], что для получения прочности высокопрочных сталей свыше 1800 МПа необходимо наличие в стали 0,30-0,35%С. Остальные легирующие элементы, наиболее часто применяемые в указанных сталях, являясь элементами замещения, в меньшей степени влияют на прочность, обеспечивая в основном требуемый уровень пластичности и вязкости.

Так, кремний, улучшая свойства основного металла, ухудшает механические характеристики шва. Имея высокую склонность к ликвации, а также способствуя увеличению размера зерна в сварных швах, особенно при большом содержании углерода, кремний снижает стойкость к образованию горячих трещин (укр; рис. 1) при одновременном снижении вязкости (рис. 2).

Изменение содержания никеля в присадочном металле от 1,0 до 2,1% благоприятно сказывается на повышении прочности при неизменных значениях вязкости (КСИ).

V мм/мин

Рис. 1. Зависимость склонности к образованию горячих трещин от содержания кремния в присадочном материале

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание 81,%

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание 81,%

КСУ, Дж/см2

в;

Рис. 2. Влияние содержания кремния на характеристики прочности (а) и вязкости сварных соединений (б, в)

0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 Содержание 81,%

ов.шВа, кеч, кси

МПа Дж/см2 Дж/см2

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

1800

1700-

40 80 Т

—/

3 0- 60-

2 0- 40- \

, мм/мин

0 12 3

Содержание N1, %

Однако среднее значение вязкости образцов с острым надрезом (КСЧ) снижается при увеличении содержания никеля. В некоторых швах имеет место грубо-кристаллическая структура и соответственное снижение значений КСЧ (рис. 3).

Содержание никеля от 1 до 2% мало влияет на склонность к образованию горячих трещин (укр=3,4-3,0 мм/мин), однако повышение его содержания до 2,5% при одновременном присутствии ~0,7%Со в присадке обусловливает упрочнение металла шва до 1909 МПа, при этом происходит снижение вязкости и стойкости к образованию горячих трещин (см. рис. 3) [3].

Рис. 3. Влияние содержания никеля на прочность и пластичность металла шва (• -св.шва; ■ - КСи; ▲ - КСЧ; ударная вязкость - с надрезом по центру шва) и стойкость к образованию горячих трещин (о)

Введение кобальта в высокопрочные стали полезно с точки зрения увеличения прочности, так как кобальт уменьшает степень закрепления дислокаций атомами внедрения, повышая их подвижность. Кроме того, кобальт повышает уровень точек Ас^ и Мн, способствуя процессам самоотпуска при охлаждении после сварки и снижая склонность к образованию холодных трещин. Однако известно, что введение кобальта в металл шва высокопрочной стали может приводить к появлению в структуре шва протяженных зерен, размер которых возрастает с увеличением содержания кобальта.

Характер изменения формы кристаллизации при изменении содержания кобальта в металле шва исследован на листовом металле толщиной 3 мм. Установлено, что при скорости сварки 5 м/ч, что соответствует ручной сварке, и при содержании в металле шва 0,7%Со в структуре присутствует осевой кристаллит, состоящий из отдельных кристаллов с близкой кристаллографической ориентацией дендритов, ширина которых в среднем составляет 0,53 мм при длине ячеек 1,7 мм (рис. 4).

а) б)

в)

Рис. 4. Первичная структура (х100) сварных швов при содержании кобальта 0,7 (а); 0,9 (б) и 1,5% (в)

Увеличение содержания кобальта до 0,9% вызывает изменение схемы кристаллизации, способствуя «выклиниванию» осевого кристаллита и образованию зубчатого стыка боковых кристаллитов в центре шва. Такая схема кристаллизации затрудняет развитие разрушения и обусловливает повышение механических свойств сварных соединений (рис. 4, б).

Наличие в металле шва >1,5%Со вызывает значительное расширение осевого кристаллита и увеличение длины входящих в него дендритов, что приводит к снижению вязкости вследствие облегчения распространения разрушения (рис. 4, в).

Содержание ~1%Со оказывает положительное влияние на повышение стойкости к образованию горячих трещин (рис. 5, б), а также характеристик прочности и пластичности (рис. 5, а).

а)

б)

о КСУ, кси,

в.шва'

МПа Дж/см2 Дж/см2

1900 40 60 х.................

1800 30 50

1700 20 40

0,5 1 1,5 Содержание Со, %

, мм/мин

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

0,5 1

Содержание Со, %

Рис. 5. Влияние кобальта на прочность и пластичность металла шва (а: • - авш1 ■ - КСи; о - КСУ; ударная вязкость - надрез по центру шва) и стойкость к образованию горячих трещин (б)

Положительное влияние кобальта может быть объяснено исследованиями интервала кристаллизации (рис. 6) [4]. С увеличением содержания Со до 0,9% интервал кристаллизации сужается в 1,5-2 раза, что благоприятно сказывается не только на повышении стойкости к образованию горячих трещин, но и на измельчении первичной структуры. При этом уменьшается скачок кристаллизации, что оказывает влияние на уменьшение длины первичных дендритов, и соответственно кристаллитов. Уменьшение интервала кристаллизации, а также снижение температуры ликвидус приводит к тому , что по линии сплавления отсутствуют оплавленные зерна, что повышает технологическую прочность [5].

1450-

0,5 1 1,5 2

Содержание Со, %

Рис. 6. Зависимость величины интервала кристаллизации от содержания Со в присадке:

о,^ - температуры ликвидус и солидус соответственно

На основании полученных результатов по влиянию основных легирующих элементов на технологическую прочность и механические свойства разработан состав присадочного металла для аргоно-дуговой сварки высокопрочных легированных сталей, обеспечивающий прочность металла шва авшва^1800 МПа при КСИ=55-60 Дж/см . Кроме того, сварные соединения, выполненные с этой присадкой, имеют высокие значения усталостной прочности: при напряжении 800 МПа (при ^=0,1; ^=5 Гц) количество циклов до разрушения составляет 100x10 [6, 7].

Изломы сварных соединений вязкие, мелкоямочные (рис. 7) [8].

ЛИТЕРАТУРА

1. Беляев Л.Н., Петраков А.Ф., Покровская Н.Г., Шалькевич А.Б. Новые высокопрочные стали //МиТОМ, 1997, № 8, с. 12-14.

2. Высокопрочная конструкционная сталь. Пат. 2155820 (РФ) //МКИ с22с38/52.

3. Покровская Н.Г., Лазько В.Е., Сачков В.В., Остроухова Н.И., Ковальчук В.Г. Влияние никеля на формирование структуры сварных швов конструкционной стали //Сварочное производство, 1978, № 6, с. 8-10.

4. Прохоров Н.Н. Горячие трещины при сварке. - М.: Машгиз, 1962, 183 с.

5. Голиков И.Н., Масленков С.Б. Дендритная ликвация в сталях и сплавах. - М.: Металлургия, 1977, 222 с.

6. Старова Л.Л., Лукин В.И., Лазько В.Е. Разработка сварочной проволоки для сварки высокопрочной стали со смешанным карбидно-интерметаллидным упрочнением //Сварочное производство, 2001, № 6, с. 25-27.

7. Лазько В.Е., Старова Л.Л., Ковальчук В.Г. и др. Сварочные проволоки для высокопрочных сталей //Сварочное производство, 1993, № 10, с. 15-17.

8. Грабина В.Ф., Денисенко А.В. Металловедение сварки низко- и среднелегирован-ных сталей. - Киев: Наукова думка, 1978, 272 с.