Химическая коррозия – 2 часа

Лекция № 1

Вводная – 2 часа

1. Цели и задачи изучения курса

2. Определение специальной стали и сплава.

3. Классификация сталей и сплавов.

1. Цели и задачи изучения курса

Дисциплина “Сварка специальных сталей и сплавов” имеет целью получения знаний и практических навыков по технологической подготовке производства при сварке специальных сталей и сплавов в организационно-технологической, проектно-конструкторской, и экспериментально-исследовательской деятельности инженера по специальности 120500 – “Оборудование и технология сварочного производства”.

Инженер должен:

- понимать особенности процесса формирования качественного сварного соединения при сварке специальных сталей и сплавов;

- иметь представление об общих тенденциях при разработке специальных сталей и сплавов технологий их сварки;

ЗНАТЬ:

- закономерности взаимосвязи эксплуатационных характеристик свариваемых материалов с их составом, состоянием, технологическими режимами и условиями эксплуатации;

УМЕТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ:

- специальную литературу и другие информационные данные для разработки технологических процессов сварки специальных сталей и сплавов;

- знание закономерностей формирования сварного соединения при сварке специальных сталей и сплавов для обеспечения производства сварных изделий с заданными свойствами;

- методы предупреждения дефектов сварных соединений при разработке технологии сварки специальных сталей и сплавов.

ИМЕТЬ ОПЫТ:

- работы с технологической документацией, технической литературой, научно-техническими отчетами, справочниками и другими информационными источниками;

- проектирования технологических процессов сварки специальных сталей и сплавов.

2. Определение специальной стали и сплава

По сложившейся в 60-е годы терминологии специальной сталью называли любую легированную сталь. В настоящее время в ГОСТах определение специальной стали или специального сплава отсутствует, и под специальной сталью и специальными сплавами обычно понимают стали и сплавы, используемые для изготовления сварных конструкций специального назначения. Например, материалы, работающих в коррозионной среде, при повышенных температурах и т. д. Объем применения таких материалов при изготовлении сварных конструкций значительно меньше, чем соответствующий показатель для углеродистых и низколегированных сталей. Исходя из данной точки зрения специальной сталью или специальным сплавом можно назвать стали и сплавы которые используются в машиностроении сравнительно редко по отношению к другим материалам или используются в сварных конструкциях специального назначения.

3. Классификация сталей и сплавов

Сталями называют сплавы железа и углерода, при содержании углерода от 0,02% до 2,14%.

Армко - железо (электротехническая сталь, технически чистое железо) содержит менее 0,02% углерода.

Стали классифицируются по нескольким признакам:

- по химическому составу;

- по качеству;

- по структуре;

- по применению.

По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. По концентрации углерода конструкционные стали, применяемые в сварных конструкциях (как углеродистые, так и легированные)) подразделяют на низкоуглеродистые (< 0,25% С), среднеуглеродистые (0,26 – 0,45 % С) и высокоуглеродистые (0,46 – 0,7 %С ).

В углеродистых и легированных сталях содержатся различные примеси. Различают примеси постоянные, скрытые и случайные.

1. Постоянные или обыкновенные примеси. К этой группе относятся марганец, кремний, алюминий и титан, которые применяются при производстве стали в качестве раскислителей; к постоянным примесям следует отнести серу и фосфор, потому что полностью освободиться от них при массовом производстве стали невозможно. Содержание этих элементов находится в спокойной стали обычно в пределах: 0,3...0,7 % Мп; 0,2...0,4 % Si; 0,01...0,02 % А1; 0,01...0,05 % Р и 0,01...0,04 % S; 0,01...0,02 % Ti.

2. Скрытые примеси. Это кислород, водород и азот, присутствующие в любой стали в очень малых количествах. Методы их химического определения сложны, поэтому содержание этих элементов в обычных технических условиях не указывается.

3. Случайные примеси. К этой группе относятся примеси, попадающие в сталь из шихтовых материалов или вследствие каких-либо случайных причин. Случайными примесями могут быть медь, мышьяк, олово, цинк, сурьма, свинец и т.д., попадающие в сталь из руд или скрапа (лома).

Стали, выплавленные на, так называемой, первородной шихте, без использования скрапа — основного источника загрязнения, не содержат случайных примесей. Они также очень чистые По степени раскисленности стали подразделяют на кипящие (раскисленные только Mn и практически не содержащие кремния, < 0,05 % Si), полуспокойные (раскисленные Mn и Al; содержание кремния - 0,05 – 0,1 % Si) и спокойные (полностью раскисленные с помощью Mn, Al, Si; содержание кремния - 0,14 – 0,3 % Si).

Низколегированная сталь - сталь легируемая одним или несколькими элементами, если содержание каждого из них не превышает 2%, а суммарное содержание 5%. В низколегированных сталях выделяют подкласс микролегированных ( с содержанием каждого из легирующих элементов порядка 0,1 % или менее 0,1 %, например 14Г2АФ, 09Г2ФБ, 10Г2ФР, 12ГН2МФАЮ и др.).

Среднелегированная сталь - сталь легированная одним или несколькими элементами, если содержание каждого из элементов от 2 до 5 %, а суммарное содержание не превышает 10 %.

Высоколегированная сталь - сталь содержащая не менее 5 % одного из легирующих элементов, и не менее 10 % суммы легирующих элементов.

По существующей в машиностроении системе обозначений сталями называют как правило сплавы с содержанием железа не менее 50 %.

По ГОСТ 5632-70: никелевый сплав - это сплав с содержанием никеля не менее 55 % (H70MФ, XH60Ю, XH56BMTЮ). Железоникелевые сплавы - это сплавы, содержащие сумму железа и никеля более 65 % и отношение Ni / Fe = 1/1,5 (06XH28MT, XN38BT).

По качеству стали делят:

- обыкновенного качества;

- качественные;

- высококачественные;

- особо высококачественные

(все легированные не хуже, чем качественные).

По структуре различают стали в состоянии поставки. При этом стали поставляются после отжига или после нормализации.

1 После отжига стали делят на 4 класса:

1.1. Доэвтектоидные, имеющие избыточный феррит.

1.2. Эвтектоидные, перлитные.

1.3. Аустенитные.

1.4. Ферритные.

Углеродистые стали – классы 1.1 и 1.2. Легированные – все классы.

2. После нормализации выделяют основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.

В сталях, используемых в сварных конструкциях, как правило, выделяют не только основные, но и промежуточные классы. Соответственно различают стали: перлитные (10ХСНД), жаропрочные перлитные (15ХМ), бейнитно-мартенситные (14Х2ГМРБ), мартенситно-бейнитные (40ХГСН3МА), мартенситные (15Х11МФ), мартенситно-ферритные (12Х13), ферритные (08Х17Т), аустенитные жаропрочные (08Х16Н9М2), аустенитные коррозионностойкие (12Х18Н10Т), аустенитно-ферритные нержавеющие (08Х22Н6Т), аустенитно-мартенситные (09Х15Н8Ю) и мартенситно-стареющие (03Х11Н9М2Т).

По применению различают стали:

- конструкционные (20, 30ХГСА, В ст.3 пс и т.д.);

- инструментальные (У8, Р6М5, XBГ, X т.д.);

- стали и сплавы с особыми свойствами (коррозионностойкие, жаропрочные, жаростойкие, теплоустойчивые, пружинные и пр.)

Лекция № 2

Лекция № 3

Лекция № 4

Лекция №5

Лекция № 6

Лекция № 7

Лекция № 8

Лекция № 9

Сварка низколегированных бейнитно-мартенситных сталей

и микролегированных сталей - 2 часа

1 Область применения низколегированных бейнитно-мартенситных сталей и микролегированных сталей.

2. Особенности сварки.

3. Технология сварки.

1 Область применения низколегированных бейнитно-мартенситных сталей и микролегированных сталей

Низколегированные бейнитно-мартенситные стали предназначены для изготовления сварных конструкций широкого назначения, обеспечивая требования высокой сопротивляемости хрупкому разрушению, хорошей пластичности при удовлетворительной свариваемости (13ХГМРБ, 14Х2ГМ, 12ХГН2МФБДАЮ и т. д.) и s₀₂ = 580-780 МПа. Это обеспечивается в основном термообработкой: закалка или нормализация (мартенситное или бейнитное превращение)+ высокий отпуск.

Микролегированные стали применяются для изготовления конструкций ответственного назначения – сосуды высокого давления, танкеры, ледоколы, суда, береговые и морские нефтегазовые сооружения (14Г2АФ, 09Г2ФБ, 12ГН2МФАЮ и др.). Содержание микролегирующих элементов (Al, Cr, Zr, V, Ti, Nb, Mo, B, N, редкоземельные элементы: Ce - церий, La - лантан, Y - иттрий) в стали порядка десятых или сотых долей процента. Микролегирующие элементы образуют дисперсные включения вторых фаз или входят в состав матрицы. Стали поступают на сварку после ВТМО (в состоянии поставки или после штамповки), или после термообработки из межкритического интервала температур (формируется ферритно-мартенситная структура ® двухфазные ферритно-мартенситные стали).

2. Особенности сварки

Низколегированные бейнитно-мартенситные стали. В зависимости от величины показателя w_6/5 протекает мартенситное или бейнитное превращения аустенита. При замедленных скоростях охлаждения (w_6/5 ~ 0,8 ^оС/с) температура бейнитного превращения увеличивается (размеры ферритных игл растут). Величина w_6/5 влияет также на значение временных напряжений (особенно в области g ® a превращения):

Изменение временных напряжений при охлаждении образцов из стали 14ГН2МДАФБ в жестком приспособлении при w_6/5 = 75 ^оС/с

Остаточные напряжения с увеличением w_6/5 уменьшаются, например, 14ГН2МДАФБ, w_6/5 . ® (0,6 – 50)^оС/с, s_ост. ® (240 – 150) МПа.

Горячие трещины при соблюдении режимов сварки и рекомендуемых присадочных материалов маловероятны.

Холодные трещины в ЗТВ (закаленная структура + Н₂ + сварочные напряжения). Многослойные швы – поперечные трещины и продольные в корневом слое. Кроме того в стыковых и угловых соединениях ламелярные трещины. Меры борьбы: снижение концентрации диффузионного водорода; ограничение допустимых скоростей охлаждения (w_6/5 от 13 до 4^оС/с); предварительный подогрев при d > 20 мм 80-100^оС и при d > 40 мм 100-150^оС. Эффективен также послесварочный подогрев 150-200^оС без расхолаживания изделия после сварки ниже 150^оС (обе кромки на 100 мм от стыка, время подогрева – 1-2 мин на 1 мм толщины металла); использование технологии сварки с “мягкими” прослойками, т. е. сварка первых слоев многослойного шва менее прочным и более пластичным металлом, чем последующих.

Микролегированные стали обладают (при C £ 0,1%) удовлетворительной свариваемостью и требуют строгого дозирования погонной энергии (обычно менее 50 кДж/см). При наличии сульфидных включений – слоистые (ламелярные) трещины. В корневых слоях возможны ХТ.

3. Технология сварки

Низколегированные бейнитно-мартенситные стали необходимо сваривать строго соблюдая рекомендуемые значения предварительного подогрева и погонной энергии (например стыковое соединение из 14Х2ГМР без скоса кромок, d = 20 мм, t = 50^оС, q / v £ 35 кДж/см). Сварка ЭШС, а также:

– РДС, АНП-2, АНП-6П (Э-70), = ток, обратная полярность;

– сварка под флюсом, Св-08ХН2ГМЮ, Св-08ХН2Г2СМЮ + АН-17М, АН-43, = ток, обратная или прямая полярность;

– сварка в СО₂, Св-08Г2С, Св- 10Г2СМА, Св-08ХН2Г2СМЮ или ПП-АН54, ПП-АН57 (78% Ar + 22% CO₂, 75% Ar + 20% CO₂ + 5% О₂, Св-08ХН2ГМЮ).

Микролегированные стали сваривают ЭШП, а также:

– РДС, целлюлозное покрытие – ВСЦ-4, ВСЦ-4А (Э-50) и основное покрытие – ВСФ-65 (Э-60), ВСФ-75 (Э-70). С целью предотвращения ХТ в корне шва – предварительный подогрев до 100^оС;

– сварка под флюсом, Св-08ХМ, Св-08МХ + АН-348А, АН-348АМ, АН-17 или Св-08ГНМ + АН-60 (для 09Г2ФБ) или Св-10НМА + АН-17 (для 16Г2Ф, 12ГН2МФАЮ).

Лекция № 10

Сварка среднелегированных мартенситно-бейнитных сталей

и мартенситно-стареющих сталей - 2 часа

1. Область применения среднелегированных мартенситно-бейнитных сталей и мартенситно-стареющих сталей.

2. Особенности сварки.

3. Технология сварки.

1. Область применения среднелегированных мартенситно-бейнитных сталей

и мартенситно-стареющих сталей

Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую прочность при достаточной пластичности и вязкости (25ХГСА, 30ХГСА, 30ХГСНА, 24Х2ГСНМА и др.) и применяются при изготовлении ответственных сварных конструкций. В ряде случаев детали из данных сталей сваривают в термически упрочненном состоянии (s_в = 1050-2000 МПа).

Мартенситно-стареющие стали имеют микроструктуру пакетного мартенсита, упрочненного по механизму старения (интерметаллиды: Ni₃Ti, Ni₃Mo и пр.: Ni(Ti, Al)) с s_в = 1500-2800 МПа: 03Х11Н9М2Т, Н18К9М5Т и т. д. Оболочки летательных аппаратов, корпуса двигателей, сосуды высокого давления, криогенные установки.

2. Особенности сварки

Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали склонны к высокотемпературной химической неоднородности (ВХМН) ® подплавление по линии сплавления локальных объемов основного металла, включающих, как правило, легкоплавкие сульфиды и сегрегаты. Процессы при нагреве:

– 1300-1360^оС, подплавление локальных объемов основного металла с легкоплавкими сульфидами и сегрегатами и растекание жидкости;

– 1360-1420^оС, полное оплавление границ зерен и расплавление сегрегаций, расплавленные сульфиды равномерно обволакивают зерна;

данные (1-ая и 2-ая стадии) при Т < T_c;

– 1420-1480^оС, формирование мелких зерен делением крупных на отдельные подплавленные части, новые границы обогащены примесями.

ВХМН ® изменяет кинетику мартенситного превращения в нижнем интервале мартенситной области (количество малопластичного троостита растет), что способно привести к зарождению холодных трещин; ® способствует появлению горячих трещин.

Появление ГТ связано с отставанием пластической деформации от фронта нарастающих временных напряжений, что ведет к слиянию микронесплошностей в области ВХМН; по достижению критической длины данного дефекта образуется надрыв – зародыш ГТ.

ХТ обусловливаются наличием ВХМН вблизи линии сплавления и последующим превращением аустенита в околошовной зоне, наличием значительных остаточных напряжений и перераспределением водорода после сварки. При использовании рафинированного основного металла (S, Н₂ и др. газы, неметаллические включения) стойкость против ХТ растет (на 40-60%). Кроме того, стойкость против ХТ увеличивается ~ на 60% (35Х3Н3М) после предварительной наплавки кромок металлом того же химического состава, что и основной металл (отсутствие ВХМН, благоприятные форма и распределение неметаллических включений на будущей линии сплавления):

.	Кривые замедленного разрушения соединений из стали 35Х3Н3М: 1 –с наплавкой кромок; 2 – без наплавки кромок

При сварке термически упрочненного металла ® разупрочнение в ЗТВ на участке, нагреваемом до 500-770^оС. Протяженность участка разупрочнения регулируется выбором погонной энергии (рост при увеличении погонной энергии).

Мартенситно-стареющие стали имеют лучшую свариваемость, чем другие углеродистые легированные стали, и:

– мало чувствительны к ГТ и ХТ (в шве > 20% остаточного аустенита);

– высокий уровень механических свойств сварного соединения непосредственно после сварки s_в ~ 1000 МПа, высокая ударная вязкость;

– равнопрочность сварного соединения и основного металла после старения (нормализация 1000-1050^оС + старение 300-540^оС, несколько часов), s_в на уровне 1700 МПа, КСU не более 1 МДж/м²;

– сварные швы склонны к пористости (мало раскислителей);

– возможность появления крупнозернистости металла шва особенно при высоком содержании Ni ® дендридный излом (низкая ударная вязкость и усталостная прочность), предотвращение (только для нержавеющих мартенситно-стареющих сталей): 1,5-4% d-феррита препятствует прорастанию дендридов через несколько слоев;

– при многослойной сварке требуется подогрев сваренных слоев для предотвращения из охлаждения ниже температуры g-a превращения;

– необходимо высокое качество зачистки и обезжиривания кромок;

– рекомендуется использование низкой погонной энергии.

3. Технология сварки

Среднелегированные мартенситно-бейнитные стали сваривают РДС, в защитных газах, под флюсом и ЭЛС.

Для уменьшения склонности к образованию трещин (наиболее эффективное мероприятие):

– сваривают с применением концентрированного нагрева при малой погонной энергии; используют рафинированный основной металл;

– применяют аустенитные проволоки (снижение Н₂ на линии сплавления) или ферритные проволоки с пониженной Т_пл;

– осуществляют ослабление воздействия источника нагрева на кромки при одновременном увеличении количества расплавляемого присадочного металла (прямая полярность или дополнительный присадочный материал);

– используют облицовку кромок.

Для увеличения стойкости против развития трещин наиболее часто применяют:

– предварительный или сопутствующий подогрев (150-300^оС);

– термическую обработку после сварки (закалка + отпуск).

РДС. Э85 (НИАТ-3М), Э100 (ВИ10-6), аустенитные электроды.

АДС неплавящимся электродом. Торированный (ВТ-15) или итрированный (СВИ-1) вольфрам. Активирующие флюсы (ФС-17: SiO₂, NaF, TiO₂, Ti, Cr₂O₃ ® проплавляющая способность дуги в 1,5-2 раза выше) – порошок, пишущий карандаш, спиртовой раствор. Первый проход без присадки с полным проваром и формированием корня шва, далее ® поперечные колебания электрода с присадкой (например, 30ХГСА, Св-18ХМА, Св-18ХГС; 23Х2НВФА, Св-18ХМА или Св-08Х21Н10Г6) или без. Не позже 30 мин после сварки (если шов ферритный) – высокий отпуск 600-650^оС, 2 часа.

Сварка в СО ₂. Св-08Х20Н9Г7Т (ответственные соединения).

Сварка под флюсом. Например, 30ХГСА, АН-15 + Св-10Х16Н25АМ6, предпочтительно применение сварки с подогретой присадкой.

Мартенситно-стареющие стали сваривают всеми видами сварки. Наиболее часто используют ЭЛС, РДС и АДС неплавящимся электродом.

АДС неплавящимся электродом. Присадочная проволока близкого состава. Разновидности:

– (тонколистовой металл) с поперечными колебаниями (сканирующей дугой) и импульсно-дуговая сварка;

– (толстолистовой металл) в щелевую разделку, в том числе вращающимся неплавящимся электродом при осевой подаче сварочной проволоки.

Лекция № 11

Лекция № 12

Лекция № 13

Лекция №14

Лекция № 15

Лекция № 16

Сварка чугуна – 2 часа

1. Характеристика и свойства чугуна.

2. Особенности сварки чугуна.

3. Способы сварки чугуна.

3.1. Способы сварки, обеспечивающие получение однородного соединения.

3.2. Способы сварки чугуна разнородными металлами.

1. Характеристика и свойства чугуна

Различают чугуны: железоуглеродистые и легированные (низколегированные – S(Cu, Ni, Cr) < 1,0-1,5%, среднелегированные – до 7%, высоколегированные – более 7-10%).

В зависимости от вида, в котором углерод присутствует в чугуне, выделяют ®

1. Белый чугун (углерод в виде Fe₃ C);

2. Серый, ковкий и высокопрочный чугун (углерод в виде графита):

– серый чугун (графит в виде пластинок чешуйчатых, завихренных, розеточных, вермикулярных и т. д.): ферритный, перлитный, ферритно-перлитный, перлитно-карбидный, бейнитный, мартенситный и аустенитный. Марки: СЧ10, СЧ15-СЧ45. Не подчиняется закону Гука и ведет себя как неупругий материал;

– высокопрочный чугун (графит компактный, шаровидный): ферритный, перлитный, перлитно-ферритный, бейнитный. Обозначения, например, ВЧ 45-5;

– ковкий чугун (графит хлопьевидный): ферритный, перлитный. Обозначения, например, КЧ 37-12.

Легированные чугуны. Обозначения разнообразные, например, ЖЧЮ7Х2 и др. – кремнистые чугуны; ИЧХ4Г7Д и др. – марганцевые износостойкие чугуны; ЧН15Д7Х2 и др. – никелевые чугуны и т. д.

2. Особенности сварки чугуна

Основной объем сварочных работ связан с ремонтом чугунных деталей и устранением дефектов в отливках.

Чугун имеет плохую свариваемость, что связано с низкой прочностью и пластичностью чугуна и склонностью к образованию трещин. Трещины могут возникать:

– в начале сварки, когда местный нагрев вызывает напряжения сжатия;

– в процессе сварки из-за образования хрупких структур при быстром охлаждении, а также из-за неравномерного хода изменения объема процессов усадки и эвтектического или эвтектоидного превращения;

– при остывании шва, когда в шве и ЗТВ возникают остаточные растягивающие напряжения и образуются холодные трещины.

Для устранения трещин рекомендуется использовать присадочные материалы и режим охлаждения соединения, обеспечивающий графитизацию металла. Графитизации способствуют элементы: углерод, кремний, марганец (при содержании менее 1-1,2% ведет себя не как карбидообразователь, а как графитизатор), медь и никель. Небольшие добавки хрома титана и ванадия измельчают графитные включения. Кроме того, для измельчения графитных включений используют модификаторы.

Самым опасным местом (по отношению к трещинообразованию) является участком основного металла, непосредственно примыкающий к сварному шву, т.е. участок 1 на рис. (где металл находится при сварке в твердожидком состоянии):

3. Способы сварки чугуна

Способы сварки чугуна классифицируют по следующим признакам.

1. По температуре подогрева:

– холодная сварка (без подогрева);

– полугорячая сварка (Т_п »300-400^оC);

– горячая сварка (Тп » 600-700^оC).

2. По виду металла шва:

– способы сварки, обеспечивающие получение однородного соединения;

– способы сварки чугуна разнородными металлами.

3.1. Способы сварки, обеспечивающие получение однородного соединения

Сварка чугуна порошковой проволокой. В составе порошковых проволок находится требуемое количество графитизаторов (С и Si), а требуемая форма графита обеспечивается модифицированием сварочной ванны.

Серый чугун сваривают проволоками ПП-АНЧ1, ПП-АНЧ2, ПП-АНЧ3 и др..

Основной объем работ – заварка дефектов литья с толщиной стенки отливок свыше 15 мм.

Проволока ПП-АНЧ1. Основа шва – перлитно-ферритная с участками лидебурита и карбидов. Графит – крупнопластинчатый.

Проволока ПП-АНЧ2. Сварка с подогревом 350^оС. Шов – ферритно-перлитный, с розеточным графитом.

Проволока ПП-АНЧ3. Сварка с подогревом 600^оС. Шов – перлитно-ферритный, с мелким завихренным графитом.

Высокопрочный чугун сваривают проволокой ПП-АНЧ5 с общим или местным подогревом до 500-700^оС. Шов – с феррито-перлитной основой и шаровидным графитом. После сварки требуется замедленное охлаждение (менее 100^о/С). Химический состав шва и прочностные характеристики соответствуют чугуну ВЧ 45-5.

Сварка чугуна покрытыми электродами. Полугорячая и горячая. Используется для исправления дефектов в массивных толстостенных отливках из серого чугуна. Электроды – чугунные с тонкой обмазкой (ЭЧ-1, ЭЧ-2) или из малоуглеродистой проволоки, в обмазке которой находится графит и кремний (ЦЧ-5). Сварка идет с подогревом 400-550^оС (для деталей повышенной жесткости и сложности – 600-700^оС). Охлаждение после сварки медленное, т.е. в песке или под асбестом в горне. Графит в шве – крупнопластинчатый, .

Газовая сварка чугуна. В качестве присадки используются чугунные прутки. Флюс – бура. Сваривается серый и высокопрочный чугун. Детали малой массы ® холодная сварка, в остальных случаях – полугорячая или горячая.

Электрошлаковая сварка. Обладает более мягким, чем дуговая сварка термическим циклом. Используется для сварки серого чугуна большой толщины, при изготовлении литосварных изделий и для ремонтных работ.

Контактная стыковая сварка оплавлением. Производится с предварительным подогревом и последующей термообработкой (все это в губках машины). Припуск на осадку подбирается так, чтобы жидкая прослойка полностью выдавливалась из стыка. Сваривают серый и высокопрочный чугун.

3.2. Способы сварки чугуна разнородными металлами

Сварка порошковой проволокой на основе никеля. Получают тонкостенные (4-20 мм.) герметичные соединения из серого, ковкого и высокопрочного чугуна, что невозможно сделать другими способами за исключением никелевых электродов.

При малой толщине чугунной детали получение соединения осложняется из-за их восприимчивости к воздействию напряжений, что может вызвать образование трещин. Для предотвращения их образования используют тонкую проволоку ПАНЧ 11 Æ 1-1,2 мм и сварку ведут с малой погонной энергией на воздухе без дополнительной защиты и подогрева. Производительность сварки в 5 раз выше, чем при использовании никелевых электродов. Временное сопротивление металла шва около 450 МПа, а относительное удлинение около 15 %.

Сварка покрытыми электродами на основе никеля. Никелевые электроды имеют стержень:

– из чистого никеля;

– из сплавов никеля с железом (55-70% Ni);

– из сплавов никеля с медью (65-70% Ni).

Никелевые электроды используют для сварки тонкостенных отливок из серого и высокопрочного чугуна, ОЗЧ-4 (стержень из проволоки НП-2). Сварку ведут постоянным током обратной полярности без подогрева в нижнем или вертикальном положениях.

Для снижения размеров ЗТВ используют предельно низкую погонную энергию. Сварку ведут короткими валиками длиной 20-30 мм. Шов часто проковывают для снятия остаточных напряжений, и новый валик накладывают только после остывания детали.

Железоникелевые электроды отличаются тем, что дают шов с повышенной стойкостью против горячих трещин и достаточной прочностью по отношению к ковкому и высокопрочному чугуну, ОЗЖИ-1 (стержень – Св-08Н50), нижнее и вертикальное положения; постоянный ток обратной полярности; сварка холодная.

Часто используют комбинированные процессы: обварка кромок никелевым электродом и заполнение шва железоникелевым. Такая технология с использованием специальных облицовочных электродов используется при ремонте изделий из ² горелого чугуна ², т.е. окисленного и пропитанного маслом.

Сварка стальными электродами. Этот способ не обеспечивает хорошего качества и достаточной прочности по отношению к чугуну из-за закалочных структур и трещин в ЗТВ, АН-1 (стержень из Св-08).

Сварку выполняют как с подогревом, так и без него. Без подогрева сварка без закалочных структур в ЗТВ не возможна. Поэтому сварку первого слоя ведут на минимальной погонной энергии валиком длиной порядка 50 мм и сразу же накладывают сверху второй валик, что приводит к отпуску первого слоя.

При ремонте толстостенных деталей и при сварке без подогрева в кромки предварительно ввертывают стальные шпильки:

Сварка стальными электродами с получением аустенитного или феррит ного шва. Сварку аустенитными электродами выполняют без подогрева только как многослойную. Предварительный подогрев 300-400^оС снижает вероятность образования трещин, например, ОЗЛ-27 (стержень из проволоки Св-04Х19Н11М3).

Для получения ферритных швов используют электроды ЦЧ-4А из малоуглеродистой проволоки с феррованадием в составе покрытия; рекомендуется местный подогрев 300^оС; сварка в нижнем положении на переменном токе или постоянном токе обратной полярности. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом и связывает в карбиды весь углерод, поступающий в шов из основного металла.

Электроды используют для заварки дефектов отливок и трещин с применением шпилек.

Сварка электродами на основе меди. При сварке электродами на основе меди наплавленный металл представляет собой смесь меди и железо-углеродистого сплава. Это связано с нерастворимостью Fe и Cu друг в друге.

Наилучшая прочность и обрабатываемость щвов достигается при содержаниив шве 80-95% Cu и 5-20% Fe. Временное сопротивление при этом приблизительно 200 МПа, что достаточно для сварки серого чугуна: ОЗЧ-2, ОЗЧ-6, в покрытии железный порошок, стержень из М1, сварка и наплавка изделий из серого и ковкого чугуна без подогрева в нижнем и вертикальном положениях на постоянном токе обратной полярности и др. Сварку ведут участками длиной 30-50 мм. Перед наложением каждого валика необходима проковка предыдущего.

Часто процесс сварки комбинируют: облицовка шва – никелевым электродом с заполнением кромок медно-железным.

Лекция №17

Лекция № 1

Вводная – 2 часа

1. Цели и задачи изучения курса

2. Определение специальной стали и сплава.

3. Классификация сталей и сплавов.

1. Цели и задачи изучения курса

Инженер должен:

- иметь представление об общих тенденциях при разработке специальных сталей и сплавов технологий их сварки;

ЗНАТЬ:

УМЕТЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ:

ИМЕТЬ ОПЫТ:

- проектирования технологических процессов сварки специальных сталей и сплавов.

2. Определение специальной стали и сплава

3. Классификация сталей и сплавов

Сталями называют сплавы железа и углерода, при содержании углерода от 0,02% до 2,14%.

Армко - железо (электротехническая сталь, технически чистое железо) содержит менее 0,02% углерода.

Стали классифицируются по нескольким признакам:

- по химическому составу;

- по качеству;

- по структуре;

- по применению.

По качеству стали делят:

- обыкновенного качества;

- качественные;

- высококачественные;

- особо высококачественные

(все легированные не хуже, чем качественные).

1 После отжига стали делят на 4 класса:

1.1. Доэвтектоидные, имеющие избыточный феррит.

1.2. Эвтектоидные, перлитные.

1.3. Аустенитные.

1.4. Ферритные.

Углеродистые стали – классы 1.1 и 1.2. Легированные – все классы.

2. После нормализации выделяют основные классы: перлитный, мартенситный, аустенитный и ферритный.

По применению различают стали:

- конструкционные (20, 30ХГСА, В ст.3 пс и т.д.);

- инструментальные (У8, Р6М5, XBГ, X т.д.);

Лекция № 2

Химическая коррозия – 2 часа

1. Природа химической коррозии.

2. Влияние легирующих элементов на жаростойкость.

Коррозия металлов - это самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствии химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Различают коррозию: химическую и электрохимическую.

1. Природа химической коррозии

Химическая коррозия развивается в сухих газах или жидких неэлектролитах. В большинстве случаев это кислородосодержащие газы (сухой воздух, CO₂, сухой водяной пар, O₂).

При химической коррозии поверхность металла окисляется, исходя из этого, способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газа при высоких температурах называется жаростойкостью.

Окисление включает в себя несколько последовательных идущих этапов:

1. Адсорбция молекул кислорода из газовой фазы поверхностными атомами металла. В ходе адсорбции выделяется теплота, которая вызывает диссоциацию (разложение молекул на атомы), что сопровождается перераспределением электронов и ионизацией атомов, причем поверхностные атомы металла теряют электроны Me ® Me²⁺ + 2e, а атомы кислорода восстанавливаются и захватывают электроны O + 2e ® O²^-.

2. Химическое взаимодействие ионов и формирование молекулы оксида Me²⁺+ O²^-® MeO.

Атомы в образующейся пленке оксида расположены в узлах кристаллической решетки, которая характерна для данного оксида и может не соответствовать по кристаллографическим направлениям решетке металла.

Полученная оксидная пленка изолирует металл от воздействия кислородосодержащего газа, то есть защищает его. Увеличение толщины оксидной пленки обусловливается в основном диффузией через нее атомов металла, которые, достигнув внешнюю поверхность пленки, вступают в химическую реакцию окисления в соответствии с изложенной схемой.

Для оценки защитных свойств оксида (на предмет отсутствия в нем пустот и рыхлостей) используют коэффициент объема j. Коэффициент объема равен отношению объемов моля оксида к грамм-атому металла.

Защитными свойствами обладают только плотные оксиды с коэффициентом j = 1,0 - 2,5.

Если j < 1, то оксид рыхлый и кислород свободно подходит к поверхности металла.

При j > 2,5 оксид под влиянием больших внутренних напряжений растрескивается и осыпается с поверхности металла, который вновь окисляется.

Пленки, образующиеся на поверхности металла при 25 ^оС, называются природными и при малой толщине порядка 10 ^-^9-м. обладают хорошими защитными свойствами. При нагреве под действием термического цикла сварки или в ходе эксплуатации при повышенных температурах толщина оксидной пленки увеличивается.

При невысоких температурах диффузия ионов металла к поверхности оксида происходит под действием электрического поля.

Схема роста плотных оксидов

Данное электростатическое поле возникает из-за перемещения электронов от внутренней поверхности оксида к внешней. При повышении температуры главную роль начинает играть разность концентраций металла на сторонах оксидной пленки.

Скорость окисления описывается уравнением: ,

где h – толщина оксидной пленки; t – время; E – энергия активации процесса; R – газовая постоянная; T – температура.

Скорость окисления определяют экспериментально (г/(м²×ч)) по температурным зависимостям для скорости окисления металла в условиях соответствующих условиям эксплуатации сварного соединения. Для железа такая зависимость имеет вид:

На основе подобных графиков оценивают жаростойкость сварного соединения и максимальную рабочую температуру эксплуатации.

2. Влияние легирующих элементов на жаростойкость

Из температурной зависимости окисления железа следует, что окисление идет медленно до температуры 560^оС, т к. на поверхности присутствуют оксиды Fe₂O₃ и Fe₃O₄ с хорошими защитными свойствами. При температуре выше 560^оС существует оксид FeO с коэффициентом j > 2,5. Поэтому, предельно допустимая температура нагрева на воздухе металла составляет примерно 560^оС. За счет легирования эту температуру можно поднять до 1100-1200^оС. Повышение жаростойкости сварных соединений из низколегированных сталей вызвана тем, что легирующие элементы В, входящие в решетку с матрицей из основного металла А, образуют легированные оксиды (АВ)_nO_m.

В высоколегированных сталях легирующий элемент образует на поверхности изделия собственный оксид В_nO_m. Если данные оксиды обладают лучшими защитными свойствами при более высоких температурах, чем оксид железа (т.е. имеют j = 1¸2,5), то жаростойкость повышается.

На рисунке в качестве примера показано влияние хрома на образование окалины в стали с 0,5 % C на воздухе при различных температурах:

Основные легирующие элементы в сталях оказывают на жаростойкость (окалиностойкость) следующее влияние. – Хром, кремний, алюминий повышают жаростойкость. – Никель оказывает положительное влияние при введении его в больших количествах, никельсодержащие стали плохо работают в сернистой среде (H₂S) (S выделяясь из H₂S охрупчивает сталь при температурах более 650 ^оС).

– Марганец при содержании до 6% слабо влияет на жаростойкость, а при содержании более 10 % ухудшает (но хромомарганцевые стали обладают жаростойкостью до 900 ^оС при наличии серосодержащих газов).

– Ванадий резко снижает жаростойкость.

– Молибден понижает жаростойкость.

– Вольфрам до 900^оС почти не влияет на жаростойкость, а при более высоких температурах ухудшает, образовывая на поверхности стали очень пористую окалину.

Лекция № 3

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Последнее изменение этой страницы: 2019-04-19; Просмотров: 143; Нарушение авторского права страницы