Повышенное содержание серы в стали характеризуется при сварке
Сера имеет неограниченную растворимость в жидком железе и ограниченную – в твердом железе. При кристаллизации стали по границам зерен выделяются сульфиды железа, которые могут образовать легкоплавкую эвтектику с железом, вызывающую явление красноломкости при нагревании слитков перед прокаткой или ковкой. Красноломкость проявляется сильнее в литой стали в виде трещин или рванин, потому что сульфиды и оксисульфиды скапливаются по границам первичных зерен.
В процессе горячей деформации (прокатки, ковки) сульфидные включения легко деформируются и вытягиваются в строчки по направлению деформации. Строчечные сульфидные включения нарушают сплошность структуры металла, и, если нагрузка на готовое изделие направлена поперек оси деформации (перпендикулярно сульфидным строчкам), металлическая матрица разрушается по границе раздела с сульфидами; в результате снижается пластичность стали в поперечных образцах. В случае испытания образцов металла при низких температурах сульфиды резко снижают пластичность и повышают порог хладноломкости. В частности, низкое содержание серы (и соответственно малое количество сульфидов) очень важно иметь в стали, применяемой при производстве труб большого диаметра для газопроводов, прокладываемых по Крайнему Северу ([S]
В то же время большое количество конструкционных сталей используется для изготовления изделий, у которых основные нагрузки – в направлении вдоль оси прокатки. В таком случае особо низкого содержания серы в металле не требуется, так как сера оказывает благоприятное влияние на обрабатываемость стали на металлорежущих станках (сера увеличивает хрупкость стружки и не дает возможности образования так называемой витой стружки). Поэтому в большинстве марок электростали допустимый верхний предел содержания серы составляет 0,035 % и лишь в высококачественных сталях он не должен превышать 0,020 %. Более низкое содержание серы в стали обычно оговаривается техническими условиями на поставку конкретной марки стали.
Сера попадает в металлический расплав с шихтовыми материалами. Передельный чугун содержит от 0,025 до 0,070 % серы, в чугунном ломе ее примерно столько же, в ломе углеродистых сталей – 0,030…0,050% серы. Кокс, применяемый для науглероживания расплава, содержит до 2 % серы. Некоторое количество серы может перейти в металл из мазута, если мазут используется в топливокислородных горелках. Обычно содержание серы в металле после расплавления выше допустимого для готовой стали, поэтому в процессе плавки и внепечной обработки требуется удалить из металла избыточное количество серы (осуществить десульфурацию металла).
Суть процесса десульфурации металла заключается в переводе серы из металла в десульфурирующую фазу (чаще всего это шлак). На скорость и степень («глубину») десульфурации металла влияют: активность серы в металле и шлаке, наличие поверхностно-активных примесей на поверхности раздела металл-десульфурирующая фаза, величина поверхности контакта металл-шлак, состав и свойства шлака (прежде всего основность, окисленность и вязкость), а также, особо подчеркиваем, количество шлака или другой десульфурирующей фазы.
Активность серы в жидкой стали повышают углерод, кремний, алюминий. Поэтому в полном металлургическом цикле (интегрированные заводы) выгоднее удалять серу из чугуна (в доменной печи или в чугуновозных ковшах, миксерах и т.д.), а при выплавке сталей с повышенным содержанием углерода, кремния и алюминия удается получать металл с более низким содержанием серы. Активность серы в шлаке определяется прежде всего основностью шлака.
Сера является поверхностно-активным элементом, ее концентрация на поверхности раздела фаз существенно выше, чем в объеме металла. Поэтому при проведении десульфурации металла необходимо добиваться увеличения поверхности контакта металла с десульфурирующей фазой (перемешивание металла со шлаком, вдувание в расплав порошков шлакообразующих компонентов и т,п.). Если в металлическом расплаве имеется несколько поверхностно-активных элементов, то поступление серы на поверхность раздела фаз затруднено. Кислород, присутствующий в металле, также является поверхностноактивным элементом, поэтому в окислительных условиях поверхность контакта металл-шлак занята кислородом и десульфурация металла усложняется. При небольших концентрациях кислорода в металле (меньше 0,01 %) адсорбция серы больше, чем адсорбация кислорода, степень удаления серы из металла резко увеличивается.
Самый простой и дешевый способ десульфурации стали – десульфурация основным шлаком. Переход серы из металла в шлак может быть описан следующими схемами:
[FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO) – при записи в молекулярной форме;
[S] + О 2- = S 2- + [О] – при записи в ионной форме.
Вторая схема объясняет взаимосвязь процессов раскисления металла и удаления из него серы. Исходя из этих схем для условий металлургической практики можно утверждать, что, чем выше активность СаО в шлаке и ниже активность FeO и серы в нем, тем выше десульфурирующая способность такого шлака; лучшему переходу серы из металла в шлак способствует меньшее содержание кислорода в металле (меньшая окисленность металла). Степень использования десульфурирующей способности шлака обычно характеризуют величиной полученного в процессе десульфурации коэффициента распределения серы между шлаком и металлом ϒs = (S) / [S], равной отношению концентраций серы в шлаке и металле. Сравнивая его с так называемым «равновесным» коэффициентом распределения, определенным для подобных шлаков в лабораторных условиях для случая равновесия между шлаком и металлом, можно судить о глубине десульфурации.
Многочисленные исследования, проведенные в промышленных и лабораторных условиях, подтвердили влияние основности и окисленности шлака на величину полученного коэффициента распределения серы (рис. 3.2).
Условия окислительного периода плавки (высокая окисленность шлака и металла) не способствуют проведению глубокой десульфурации металла, поэтому в большинстве случаев электрометаллурги стараются удалить основную часть серы при наличии раскисленного металла и шлака: при использовании классической технологии и ее более поздних модификаций в восстановительный период плавки и во время выпуска металла вместе со шлаком; при использовании современной технологии путем внепечной обработки на установках типа ковш-печь, путем продувки твердыми десульфурирующими реагентами и т.д. Учитывая довольное высокое содержание серы в шихте, по нашему мнению, не следует отвергать возможность частичной десульфурации металла в окислительных условиях в конце плавления и в окислительный период плавки (кратность шлака 0,05…0,07), особенно в современных печах, использующих вспененные постоянно обновляющиеся шлаки, обеспечивающие довольно большую величину удельной поверхности контакта шлак-металл. Наши данные (рис. 3.3) свидетельствуют о возможности получения заметных значений коэффициента распределения серы в окислительный период плавки в 100-тонной печи, особенно при повышении основности шлака, и соответственно о возможности удаления в это время до 20 % серы, содержащейся в шихте.
Кроме того, видно (рис. 3.4), что десульфурирующая способность шлаков окислительного периода полностью не использовалась и фактическая концентрация серы в металле в конце окислительного периода превышала равновесную со шлаком (рассчитанную по формуле Морозова). Причины этого – небольшая длительность окислительного периода и повышенная окисленность металла.
Вредные примеси в металле при сварке и их удаление
Выше (см. гл. 9) уже рассмотрено поведение отдельных компонентов сплавов и их влияние на качество получаемого металла шва. Однако в заключение надо сделать обобщение влияния на качество сварных соединений, так называемых «вредных» примесей, к которым относятся сера, фосфор, кислород, азот, водород, а в некоторых случаях н углерод.
Сера — всегда вредная примесь при сварке металлов, так как она образует относительно легкоплавкие эвтектики Me — — MeS, что создаст возможность образования «горячих» или кристаллизационных трещин в металле шва. Ее содержание в металле и в сварочных материалах всегда следует жестко лимитировать.
Снижение вредного влияния серы достигается ее переводом из сульфидов железа в сульфиды с более высокой температурой плавления (MnS; Гпл=1883 К; CaS; Г„л= 2273 К), с тем чтобы она не могла участвовать в процессе кристаллизации, образуя неметаллические включения, еще в жидком металле сварочной ванны (Гпл=1800 К).
Это достигается при введении в сварочную ванну достаточного количества марганца. Кальций вводят в металл ванны в виде силикокальция через электродные покрытия или порошковую проволоку.
Общее снижение содержания серы в металле при сварке возможно при сильно основных шлаках. Бескислородные фто - ридные флюсы также способствуют удалению серы из металла в результате образования летучих фторидов металла (FeF2, FeF3) и твердых сульфидов:
CaFs + FeS-^CaS + FeFst.
Сера удаляется при электрошлаковой сварке и переплаве металлов.
Фосфор — почти всегда вредная примесь в металлах, снижающая их пластичность. Так, при кристаллизации стали фосфор образует ряд соединений с железом (БезР, Fe2P, FeP и FeP2), отличающихся своей хрупкостью, кристаллы которых могут стать зародышами холодных трещин. Содержание фосфора в металле шва при дуговой сварке понизить практически не удается, так как он удаляется в окислительных шлаках, а сварочные шлаки — восстановительные. Концентрация фосфора в шве снижается только при электрошлаковой сварке.
При сварке медных сплавов фосфор не представляет собой вредную примесь, так как он способен раскислять металл, образуя летучий оксид Р2О5:
5Cu20 + 2Cu3P-> 16Cu + P205f.
Кислород — вредная примесь в металле при сварке, снижающая пластические свойства металла, поэтому при всех видах сварки предусматривается процесс раскисления металла шва до допустимой нормы. При сварке металлов высокой активности (Al, Ti, Zr) следует создавать бескислородную атмосферу — аргон, гелий, вакуум, галидные флюсы, так как раскислителей для таких металлов подобрать нельзя.
Однако при сварке конструкционных сталей следует сохранять некоторую окисленность металла для уменьшения растворимости водорода.
Азот поглощается металлом сварочной ванны из атмосферы дугового промежутка, в котором он находится в основном в атомарном и частично в ионизированном состояниях. Растворимость азота в жидком металле выше, чем в твердом, и в процессе кристаллизации металла шва он может выделяться в газообразном состоянии, образуя поры.
При кристаллизации металла сварочной ванны азот образует почти со всеми металлами соединения — нитриды различной степени устойчивости (см. рис. 9.33). Особенно устойчивые нитриды образуют ^-металлы IVB, VB, VIB групп периодической системы. Нитриды железа Fe4N, Fe2N образуют очень хрупкие игольчатые кристаллы, разрушение которых приводит к зарождению холодных трещин (замедленное разрушение). Из промышленных металлов только медь не дает устойчивых нитридов и поэтому ее можно сваривать в атмосфере азота (см. п. 10 3).
Однако азот не всегда представляет собой вредную примесь и в некоторых сталях аустенитного класса содержание его доводят до 0,3. 0,4%.
Водород при сварке — всегда вредная примесь («водородная хрупкость»).
Источники водорода при сварке металлов: 1) водород, поглощенный металлом из атмосферы дугового разряда, и 2) водород, растворенный в основном металле.
Водород, поглощенный из атмосферы дугового разряда, в которой он находится в атомарном и в ионизированном состояниях, при кристаллизации резко понижает свою растворимость и, выделяясь из металла, вызывает возникновение пор и трещин.
Водород, содержащийся в основном металле, может находиться в состоянии твердого раствора внедрения — диффузионно-подвижный водород, а также находиться в связанном состоянии — гидридный водород. Водород в молекулярном состоянии находится в микронесплошностях металла.
Диффузионно-подвижный водород может перемещаться в металле в результате концентрационной или термической диффузии, создающейся вследствие градиента температур. Последний вид диффузии описывается уравнением
СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТЫХ И НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ И ИХ СВАРИВАЕМОСТЬ
Кипящая сталь характеризуется резко неравномерным распределением серы и фосфора и, как следствие, возможностью образования горячих трещин при сварке и переходом металла в хрупкое состояние при отрицательных температурах. Поэтому, в противоположность спокойным и полуспокойным сталям, она для применения в ответственных сварных конструкциях не рекомендуется. Углеродистая сталь обычного качества по ГОСТ 380-71 поставляется в трех группах: А — в сварных конструкциях не используется (она не имеет химического анализа и поставляется по механическим свойствам); Б — поставляют по химическому составу; В — поставляют по химическому составу и механическим свойствам. Содержание вредных для сварки примесей в этих сталях колеблется: серы < 0,05%, фосфора < 0,04% (пример обозначения ВСтЗсп). Углеродистые качественные стали содержат пониженное количество серы, и иногда содержание марганца в них достигает 1% (поставка по ГОСТ 1050-79).
Низколегированные стали имеют большое количество марок, в качестве легирующих добавок применяют Mn. Si, Си, V, Nb и др. Яркими представителями этих сталей являются 10ХСНД (аог > 400 МПа) и 09Г2С (ад2 > 350 МПа). Химический состав и механические свойства некоторых наиболее употребляемых марок низкоуглеродистых и низколегированных сталей приведены в табл. 7.1 и 7.2.
Химически» состав некоторых марок низкоуілеролистых и мижолеч прованных сталей
Низкоуглеродистые обычные стали
Повышенное содержание марганца
Си до 0,65 Ni до 0,8 СгдоО.9
1. Содержание серы в группе егалей ВСт ко более 0,05%, в палях остальных трупп - не более 0,04%
2. Содержание фосфора не бодее 0,01%.
Механические свойства некоторых марок нилкоуглеродистых и низколегированных сталей
Механические свойства (не менее)
Широкое распространение в промышленности находят микро - легированные стали, применяемые для изготовления конструкций ответственного назначения. Они позволяют экономить легирующие элементы и при термомеханической и термообработке обеспечивают высокую прочность и сопротивляемость хрупкому разрушению металла. Обычно эти стали содержат < 0,2% углерода и легируются микродобавкам Al, Сг, Zг, V, Ті, Nb, Мо, В. Они
обеспечивают получение высоких значений прочности. Так, сталь 14Г2АФ имеет апг > 400 МПа и ав > 550 МПа, а сталь 12ГНЗМФА а, и > 600 МПа и ав > 700 МПа.
При малом содержании углерода эти стали обладают удовлетворительной свариваемостью. При сварке на больших погонных энергиях (>100 кДж/см) ударная вязкость металла ЗТВ несколько снижается из-за роста зерна и неблагоприятных фазовых превращений в металле ЗТВ.
В судостроении широко применяется ряд марок конструкционных высокопрочных сталей типа АБ. К ним относятся улучшаемые стали АБ, АБ1, АБ2. Наилучшее сочетание физико-металлургических и технологических свойств феррито-перлитных сталей АБ с пределом текучести 390 МПа и более достигается за счет закалки и высокого отпуска.
Хромоникельмолибденовая сталь марок АБ1 и АБ2 с максимальными значениями предела текучести соответственно 500 и 588 МПа легирована Cr, Mo, V, АІ, Са. После закалки и высокого отпуска в этих сталях формируется мелкодисперсная ферритная структура с карбидной фазой. С учетом обеспечения требований свариваемости содержание углерода в сталях типа АБ составляет 0,08. 0,1%. Для обеспечения чистоты этих сталей по содержанию сульфидных и окисных неметаллических включений содержание серы и фосфора в них ограничено соответственно 0,01 и 0,02%,
При сварке этих сталей пластическая деформация, возникающая при остывании шва, способствует повышению его предела текучести. Обычно обеспечение равнопрочности сварных соединений при сварке таких сталей затруднений не вызывает. Сварка на форсированных режимах, повышенной толщине металла однопроходным швом, низкие температуры — все это может привести к появлению закалочных структур на участке перегрева, полной и неполной перекристаллизации металла ЗТВ.
Низколегированные стали иногда поставляются в термообработанном состоянии (закалка для повышения прочностных свойств). При сварке таких сталей на участке рекристаллизации под действием высокого отпуска происходит разупрочнение металла. Эти затруднения преодолевают технологическими приемами. Так, термоупрочняемые стали рекомендуется сваривать длинными участками, а термически не упрочненные (отожженные), наоборот, короткими (во избежание закалки в ЗТВ).
С повышением погонной энергии растет ширина разупрочненной зоны рядом со швом, что ведет к снижению твердости металла в ней.
Это вызывается высокотемпературным нагревом и малыми скоростями охлаждения. В то же время в зоне могут присутствовать участки, где наиболее резко выражены явления перегрева и закалки; они представляют собой наиболее вероятные места с точки зрения образования холодных трещин.
При сварке короткими участками, по горячим, предварительно положенным проходам, скорость охлаждения всех зон соединения мала. Их структуры равновесны, и последующая термическая обработка не нужна. Только изредка, в особенных случаях, конструкция после сварки может быть подвергнута высокому отпуску для снятия остаточных напряжений и восстановления свойств металла в ЗТВ (нормализация сварных узлов, выполненных ЭШС).
Стойкость против образования горячих трещин в металле шва при сварке этих сталей удовлетворительна. Они в отдельных случаях возникают при содержании углерода более 0,2%, при сварке угловых швов и корневых проходов. Низкоуглеродистые и низколегированные стали хорошо свариваются всеми способами сварки плавления, как правило, без введения предварительного или сопутствующего подогрева.
Важным требованием, предъявляемым к сварным конструкциям из этих сталей, является обеспечение равнопрочности сварных соединений с основным металлом и отсутствие дефектов в сварном шве. Гарантией обеспечения этого требования и служит получение механических свойств металла шва и ЗТВ не ниже нижнего предела прочности соответствующих свойств основного металла. Геометрические размеры и формы шва должны соответствовать требованиям нормативной документации.
Механические свойства металла шва и сварного соединения определяются его структурой, которая зависит от химического состава стали, режимов сварки, предыдущей и последующей термообработки. Как правило, химический состав шва при сварке незначительно отличается от состава основного металла. Различие заключается лишь в стремлении уменьшить содержание углерода в шве с целью предупреждения структур закалочного характера; возможный недостаток прочности при этом компенсируется дополнительным подлегирова - нием металла шва кремнием и марганцем за счет проволоки, флюса или электродного покрытия.
Повышение скорости охлаждения металла шва также может приводить к повышению его прочности при одновременном снижении уровня пластичности и ударной вязкости. Скорость охлаждения металла шва определяется толщиной свариваемого металла, его физическими свойствами, конструкцией сварного соединения, режимами сварки и начальной температурой изделия.
Влияние серы на структуру и свойства шва
Источниками поступления серы и фосфора в зону сварки служат: флюсы и электродные покрытия, в состав которых входят содержащие примеси серы компоненты, например марганцевые руды, а также расплавленные основной и электродный металлы.
Важно отметить, что распределение серы по сечению толстолистового основного металла может быть крайне неравномерным вследствие ликвации при кристаллизации литых слябов, не подвергающихся при прокатке значительным деформациям. Поэтому при сварке на некоторых участках шва концентрация серы может оказаться весьма высокой, а механические свойства шва очень низкими даже при ее средней концентрации в металле, удовлетворяющей требованиям ГОСТа. Это явление называют металлургической наследственностью в металле. Содержание серы в металле в количестве, превышающем допустимые нормы, резко снижает его механические свойства и j ^ является причиной красноломкости металла, а при сварке приводит к появлению в шве кристаллизационых трещин.
Рис. 9.31. Сводная диаграмма плавкости Fe - S, Со - S, Ni - S
Механизм влияния примесей серы на наплавленный металл состоит в следующем. В сталях сера образует с железом сульфид железа FeS, температура плавления которого составляет 1468 К, т. е. ниже температуры плавления стали на »300 К. Сульфид железа почти не растворяется в твердом железе.
При кристаллизации шва FeS выделяется из него и соединяется с другими примесями в виде легкоплавкой сернистой эвтектики (рис. 9.31) или в виде отдельных включений
разного вида. Эвтектики могут быть двойными либо тройными, например:
- FeS + Fe (Гпл = 1228 К);
- 2FeS - Si02 + FeS (Гпл = 1253 К).
В процессе направленной кристаллизации металла шва, протекающем в интервале температур ликвидус-солидус, эти легко
плавкие сернистые эвтектики оттесняются растущими кристаллитами металла шва к границам между кристаллитами и к месту их стыка (в центральной части сварочной ванны) и становятся частью так называемых межкристаллитных прослоек. К моменту окончания кристаллизации металла шва такие межкристаллитные прослойки могут быть еще в жидком состоянии (Т3 < Тс). Если возникнут растягивающие напряжения от усадки шва и временных сварочных деформаций в шве, то возможно появление на этих участках горячих трещин кристаллизационного типа (рис. 9.32).
Рис. 9.32. Макроструктура центра шва (х200) в зоне срастания кристаллитов передними гранями (в правой части - горячая трещина)
Одновременное присутствие в металле шва углерода и кремния увеличивает склонность шва к кристаллизационным трещинам в результате снижения температуры затвердевания ликватов и увеличения температурного интервала хрупкости.
Участки швов с сернистыми ликватами, не разрушившиеся при кристаллизации, имеют пониженные механические свойства и потенциально склонны к разрушению как при высоких, так и при низких температурах.
Особенно вредно влияет сера на свойства коррозионно-стойких сталей и сплавов никеля.
Для снижения содержания серы в металле шва нужно вводить в сварочную ванну такие элементы, которые имели бы к сере большее сродство, чем железо. Кроме того, образующиеся сульфиды этих элементов должны удовлетворять следующим требованиям: обладать более высокой, чем у железа или никеля, температурой плавления и не создавать сульфидных легкоплавких эвтектик. По степени возрастания химической прочности образующихся сульфидов, т. е. их энтальпии, элементы, вводимые для десульфурации сварочной ванны, располагаются в следующей последовательности: А1, Са, Na, Mn, Mg. Однако использование их для связывания серы сопряжено с трудностями, так как все эти элементы имеют и более высокое сродство к кислороду, т. е. связываются им в оксиды, практически не удаляющиеся из кристаллизующегося шва и образующие включения. Из числа перечисленных элементов наибольший интерес с этой точки зрения представляет марганец, поскольку:
Рис. 9.33. Снижение доли FeS в сульфидной фазе [FeS]/[MnS] при увеличении концентрации [Мп] в стали
1) он имеет сравнительно высокое сродство к сере;
2) как правило, он присутствует в свариваемых сталях в сравнительно больших количествах (0,5. 0,65 %);
3) Мп мало растворим в Fe и образует тугоплавкий и пластичный сульфид MnS шаровидной формы (Гпл= 1893 К), равномерно распределяющийся преимущественно в объемах зерен;
4) при концентрации марганца в стали более 0,6 %, он способствует переходу серы из FeS в MnS, т. е. в шлак.
Марганец полезен главным образом как элемент, переводящий серу в более
благоприятную форму существования в стали (рис. 9.33). Кроме того, сульфид марганца слабо растворим в металле и хорошо в шлаке; поэтому он в значительном количестве переходит в шлак. Оставшийся в металле MnS распределяется в мелкодисперсном виде достаточно равномерно в объеме зерен и не образует легкоплавких эвтектик.
В сварочной практике связывают и удаляют серу чаще всего двумя способами: с помощью Мп и МпО, а также СаО. Рассмотрим первый из элементов-десульфураторов - марганец.
Основная реакция связывания серы марганцем описывается уравнением
[FeS] + [Мп] (MnS) + [Fe]
с константой равновесия
к __ [Fe](MnS) с [FeS][Mn]
Учитывая, что для стали [Fe] ~ 1, получаем
Следовательно, чем больше марганца, тем меньше FeS в металле шва.
При этом чистый Мп вводят в сварочную проволоку или в основной металл. Однако эффективность связывания серы в сульфид марганца по реакции (9.81) мала, так как вправо реакция заметно развивается лишь при пониженных температурах, когда протекающие процессы замедляются. В итоге в металле шва оказывается значительное количество FeS. Поэтому реакция (9.81) дополняется второй реакцией сульфида железа с дополнительно введенным оксидом марганца:
[FeS] + (МпО) (MnS) + [FeO].
Для этой реакции константа равновесия имеет вид
к _(MnS)[FeO] с [FeS](MnO) ’
Преимущество реакции (9.83) по сравнению с реакцией (9.81) состоит в том, что константа равновесия Кс растет с увеличением температуры, т. е. с ростом температуры реакция сдвигается в сторону большего выхода (MnS) и [FeO].
Рассматривая реакции (9.81) и (9.83) совместно, можно отметить, что превращению FeS в MnS способствуют: лучшая раскис-
ленность металла (т. е. уменьшение [FeO]); увеличение содержания марганца в металле; высокая концентрация (МпО) в шлаке. В углеродистых сталях обычно отношение [Mn]/[S] равно 20. 25, что позволяет избежать кристаллизационных трещин. В легированных сталях это соотношение должно быть существенно выше, чтобы получить швы без трещин.
Вторым элементом-десульфуратором служит кальций. Ввод кальция дает следующие положительные результаты.
Во-первых, газообразный кальций активно реагирует одновременно с серой и кислородом расплавленной стали, образуя свойственные только ему специфические соединения - оксисуль - фиды. Даже при весьма низкой концентрации в металле (не выше 0,0001 %) кальций вследствие своей поверхностной активности оказывает заметное влияние на процесс рафинирования, особенно при совместном введении кальция и присадок редкоземельных элементов - церия и лантана.
Во-вторых, при использовании кальция как элемента-десуль - фуратора возможно связывание серы известью СаО. Эта реакция приводит к образованию весьма прочного и тугоплавкого сульфида кальция, практически не растворимого в металле. Процесс протекает в соответствии с реакцией
Константа равновесия реакции (9.85) растет с увеличением температуры, при этом процесс интенсивнее развивается вправо - в сторону образования в шлаке CaS. Лучшее раскисление металла и введение в шлак окиси кальция будет способствовать уменьшению содержания FeS в металле. Увеличение содержания СаО в шлаке приводит к росту константы распределения L = (S)/[S], что обеспечивает более полный переход серы из металла в шлак.
Установлено, что наличие кремния и алюминия в металле значительно ускоряет процесс десульфурации сварочной ванны, причем сера удаляется одновременно с кислородом. Это является следствием как прямого испарения серы в виде соединений AI2S3 (температура возгонки равна 1823 К) и SiS (температура возгонки равна 1213 К), так и включения ее в состав образующихся шлаковых частиц.
Фосфор, как и сера, является вредной примесью, ухудшающей механические свойства стали, особенно при пониженной температуре, т. е. вызывающей ее хладноломкость. Это объясняется тем,
что в сталях фосфор образует частично растворимые в феррите фосфиды Fe3P (или Fe2P) по реакции
Фосфор относится к числу сильно ликвирующих примесей, которые неравномерно распределяются в металле. Ликвацию фосфора усиливает углерод. При этом возможно образование легкоплавкой эвтектики тройного типа Fe + Р + С, еще более снижающей прочность и пластичность шва в температурном интервале хруп - ,
кости в сталях (Гпл «1173 К). Особенно низкой является температура плавления фосфидной эвтектики (Гпл ~ 923 К) и соответственно низкой является ее стойкость против образования горячих трещин при сварке никелевых сплавов. і
Удаление фосфора из сварочной ванны основано на его окислении в составе фосфидов и последующем связывании фосфорного ангидрида Р2О5 в прочное комплексное соединение, легко переходящее в шлак. Окисление фосфора развивается в сварочной ванне в соответствии со следующей реакцией:
Затем идет процесс связывания шлаком фосфорного ангидрида. По возрастающей силе сродства к ангидриду Р2О5 основные и амфотерные оксиды можно расположить в следующей последовательности:
Fe203 —>АІ203 —> FeO —> МпО —> MgO —> CaO, (9.88)
т. e. наиболее активными по отношению к фосфорному ангидриду являются СаО, MgO и МпО. Запишем уравнения реакции связывания фосфорного ангидрида:
- наиболее активный процесс
4СаО + Р205 (СаО)4 - Р205; (9.89)
- менее активный процесс
4МпО + Р205 (МпО)4 • Р205. (9.90)
Для процесса удаления фосфора из сварочной ванны, объединив, например, уравнения (9.87 и 9.89), получим
Влияние химические элементов на свойства стали и свариваемость
Свариваемость — это способность материала образовывать неразъёмные соединения, отвечающие требованиям изготовления и проектирования и работающие должным образом в течение срока службы. Свариваемость считается хорошей для низкоуглеродистой стали, С повышением содержания углерода требуется применять специальные меры, такие как предварительный нагрев, контроль подвода тепла и термическая обработка после сварки. Кроме углерода на свариваемость влияет содержание других легирующих элементов. Качественный подход к определению свариваемости стали заключается в расчете ее углеродного эквивалента.
где Сэ – углеродный эквивалент,
С, Mn, Cr, Mo, V, Ni, Cu – массовые доли углерода, марганца, хрома, молибдена, ванадия, никеля, и меди, %.
Классификация сталей по свариваемости
По технологической свариваемости легированные углеродистые стали условно можно разбить на четыре группы:
1) стали, свариваемые без ограничений (Сэ ≤ 0,25%);
4) трудно свариваемые стали (Сэ > 0,45 %), применение которых для изготовления сварных конструкций не желательно
Методы оценки свариваемости металлов
Все испытания, проводимые для определения показателей свариваемости, условно можно разделить на две основные группы.
Косвенные способы позволяют оценить склонность к образованию холодных трещин расчетным путем без непосредственного испытания материалов
Прямые способы предусматривают сварку технологических проб,
проведение специализированных испытаний сварных соединений
или основного материала, подлежащего сварке, в условиях, имитирующих сварочные
Влияние химических элементов на свариваемость
Углерод (C)
Углерод является самым важным элементом в стали, его содержание определяет твердость и прочность материала, а также реакцию на термическую обработку, способность стали к закалке. С повышением содержания углерода увеличивается прочность и твёрдость, а свариваемость пластичность, и обрабатываемость стали снижаются.
Кремний (Si)
Кремний является одним из основных раскислителей стали. Кремний помогает удалять пузырьки кислорода из расплавленной стали. Это элемент, обязательно используется в производстве сталей, и обычно содержится в количествах менее 0,40 процента. Кремний растворяется в железе и имеет свойство увеличивать прочность.
При сварке кремний улучшает очистку и раскисления металла при сварке на загрязненных поверхностях и способствует получения металла сварного шва повышенной прочности Кремний добавляется как раскисляющий элемент в сварочную проволоку. Он предотвращает соединение железа с кислородом и уменьшает количество FeO в сварочной ванне, однако при этом образуются оксиды SiO2 имеющие высокую температуру плавления (около 1710℃), и остающиеся в металле при застывании.
Марганец (Mn)
Действие марганца аналогично действию кремния, но его способность к раскислению несколько хуже, чем у кремния. Марганец добавляемый в сварочную проволоку соединяться с серой и образовывает сульфида марганца (MnS). Оксиды и сульфиды марганца имеет температуру плавления (около 1270 ℃) и низкую плотность благодаря чему они могут агломерироваться в крупный шлак и всплывают в сварочной ванне, обеспечиваю хороший эффект очищения от кислорода и серы. Марганец также является важным легирующим элементом, оказывающим влияние на повышение прочности но снижется вязкость металла сварного шва.
Марганец может быть вторым по важности элементом после углерода в стали. Mn обладает эффектами, аналогичными эффектам углерода, и производитель стали использует эти два элемента в сочетании для получения материала с желаемыми свойствами. Марганец необходим для процесса горячей прокатки стали путем его сочетания с кислородом и серой.
Стали обычно содержат не менее 0,30% марганца, однако в некоторых углеродистых сталях может содержаться до 1,5%.
Сталь с низким содержанием марганца может содержать серу в виде сульфида железа (FeS), что может привести к образованию трещин в сварном шве.
Сера (S)
Сера улучшает обрабатываемость, но снижает пластичность и ударную вязкость. При сварке сера является вредной примесью, оказывающей неблагоприятное влияние на свариваемость и механические свойства стали. Содержание серы в сталях ограничено до 0,05%.
Сера обычно присутствует в стали в виде сульфида железа и распределяется по границе зерен в виде сетки. По содержанию серы и фосфора стали классифицирую по качеству. Стали с содержанием серы и фосфора менее 0,025% относят к высококачественным.
Фосфор (Р)
Фосфор может быть полностью растворен в феррите в стали. Фосфор хотя и увеличивает прочность и коррозионную стойкость стали, также является вредной примесью, так как приводит к охрупчиванию, особенно при низкой температуре. Поэтому он крайне не благоприятен для сварки и его содержания ограничивается так же как и серы.
Хром (Cr)
Хром один из основных легирующим элементом в стали. Хром повышает прокаливаемость стали, коррозионную стойкость, а также предела текучести но при этом ударная вязкость и пластичность незначительно снижаются. Стали с содержанием хрома боле 12% относят к нержавеющим.
Хром также обладает сильной антиоксидантной способностью и термостойкостью. Поэтому хром широко используется в жаропрочных сталях.
Алюминий (Al)
Алюминий является одним из сильнейших раскисляющих элементов, поэтому использование алюминия в качестве раскислителя приводит к снижению оксидов в сварочной ванне, азота и снижает пористость. способность противостоять пористости CO. В то же время высокое содержание в сварочной проволоке алюминий приводит к сильному разбрызгиванию. При оптимальном содержания алюминия в сварочной проволоке, формируется мелкозернистая структура, незначительно повышается твердость, предел текучести и прочность на растяжение металла сварного шва.
Титан (Ti)
Титан очень прочный и легкий металл, который можно использовать отдельно или легировать сталями. Он добавляется в сталь для придания ей высокой прочности при высоких температурах.
Титан является сильным раскисляющим элементом, и также может связывать азот и кислород, что приводит к снижению пористости сварного шва. Содержание титана в металле препятствует росту зерна и улучшает структуру.
Молибден (Мо)
Молибден в сталях повышает прочность и твердость, придает структуре мелко зернистость, уменьшает склонность к образованию трещин и повышает ударную вязкость. Молибденом используется для придания стали жаропрочности, в нержавеющих сталях добавляется для повышения их коррозионной стойкости, а также используется в быстрорежущих инструментальных сталях.
Ванадий (V)
Ванадий повышает прочность стали, способствует уменьшению роста зерна и улучшить прокаливаемость. Ванадий является сильным карбидообразующим элементом, увеличивает склонность стали к закалке. Карбид ванадия обладает высокой температурной стабильностью, поэтому он может улучшить высокотемпературную твердость стали. Ванадий образует тугоплавкие оксиды, что увеличивает сложность газовой сварки и резки.
Ванадий используется в жаропрочных, инструментальных и пружинных сталях вместе с другими легирующими элементами.
Вольфрам (W)
Используется с хромом, ванадием, молибденом или марганцем для производства быстрорежущей и инструментальной стали. Вольфрам в виде карбида вольфрама придает стали высокую твердость, которая сохраняется даже при сильном нагреве, что делает ее особенно подходящей для режущего инструмента.
Кобальт (Co)
Кобальт повышает прочность и твердость при высоких температурах. Усиливает действие других элементов в высоко легированных сталяз индивидуальные эффекты других элементов в более сложных сталях.
Никель (Ni)
Никель улучшает коррозионную стойкость, низкотемпературные характеристики стали и свариваемость. Часто используется в сочетании с другими легирующими элементами, особенно хромом и молибденом. Это ключевой компонент в нержавеющих сталях, в низких концентрациях, обнаруживаемых в углеродистых сталях.
Медь (Cu)
Медь является еще одним основным элементом коррозионной стойкости. Она также оказывает небольшое влияние на прокаливаемость стали. Наиболее часто медь встречающаяся в качестве остаточного металла в сталях и содержится в количестве не менее 0,20 процента.
Ниобий (Nb)
Ниобий улучшает пластичность, твердость, износостойкость и коррозионную стойкость и улучшает структуру зерна. Ниобий является сильным карбидообразователем и образует очень твердые, очень мелкие карбиды.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: