Коррозионно-стойкие высокохромистые стали способны утрачивать антикоррозионные свойства при неправильном термическом цикле сварки. Это явление называется межкристаллитной (ножевой) коррозией. Если сталь не содержит до 1 % титана или ниобия, но содержит бор и ванадий, которые снижают жаростойкость, то при нагревании выше 500 °C происходит выпадение из твердого раствора карбидов хрома и железа по границам зерен (кристаллов). Границы зерен обедняются хромом, и карбиды хрома и железа становятся центрами коррозии и коррозионного растрескивания. Поэтому коррозия называется межкристаллитной (ножевой), так как нет химической однородности кристалла.
Последующая термообработка (чаще – закалка) позволяет восстановить антикоррозионные свойства. Нагревом до 850 °C ранее выпавшие из раствора карбиды хрома вновь растворяются в аустените, а при быстром охлаждении они не выделяются в отдельную фазу. Быстрым охлаждением фиксируется строение металла.
Такой вид термообработки называется стабилизацией. Стабилизация несколько снижает пластичность и вязкость металла, но зачастую эти свойства у коррозионно-стойких сталей не являются главенствующими, и таким эффектом можно пренебречь.
При сварке жаростойких сталей нужно обеспечивать быстрое охлаждение (любыми методами), тогда коррозионная стойкость сохраняется и без применения термообработки. К таким маркам относятся стали аустенитного класса, типа 18/8, т. е. с содержанием 18 % хрома и 8 % никеля. Эти марки сталей относятся к группе хорошо сваривающихся из-за наличия никеля и позволяют применять ускоренное охлаждение при сварке и после нее.
Для получения высокой пластичности и вязкости без потери антикоррозионных свойств сварного соединения необходимо закалить металл: прогреть по всей толщине до температуры 1000–1100 °C и быстро охладить в воде. Этот режим приемлем для хромоникелевых сталей аустенитного класса.
При электродуговой сварке электроды для высоколегированных сталей имеют основной тип покрытия и редко – смешанный. Электродный стержень близок по химическому составу к основному металлу, но с увеличенным количеством некоторых легирующих элементов (молибден, марганец, вольфрам), необходимых сварному шву для придания ему мелкозернистой структуры и для улучшения механических свойств, в первую очередь пластичности.
В сварном стыке обязательно должен быть зазор (разумного размера) для свободной усадки шва при остывании. Сварку нужно вести по возможности тонкими электродами и швами при минимальной погонной тепловой энергии. Чтобы более равномерно распределять нагрев по изделию в процессе сварки и уменьшать скорость охлаждения изделия после нее, высоколегированные стали, склонные к закалке, подогревают до 100–300 °C.
Главной причиной появления пор при сварке жаростойких сталей является водород. Источники водорода – флюс, электродное покрытие, защитный газ, различные наслоения с влагой. Поэтому свариваемые кромки должны быть чистыми. Сварочная проволока (в том числе и для электродов) для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами выпускается по ГОСТ 2246–70, которым предусмотрена 41 марка, например марки Св-06Х19Н9Т, Св-04Х19Н9, Св-05Х19Н9ФЗС2, Св-10Х17Т, Св-12ХПНМФ и др. Электроды этой группы применяются для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами, таких как: 15Х25Т, 08Х18Т1, 20Х23Н13, 20Х23Н18, 10Х23Н18,15Х12ВНМФ, 14Х17Н2, 12Х18Н9,12Х18Н10Т и др. Следует еще раз отметить, что никель улучшает свариваемость.
Режимы сварки высоколегированных сталей и сплавов аустенитными электродами назначают с таким расчетом, чтобы отношение силы тока к диаметру электрода не превышало 25–30 А/мм. При сварке аустенитными электродами в вертикальном или потолочном положении силу тока уменьшают на 10–30 % по сравнению со сваркой в нижнем положении. Электроды перед сваркой, во избежание образования пор в металле шва, прокаливают при температуре 250–400 °C в течение 1–1,5 часа.
Газовая сварка высоколегированных сталей может применяться только в случаях, когда нет другого выхода. Высоколегированные (содержащие свыше 10 % легирующих элементов) хромистые (свыше 14 % хрома) и хромоникелевые стали сваривать газовой сваркой не рекомендуется из-за резкого ухудшения их эксплуатационных свойств. Даже небольшой избыток кислорода в пламени приводит к выгоранию хрома.
В качестве присадки применяют сварочную проволоку, близкую по химическому составу к свариваемому металлу. При газосварке титан выгорает полностью, что приводит к межкристаллитной коррозии. При нагреве до 500–800 °C и медленном охлаждении, что характерно для газовой сварки, из твердого раствора выпадают карбиды хрома по границам зерен с потерей коррозионной стойкости.
Для сварки необходим еще и флюс сложного состава: 28 % мрамора, 30 % фосфора, 10 % ферромарганца, 6 % ферросилиция, 6 % ферротитана, 20 % двуокиси титана. Флюс разводится на жидком стекле и наносится на кромки детали в виде пасты. Сварка выполняется после высыхания флюса.
При наличии хороших электродов и источников питания дуги нет необходимости применять более сложную и малопроизводительную технологию сварки, да еще с потерей качества соединений.
Сварка чугуна
Чугун – это сплав железа с углеродом, где, в отличие от стали, углерода много – около 2–5 %. В зависимости от количества углерода в сплаве различают белые, серые, ковкие и высокопрочные чугуны.
Белые чугуны на изломе имеют почти белый цвет. Весь углерод в них находится в связанном состоянии в виде карбида железа – цементита Fe3C. Цементит хрупок, имеет высокую твердость (выше твердости напильника), не поддается механической обработке режущими инструментами и как конструкционный материал практически не применяется. Используется для получения ковких чугунов и сталей.
Серый чугун – это не сплошной металл, а пористая металлическая губка, поры которой заполнены рыхлым неметаллическим веществом – графитом. Такая структура неблагоприятна для сварки, она не встречается ни в одном другом металле. На изломе он имеет серебристый цвет из-за наличия пластинчатых включений графита, включающего в себя половину всего углерода (остальной углерод находится в связанном состоянии). Серые чугуны содержат: 3,2–3,5 % углерода; 1,9–2,5 % кремния; 0,5–0,8 % марганца; 0,1–0,3 % фосфора и менее 0,12 % серы.
Пример обозначения серого чугуна: СЧ32–52. Буквы обозначают серый чугун (СЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (32 кгс/мм2, или 320 МПа), второе число – предел прочности при изгибе. Относительное удлинение при разрыве серого чугуна практически равно нулю. Это характеризует его как непластичный материал.
Хорошо обрабатывается режущим инструментом. Температура плавления, в зависимости от количества углерода, составляет 1100–1250 °C.
Ковкий чугун – название условное. Он не поддается ковке, так как имеет повышенную пластичность и вязкость. Получают его длительным отжигом белого чугуна. В структуре содержит: 2,4–3,0 % углерода в виде графита хлопьевидной формы; 0,8–1,4 % кремния; 0,3–1,0 % марганца; менее 0,2 % фосфора; не более 0,1 % серы.
Ковкий чугун обладает повышенной прочностью при растяжении и высоким сопротивлением удару, он менее склонен к трещинообразованию. Пример обозначения ковкого чугуна: КЧ45–6. Буквы обозначают ковкий чугун (КЧ), первое число – предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2, или 450 МПа), второе – относительное удлинение в процентах (6 %).
Высокопрочный чугун содержит графит шаровидной формы и имеет наиболее высокие прочностные свойства. Содержит: 3,2–3,8 % углерода; 1,9–2,6 % кремния; 0,6–0,8 % марганца; до 0,12 % фосфора и не более 0,3 % серы. Высокопрочный чугун получают путем введения добавки-модификатора – магния в жидкий расплав, что способствует образованию графитных включений шаровидной формы. Механические свойства такого чугуна приближаются к свойствам углеродистых сталей, а литейные свойства выше (но ниже, чем у серых чугунов). Пример обозначения высокопрочного чугуна: ВЧ45–5. Буквы обозначают высокопрочный чугун (ВЧ), первое число обозначает предел прочности при растяжении (45 кгс/мм2, или 450 МПа), второе – относительное удлинение в процентах.
Свариваемость чугуна можно характеризовать как противоречивую. При оценке физической свариваемости чугун следует отнести к группе хорошо свариваемых материалов, а при оценке по технологической свариваемости, когда требуется сварное соединение без снижения качества основного металла и металла шва, он является трудносвариваемым сплавом. Основные причины, ухудшающие свариваемость чугуна, следующие.
1. Возможность образования в шве и околошовной зоне хрупких и труднообрабатываемых структур отбела (т. е. появления участков с выделениями цементита той или иной формы) и закалки с очень высокой твердостью.
