Сварка специальных сталей и сплавов

Белорусский национальный технический университет

Механико-технологический факультет

Кафедра «Порошковая металлургия, сварка и технология материалов»

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по курсу:

СВАРКА СПЕЦИАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Разработал: доцент кафедры ПМ,С и ТМ к.т.н., доцент, А.С. Снарский

МИНСК, 2014

Содержание

СОДЕРЖАНИЕ 2

1. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ 4

1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ. 4

1.2. ВЛИЯНИЕ НЕКОТОРЫХ ЭЛЕМЕНТОВ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ И СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ 6

1.3. СВАРИВАЕМОСТЬ И ВЛИЯНИЕ НА НЕЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ. 9

2. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. 10

2.1. ЛЕГИРОВАНИЕ МЕТАЛЛА ШВА ПРИ СВАРКЕ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. ОСОБЕННОСТИ. 10

2.2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТАЛЛУРГИИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 11

2.3. НЕКОТОРЫЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ГАЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ (СВАРКА В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ). 11

2.4 МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ ПОД ФЛЮСОМ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 12

2.5. МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ПОКРЫТЫМИ ЭЛЕКТРОДАМИ 13

3. ГОРЯЧИЕ ТРЕЩИНЫ СВАРНЫХ ШВОВ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И МЕРЫ ИХ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ. 15

3.1. ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ СКЛОННОСТЬ МЕТАЛЛА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СВАРНЫХ ШВОВ К ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН. 15

3.2. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ШВОВ НА ИХ СТОЙКОСТЬ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН 15

3.3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ МЕРЫ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ АУСТЕНИТНЫХ ШВОВ ПРОТИВ ОБРАЗОВАНИЯ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН 17

4. ХОЛОДНЫЕ ТРЕЩИНЫ В СВАРНЫХ ШВАХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ, ПРИЧИНЫ ИХ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И МЕРЫ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ 20

5. ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ СПЕЦИАЛЬНЫХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. 22

5.1. СВАРКА ЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. 22

5.1.1. ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАКАЛИВАЮЩИХСЯ СТАЛЕЙ 22

5.1.2. СВАРКА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ С 13 % ХРОМА 22

5.2. СВАРКА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ. 24

5.3. СВАРКА АУСТЕНИТНЫХ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ. 25

5.3.1. ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ЦИКЛА СВАРКИ НА СВОЙСТВА АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ 25

5.3.2. СВАРКА ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ (на примере сварки сталей 12Х18Н9Т и 08Х18Н10Т). 26

5.4. ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СПЕЦИАЛЬНЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ 27

5.4.1.СВАРНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ СТАЛЕЙ, РАЗНОРОДНЫХ ПО СОСТАВУ И СТРУКТУРНОМУ КЛАССУ 27

5.4.2. ОСОБЕННОСТИ СВАРКИ РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНЫМИ ШВАМИ. 28

6. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИИ СПЕЦИАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ 32

6.1. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ 32

6.2. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ТЕПЛОУСТОЙЧИВЫХ СТАЛЕЙ 35

6.3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ. 36

1. Структура и свойства высоколегированных специальных сталей

1.1. Классификация и характеристика высоколегированных специальных сталей и сплавов.

К специальным относятся, в первую очередь, высоколегированные стали, обладающие рядом специфических свойств: высокой жаростойкостью жаропрочностью, коррозионной стойкостью, хладостойкостью т.п. К высоколегированным сталям относят сплавы, содержащие более 45% железа, суммар­ное количество легирующих элементов в которых составляет не менее 10% при содержании одного из элементов не менее 8%. Если суммарное содержание легирующих элементов в материале более 50% - материал называется уже не сталь, а сплав.

КЛАССИФИКАЦИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СВОЙСТВ И НАЗНАЧЕНИЯ. В зависимости от основных свойств и назначения высоколегированные стали подразделяют на следующие группы:

1. коррозионно-стойкие, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (влаж­ной атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.), в том числе против межкристаллитной коррозии под напряжением, питтинговой (точечной) коррозии и др.;

2. жаростойкие (окалиностойкие), обладающие стойкостью против химического разрушения(коррозии) их поверхности в газовых средах (в том числе в сухой воздушной атмосфере) при температу­рах выше 550° С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;

3. жаропрочные, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного гарантированного времени и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.

Все эти стали, как правило, коррозионностойки в атмосферных условиях, поэтому их часто на­зывают общим названием — нержавеющие.

4. Самостоятельную группу, хотя и не предусмотренную стандартом, составляютхладостойкие высоколегированные стали и сплавы, сохраняющие на протяжении ограниченно или неограниченно длительного времени под напряжением достаточную пластичность и вязкость при температурах вплоть до - 269° С.

ПРИМЕРЫ.

Группу собственно нержавеющих в атмосферных условиях составляют стали, содержащие свыше 10% хрома. К коррозионностойким в различных агрессивных средах относятся стали, содержащие 15% и более хрома.

Жаростойкими до температуры 900° С являются нержавеющие стали марок 12X17, 08X17Т, 15Х18СЮ; до температуры 1100° С — 15Х25Т, 15X28, 20Х25Н20С2 и другие; до температуры 1300° С — 15Х25Ю5 и др.

Жаропрочными при температурах до +565 …+ 610° С являются стали с содержанием 11—12,5% хрома, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием; при температурах до 650° С — хромоникелевые стали типа 18-9 и 18-10, стабилизированные титаном; до 800° С — хромоникельмолибденовые аустенитные стали, сталь 15Х14Н14В2М и др.

Весьма перспективными коррозионностойким и хладостойкими являются стали с низким со­держанием углерода и дополнительно легированные азотом (08Х21Н5АГ7 и др.). Последний целесооб­разно использовать как для частичной замены никеля, так и для повышения прочностных характери­стик стали. Как будет показано дальше, перспективность таких сталей с низким содержанием углерода и наличием азота основана на лучшей свариваемости и более высокой коррозионной стойкости.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТРУКТУРЫ.

В зависимости от структуры, определяемой химическим составом, получаемой при охлаждении на воздухе после высокотемпературного нагрева, высоколегированные стали подразделяют на следую­щие классы:

1. мартенситный — стали с основной структурой мартенсита;

2. мартенситно-ферритный — стали, содержащие в структуре, кроме мартенсита, не менее 5% феррита;

3. ферритный — стали имеющие структуру феррита, не претерпевающие превращений;

4. аустенитно-мартенситный — стали, имеющие смешанную структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменять в широких пределах;

5. аустенитно-ферритный (или ферритно-аустенитный) — стали, имеющие смешанную структуру аустенита и феррита, количество последнего в которых составляет более 10%;

6. аустенитный — стали, имеющие преимущественно однофазную аустенитную структуру.

Отметим, что большинство выпускаемых отечественных аустенитно-ферритных сталей, кроме марки 08Х23Н1З и опытной перспективной 06Х21АН5 (и ей подобных), содержат 40% и более ферри­та, поэтому их правильнее называть ферритно-аустенитными в отличие от аустенитно-ферритных ста­лей зарубежных марок и сварных швов, содержащих от 3 до 20% феррита.

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ.

По составу различают стали:

1. хромистые,

2. хромоникелевые,

3. хромомарганцевые,

4. хромоникельмарганцевые,

5. перечисленные стали, дополнительно легированные азотом (сталь 08Х21Н5АГ7и т.п.), а также с добавками специальных легирующих элементов (молибдена, вольфрама и др.)и карбидообразующих (титана, ниобия, тантала), играющих роль стабилизаторов структуры и свойств(сталь 08Х18Н11М3Б, сталь 10Х17Н13М2Т и т.п.).

Основные виды сталей по данной классификации приведены в таблице 1 с учетом условных обозначений легирующих элементов в марках сталей и сплавов (см табл. 2).

Таблица 1. ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ СТАЛЕЙ НА ТИПЫ, КЛАССЫ

Тип, класс стали	Марка стали
Углеродистый	Ст.3, 10. 20, 15К, 16К,18К, 20К, 22К, 20ЮЧ
Низколегированный марганцовистый, марганцово-кремнистый	16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, 10Г2СФ, 09Г2. 10Г2С1, 10Г2, 10Г2С1Д, 09Г2СЮЧ, 16ГМЮЧ, 09Г2СФБ
Мартенситный*	15X5, 15Х5М, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ,20Х13,Х9М, 12X13
Ферритный	08X13, 08Х17Т, 15Х25Т
Аустенитно-ферритный	08Х22Н6Т, 12X21Н5Т, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ
Аустенитный	10Х14Г14Н4Т, 08Х18Н10Т, 08X18H12Б, 10XI7H13M2T, 08Х17Н15МЗТ,03Х17Н14М3, 12Х18Н12Т, 02Х18Н11, 02Х8Н22С6, 0ЗХ19АГЗН10Т, 07ХГ3АГ20, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 03X21Н21М4ГБ
Сплавы на железо-никелевой и никелевой основе	06Х28МДТ, 0ЗХ28МДТ, ХН32Т
Низколегированный хромомолибденовый хромомолибденованадиевый	12МХ, 12ХМ, 15ЧМ, 10Х2М1, 10Х2Г3М. 12Х1МФ, 10Х2М1ФБ, 15Х2МФА, 18Х2МФА, 25Х2МФА, 25Х3МФА

* Стали указанного типа и класса склонны к подкалке.

Таблица 2. Условные обозначения основных легирующих элементов в марках легированных сталей

Элемент	Обозначение
Марганец	Г
Кремний	С
Хром	X
Никель	Н
Молибден	М
Вольфрам	В
Ванадий	Ф
Алюминий	Ю
Титан	Т
Бор	Р
Медь	Д
Ниобий	Б