CC BY
84
УДК 621.791.927.5
Кабацкий В. И., Кабацкий А. В., Карпенко В. М.
ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ ИА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СВАРНЫХ ШВОВ
При производстве сварных конструкций из высокопрочных закаливающихся сталей правильный выбор металла шва может явиться одним из определяющих факторов получения бездефектных сварных соединений с заданным комплексом свойств. Важность этого в значительной степени обусловливается опасностью появления холодных трещин с повышением прочности металла шва, что вызывает необходимость применения специальных технологических мер борьбы с трещинами.
В литературе имеются многочисленные сведения о влиянии легирования на структуру и свойства низколегированных швов [1-9]. В то же время весьма ограничены и противоречивы данные о влиянии комплексного легирования и отдельных элементов на стойкость против образования холодных трещин при повышения прочности металла шва Такие данные необходимы при разработке сварочных электродных материалов.
Цель настоящих исследований - обеспечение за счет комплексного легирования оптимального сочетания структуры и свойств высокопрочного сварного шва
Исследовались сварные швы, выполненные на стали 25ГСМ покрытыми электродами с покрытием основного вида
Определение механических свойств наплавленного металла осуществлялось при сварке образцов толщиной 15 мм с У-образной разделкой кромок. Пластины сваривались ручной дуговой сваркой электродами диаметром 4 мм в один проход на режиме: 1св. - 160... 180 А, Щ. =22...24 В.
Оценку сопротивляемости сварных соединений образованию холодных трещин производили с помощью технологической пробы Теккен. В ходе испытаний с целью более полной оценки вариантов фиксировалось время от момента окончания сварки до выхода трещины на поверхность металла Пробы собирались из пластин размерами 200x150x15 мм с постоянным зазором 2 мм на участке контрольного шва Контрольный шов выполнялся испытываемыми электродами диаметром 4мм на указанном выше режиме. При отсутствии визуально наблюдаемой трещины после выдержка пробы в течении 48 часов из контрольного шва вырезались тем-плеты и изготавливались макрошлифы. Окончательное заключение делалось в таком случае после исследования макропшифов.
В нашей работе представлены исследования низколегированных швов типа ХГНМГФ. При выборе легирующей основы исследуемых швов исходили из предположения о возможности достижения оптимального сочетания упрочнения за счет легирования а-твердого раствора и получения дисперсных равномерно распределенных фаз выделения.
Настоящим исследованиям предшествовали многочисленные предварительные эксперименты по выбору перспективной легирующей основы сварных швов. Легирующие элементы вводились но расчету через электродный стержень с учетом коэффициентов перехода при типовых технологических режимах сварки. Состав наплавленного металла контролировался химическим и спектральным анализом.
С учетом предварительных экспериментов содержание вводимых в электроды легирующих элементов изменялось в следующих пределах: 0,05...0,15 % С, 0,5...2,0 % Мп, 0 2,0 % Сг, 0,5.. 3,0 %№, 0,2...0,8%Мо, 0...03 %Т1,0...0,3 %У.
В табл. 1 представлен рад вариантов составов стержней опытных электродов, в табл. 2 -механические характеристики и данные по стойкости против трещин металла швов, выполненных указанными электродами.
Таблица 1 - Составы опытных электродов_^__
№ Расчетный состав элеэтродвдй п роволоки, %
п/п С Мп Si Cf Ni Mo Ti V
1 0,08 2,0 , 0,5 1,5 0.5 0,3 0,1 \ -
2 0,08 1,2 0,5 2,0 0,8 0,6 0,1 -
3 0,08 1,5 0,5 - 1,5 0,6 0,1 -
4 0,08 1,5 0,5 0,5 2,0 0,6 -
5 0,08 1,8 0,5 - 2,0 0,8 0,1 -
6 0,10 1,0 0,5 0,5 1,5 0,6 0,3 -
7 0,10 1,5 0,5 4 0,3 0,5 0,6 1,0 0,05
8 0,10 1,5 0,5 0,2 1,0 0,3 0,15 '' 0,1
9 0,10 1,5 0,5 - 1,5 0,3 ■ - 0,15
10 0,10 1,5 0,5 0,2 1,5 0,3 0,15 0,05
11 0,10 1,5 0,5 0,2 1,5 0,5 0,15 0,05
12 0,10 1,5 0,5 , 0,2 1,5 0,5 - 0,05
13 0,10 1,5 0,5 . 0,3 1,5 0,6 0,05 0,1
14 0,10 1,0 0,5 - ■ • 1,3 0,5 0,1 0,1
15 0,10 1,0 0,5 - 1,3 0,6 0,1 0,15
16 0,10 1,5 0,5 0,2 1,5 0,6 0,1 0,05
17 0,10 1,5 0,5 0,2 1,5 0,5 0,2 0,05
18 0,10 1,5 0,5 0,2 1,5 0,5 0,3 0,05
19 . <U0 1,5 0,5 0,2 1,5 0,5 0,3 0,15
20 0,10 1,5 0,5 0,2 1,5 0,5 0,1 0,15
21 0,10 1,5 0,5 0,2 ; 1,5 0,8 0,15 0,05
22 0,10 У 0,5 , .?<6...... Л1,,, 0,05
Анализ полученных данных позволяет заключить, что за счет усложнения легирования швов типа ГС и Г2С хромом, никелем и молибденом можно заметно увеличить прочность металла шва. Так введение хрома до 1Д_2,0 % приводит к повышению прочности до КМЮМ11а. Меньший эффект наблюдается при легировании швов никелем, молибденом и титаном. При содержании в электродах до 1,5-2,0 %'Nî, 0,5-0$ % Mo и 0,1-0,3 % Il прочность металла шва достигает 800-9001МПа. При этом для стабилизации прочностных характеристик металла электрода. i должнь i содержать до 0,5% Сг.
Стабильный эффект упрочнения достигается и за счет создания дисперсных фаз выделения при совместном легировании титаном и ванадием. Введение в электроды до 0,15 % V позволяет получить предел прочности металла шва не менее 800МПа. При этом введение совместно с ванадием такого термодинамически активного элемента как титан, заметно влияющего на кинетику вьвделения фаз на основе ванадия, существенно стабилизирует упрочняющий эффект.
Рассматриваемое легирование позволяет получить хорошее сочетание прочности и пластичности металла шва. В то же время оценка стойкости швов против холодных трещин показывает, что с повышением прочности металла шва стойкость его против трещин заметно снижается. Так при прочности металла более 600-700МПа в случае легирования элементами, по-
Таблица 2 - Характеристика металла швов
№№ пп Механические свойства металла, шва Наличие трещин в пробе Теккен ВреЬаядо появления трещины в пробе
«0.2. МПа о» МПа % ч». % КСИ, Дж/см^, при
+20^С -40^С визуально по макрошлифам
1 862 1109 11.6 51.0 67 55 есть - 15 мин
2 908 1064 11.0 55.6 62 47 есть - 10-мин
3 507 707 20,0 55.6 80 72 есть 1.5 ч
4 654 777 13.3 46,2 52 42 есть - 40 мж
5 721 862 21,0 59,9 72 45 есть - 25 мки
6 707 835 16,6 55,6 85 70 есть - 30 ММ4
7 735 869 18.8 55.6 87 71 есть - 2ч
8 623 755 20,7 55,6 75 62 есть - ■ыш 5 ч
9 583 742 20.4 55.6 85 65 есть - 5ч
10 662 870 18.3 55.6 87 64 есть -
11 тзе 876 18,6 55,6 90 85 есть . ■ .^Лопеедч
12 611 806 18,3 51.1 85 70 нет -
13 685 855 18.0 55.6 85 77 нет нет -
14 554 776 20,3 57,8 82 62 нет нет -
15 610 794 19.3 55,6 92 52 нет нет -
16 685 869 18,6 55,6 92 75 нет есть* -
17 791 904 16,6 48,3 72 52 есть ■ - 2ч
18 756 920 16.4 48,6 82 71 есть - 40 мин
19 748 938 16.0 46,2 60 52 есть 15 мт
20 778 898 17.3 51.1 82 65 есть более 8 ч
21 770 894 16,6 51,0 72 52 есть 6ч
22 736 893 17,3 -вЦ . 72 57 есть - 30 мж
Примечание: ^-трещина на макрошлифе от корня шва на 1/6высоты шва.
вышаютцими степень устойчивости аустенита, удовлетворительной стойкости металла шва против холодных трещин достичь практически не удается.
Наиболее существенно снижает стойкость против трещин хром. При необходимости введения в электродные материалы его содержание должно, вероятно, сводиться к минимуму, достаточному для обеспечения стабильной прочности шва. По этим же соображениям необходимо, видимо, ограничивать в высокопрочных низколегированных швах содержание никеля до 1.3-2,0% и молибдена до 0,7-0$%
Анализ результатов испь палия опытных электродов показал, что для создания высокопрочного низколегированного металла шва, обладающего удовлетворительной стойкостью против образования холодных трещин, предпочтительно модифицирование шва типа 10ХГНМТ малыми количествами ванадия. При оптимальном содержании ванадия в электродной проволоке (0,05-0,15%) появления трещин в швах можно избежать.
В сочетании с оптимальным легированием ванадием никель до концентрации 1,3 - 1,5 % обеспечивает сохранение достаточно высокой стойкости против трещин. Дальнейшее увеличение содержания никеля приводит к заметному ее снижению. В то же время при малом содержании марганца (не более 0,5 - 0,6 %) высокий уровень стойкости против трещин может быть получен 2$ - 3,0 % никеля в электродах. Зависимость стойкости металла шва против трещин от содержания молибдена носит эксгремальнь ш характер. Оптимальная концентрация молибдена в электродах составляет 0,5 - 0,6 %
При оптимальном соотношении легирующих элементов допустимо введение в электроды до 0,3 - 0,4 % хрома для стабилизации прочности металла шва. Концентрация титана в электродах также должна обязательно ограничиваться 0,15 - 0,20 % Избьпок титана приводит к существенному падению стойкости против образования трещин, что может быть связано с развитием трудноконтролируемого процесса образования пограничных сегрегаций нитрвдных и карбонигрвдных фаз, содержащих тиган и ванадий [10],
Металлографические исследования, микроструктурь I металла шва показали, что швы, обладающие оптимальным сочетанием механических характеристик и высокой стойкостью против трещин, имеют мелкоячеистую дезориентированную первичную структуру, являющуюся следствием оптимального легирования и модифицирования шва. При этом создаются условия для относительно равномерного распределения мелкодисперсных фаз выделения и неметаллических включений, которые могут служить центрами активного внутризеренного зарождения структурных составляющих, Вторичная структура таких швов представляет собой дисперсную смесь, состоящую, по-вцднмому, из нижнего бейнита и игольчатого феррита.
а) б)
Рис 1 - Микроструктура металла шва типа ХГНМТФ с оптимальным сочетанием механических характеристик и высокой стойкостью против холодных трещин: а) первичная структура, х 50; б) вторичная структура, х 1500.
Уменьшение легирования ниже оптимального ведет к некоторому огрублению первичной микроструктуры. Во вторичной структуре швов при этом наблюдаются более или менее заметные выделения доэвтекшидного феррита по границам кристаллитов. Такая структура может обеспечить довольно высокие пластичность и стойкость против трещин металла шва, в то же время прочность его не превышает 700-750МПа.
а) б)
Рис. 2 - Микроструктура швов типа ХГНМТФ с содержанием легирующих элементов ниже оптимального уровня: а) первичная структура, х 1500; б) вторичная структура, х 500.
При превышении оптимального содержания легирующих и модифицирующих элементов наблюдается грубоячеистая транскристаллитная структура с выраженным участком слабины в центре шва При этом в швах наблюдаются комплексные сложного состава включения: карбонитриды, оксикарбонитриды, окси- и карбосульфиды, сложные шпинели, силикатные стекла и т.п. Вторичная структура этих швов представляет, как правило, грубую смесь струкгр-ных составляющих, где наблюдаются выделения напряженной реечной структуры верхнего бейнита, отличающейся пониженной стойкостью против хрупкого разрушения.
а) б)
Рис. 3 - Микроструктура металла шва типа ХГНМТФ с повышенным содержанием легирующих и модифицирующих элементов: а) первичная структура, х 50; б) вторичная структура, х 1500.
Таким образом, проведенные исследования показывают, что сочетание оптимального легирования и модифицирования швов типа 1ОХГНМТФ позволяет обеспечить достаточно высолю стойкость металла шва против образования холодных трещин при повышенной его прочности.
Вместе с тем необходимо отметить, что в табл. 2 приведены лучшие из результатов, полученных при сварке по каждому варианту электродов. В действительности и в случае оптимального легирования существует проблема стабилизации результатов. Объясняется это, вероятно, тем, что стабильность эффекта модифицирования наряду с выбором оптимального легирования зависит также от условий сварки.
Полученные данные могут быть использованы при разработке электродных материалов для сварки высокопрочных закаливающихся сталей с целью повышения качества и надежности сварных конструкций.
Перечень ссылок
1. Грабин В. Ф., Денисенко А. В. Металловедение сварки низко- и среднелегированных сталей. - Киев: Наукова думка, 1978. - 270 с.
2. Макара А. М., Грабин В. Ф., Денисенко А. В. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства низколегированных швов./ Автоматическая сварка -1968. - № 6. - С. 7 -11.
3. Влияние никеля на структуру и механические свойства шва, выполненного электродами с основным покрытием. ! И. К. Походня, В. Д. Макаренко, А. О. Корсун и др. // Автоматическая сварка -1986. - № 2. - С. 1 - 5.
4. Походня И. К.,. Корсун А. О, Мешков Ю. Я. Влияние титана, введенного в покрытие электродов УОНИ 13/55 на микроструктуру и механические свойства металла шва // Автомат, сварка-1986.-№12.-С. 1-7.
5. Б.С. Касаткин, О. Н. Козловец Микроструктура и свойства сварных соединений низколегированных сталей//Автомат, сварка -1989. - № 7. - С. 1 -11.
6. Морфологические особенности структуры низколегированного металла шва и их влияние на свойства сварных соединений / А. В. Денисенко, В. Ф. Грабин, А. О. Корсун и др. // Автомат, сварка -1990. - № 10. - С. 32 - 37.
7. Подгаецкий В. В. О влиянии химического состава металла шва на его структуру и механические свойства// Автоматическая сварка -1991. - № 2. - С. 1 - 9.
8. R.K Dolby The influence of the vanadium on the microstructure and toughness of ferritic weld metal - a review//Metal construction. -1982,- № 3. - P.148 -158.
9. Подгаецкий. В. В., Парфессо Г. И. К вопросу о зарождении игольчатого феррита в сварных швах// Автомат, сварка -1991. - № 10. - С. 10-12.
10. Бабаскин Ю. 3. Структура и свойства литой стали. - Киев: Техника, 1981. - 240 с.
