26.11.2021.

                                            группа: 412

 Предмет: Техника и технология ручной дуговой сварки (наплавка, резка) покрытыми электродами.

Тема урока: Выбор марки стали для изготовления конструкций работающих при низких температурах, оборудования, материалов.

Стали для деталей, работающих в условиях низких температур

Эти стали можно разделить на две группы — хладостойкие, работающие при температуре до —70 °С, и криогенные — работающие при температуре ниже —183 °С (температура точки кипения кислорода).

Число поломок тяжелонагруженных деталей горного и горнообогатительного оборудования, работающего в карьерах и на производственных площадках на Севере и в Сибири, в зимние месяцы увеличивается в 3—7 раз. Поэтому для этих условий очень важна хладостойкость применяемых сталей.

К хладостойким относят конструкционные стали, подвергнутые комплексному раскислению. Сталь для отливок при выплавке обрабатывают раскислителями (модификаторами), содержащими щелочноземельные (ЩЗМ) и (или) редкоземельные (РЗМ) металлы.

Раскисление, а также переплавы стали (вакуумно-дуговой, электрошлаковый) определяют природу и характер неметаллических включений, от которых в значительной мере зависит пластичность и вязкость стали, степень сопротивления хрупкому разрушению и хладостойкости стали.

Рациональное легирование в сочетании с комплексным раскислением (алюминием и кальцием или алюминием, кальцием и церием) и очисткой от вредных примесей (особенно фосфора) позволяет получить хладостойкие стали (табл. 1).

Для хладостойких сталей особенно важным является рациональное сочетание высоких показателей прочности и сопротивляемости охрупчиванию. Отливки из хладостойкой и износостойкой стали изготавливают в соответствии с требованиями ГОСТ 21357—87.

Таблица 1

Влияние легирования на механические свойства и критическую температуру хладноломкости нормализованной стали

Марка стали	а„, МПа	стт, МПа	KCU, МДж/м2	Гкр, “С
15Л	413	269	1,10	-27
15ГЛ	476	279	1,18	-50
15ГСЛ	490	323	1,05	-72
15ХГСЛ	510	337	1,18	-100
15ХГСМЛ	534	389	1,00	-100

 

Хладостойкие низко- и среднелегированные стали предназначены для эксплуатации при температуре до - 196°С. Принцип легирования:

1) низкое содержание углерода 0,06%;
2) легирование никелем (3/5 – 8,5%) для измельчения структуры;
3) ограничение содержания серы и фосфора 0,02%;
4) микролегирование Nb, Al, N₂ для измельчения зерна.

Долгое время для таких температурных условий применяли только никелесодержащие стали (3,6 и 9% Ni) с низким содержанием углерода или аустенитные хромоникелевые стали. В последнее время появились рекомендации по применению в условиях умеренно низких температур низкоуглеродистых низколегированных сталей с низким содержанием никеля (до 1,5%) и даже безникелевых сталей.

Состав хладостойких сталей.

Сталь	Массовая доля элемента							Температура эксплуатации, °С
	C	Si	Mn	Ni	S	P	Прочие
06Н3	0,06	0,17-0,37	0,45-0,60	3,5-4	0,01	0,01	0,15-0,25Mo	-100
06Н6	0,06	0,17-0,37	0,45-0,60	6-7	0,02	0,02	-	-160
06Н9	0,06	0,17-0,37	0,45-0,60	8,5-9,5	0,02	0,02	-	-196
06Г2НАБ	0,036	0,26	1,62	0,81	0,02	0,013	0,14Nb 0,03Al 0,021n	-100
06Г2АЮ	0,034	0,26	1,83	-	0,006	0,008	0,14Al 0,022N	-80

Никелевые стали, особенно марок 06Н6 и 06Н9, сложны по фазовому и структурному составу. Поэтому сталь с 9% Ni после охлаждения от температуры γ-состояния на воздухе закаливается с образованием мартенсита или мартенсита с аустенитом. При нагреве закаленной стали до температуры, близкой к 600°С , частично может произойти обратное α → γ -превращение, и в стали может появиться некоторое количество остаточного аустенита (5 - 15% в зависимости от состава стали и температуры отпуска).

В стали с 6% Ni при охлаждении образуется ферритно-мартенситная структура, а при более быстром охлаждении - мартенсит. После отпуска закаленная сталь имеет высокую хладостойкость.

Сталь с 3% Ni закаливается только при ускоренном охлаждении в воде. Применяется эта сталь также в закаленном и отпущенном состояниях. Хладостойкость никелевых сталей определяется не только содержанием никеля, но важны также однородность состава и мелкозернистость структур. Поэтому никелевые стали перед окончательной термообработкой (закалка + отпуск) лучше подвергать нормализации. Для сталей с 6 и 9% Ni нормализацию с термоулучшением можно заменить двойной воздушной закалкой: первая с более высокой температуры (~ 900°С) для гомогенизации, вторая с более низкой (~780-800°С) - для получения мелкого зерна. Отпуск после такой обработки дает некоторое улучшение свойств, однако он не всегда необходим, так как низкое содержание углерода в стали и пониженная температура закалки позволяют получить нехрупкий мартенсит и некоторое количество остаточного аустенита, обеспечивающих хорошую ударную вязкость.

Свариваемость

Основными показателями свариваемости стали являются склонность к образованию холодных трещин, изменения свойств ЗТВ и необходимость принятия специальных технологических мер для получения бездефектного сварного соединения с надлежащими свойствами. С точки зрения этих критериев все три никелевые стали можно отнести к хорошо свариваемым. Низкое содержание в сталях углерода обусловливает отсутствие склонности к холодным трещинам, даже если в ЗТВ после сварки образуется мартенсит. Мартенсит с низким содержанием углерода при высоком содержании нике­ля способствует получению в ЗТВ высокой ударной вязкости и умеренной твердости металла. При наличии вязкого аустенитного металла шва это обстоятельство обусловливает отсутствие необходимости проведения термообработки после сварки. При сварке эти стали проявляют склонность к росту зерна в ЗТВ. В связи с этим сваривать их целесообразно без большого тепловложения.

Способы сварки и сварочные материалы

Никелевые стали успешно свариваются различными видами сварки (см. таблицу ниже). Однако следует предпочитать дуговую сварку в защитном газе и ручную дуговую сварку. При автоматической сварке под флюсом лучше использовать тонкую проволоку.

Способы сварки никелевых хладостойких сталей и свойства ЗТВ сварных соединений

Сталь	Предпочтительные виды сварки	Температура, °С		Свойства ЗТВ
		Воздуха	Подогрева	Микроструктура	НВ, МПа не более
06Н3	РДС, ИН, ИП, АФ	5	-	М + П	3500
		-15	150	М + П	3500
06Н6	РДС, ИН, ИП	5	-	М + Ф	4200
		-10	150	М + Ф	4200
06Н9	РДС, ИН, ИП	5	-150	М	4000
		-10		М	4000

Примечание: РДС - ручная дуговая сварка; ИИ, ИП - дуговая сварка неплавящимся и плавящимся электродом в инертных газах; АФ - автоматическая сварка под флюсом.

Для сварки стали 06НЗ применяют электроды или проволоки аналогичные основному металлу, либо аустенитную хромоникелевую. Для сварки стали 06Н6 в качестве присадочного материала чаще всего используют проволоку из аустенитной хромоникелевой стали или сплав на никелевой основе (типа инконель).

Для сварки стали 06НЗ применяют электроды или проволоки аналогичные основному металлу, либо аустенитную хромоникелевую. Для сварки стали 06Н6 в качестве присадочного материала чаще всего используют проволоку из аустенитной хромоникелевой стали или сплав на никелевой основе (типа инконель).

В связи со склонностью к росту зерна никелевые стали при сварке не следует подогревать. Только при низкой температуре окружающего воздуха целесообразен небольшой подогрев.

Термообработка после сварки

Высокий отпуск сварных соединений стали 06НЗ выполняют при таком же составе сварных швов, что и свариваемая сталь. При высоконикелевых и хромоникелевых аустенитных швах термообработка после сварки не требуется.

Стали 06Г2НАБ и 06Г2АЮ благодаря очень низкому содержанию углерода после нормализации (состояние применения) почти не имеют перлита, поэтому их иногда называют бесперлитными. Высокие свойства, получаемые после нормализации, особенно высокая хладостойкость, определяются очень мелким зерном, устойчивым к росту благодаря наличию нитридов алюминия и карбонитридов ниобия.

Несмотря на повышенную устойчивость мелкого зерна к росту при нагреве, высокая температура нагрева околошовной зоны приводит к некоторому укрупнению зерна и ухудшению хладостойкости, что на сталях рассматриваемого типа ощутимо уже при ручной дуговой сварке. Лучше всего эти стали сваривать в защитном газе с применением тонкой проволоки с наименьшим тепловым влиянием на прилегающий к сварному шву металл. Значения твердости и ударной вязкости в ЗТВ в этом случае сохраняются близкими к значениям свариваемой стали (см. таблицу ниже).

Механические свойства хладостойких никелевых сталей после термообработки

Сталь	Термообработка	KCU, Мдж/м2 при температуре, °С
		20	-120	-160	-196
06Н3	Нормализация при 860°С в воде, отпуск при 630°С	1,2	0,3	0,2	-
		1,5	-	0,6	0,3
06Н6	Закалка при 860°С в воде, отпуск при 630°С	2,0	-	1,0 - 1,2	0,4 - 0,6
06Н9	Нормализация	2,5	-	-	1,2

Изучить:  1. Стали работающие в условиях низких температур.

                  2. Свариваемость хладостойких сталей.

                  3. Способы сварки и сварочные материалы.

                  4. Термическая обработка после сварки.