Легирование позволяет достаточно эффективно регулиро­вать механические свойства металла изменением морфологии, распределения и дисперсности структурных составляющих, изменением состава и состояния границ зерен.

Большинство исследователей рассматривает влияние леги­рующих элементов на свойства металла при одинарном леги­ровании [10, 16, 13, 19, 197, 45, 46, 200].

Известно, что существенное влияние на ударную вязкость при отрицательных температурах оказывают марганец и крем­ний. Система легирования на основе марганца и кремния явля­ется традиционной для многих сварочных электродов общего назначения.

Подпись: Рис. 4.1. Графики зави-симости ударной вязкости сварного шва от содер-жания марганца в наплав-ленном металле и темпе-ратуре испытаний [83]. Содержание марганца, %: 1 - 0,6; 2 - 1,0; 3 - 1,4; 4 - 1,8
image165

Установлено, что увеличение содержания в металле шва марганца от 0,6 до 1,8 % повышает его ударную вязкость, осо­бенно при низких температурах (рис. 4.1), что вызвано умень­шением размера зерна примерно в 1,4-1,5 раза (рис. 4.2), а также связыванием серы в сульфид марганца [31, 35]. Немину­емым следствием повышения содержания марганца является возрастание прочности и увеличение склонности металла шва к закалке [187]. Поэтому авторы [187, 151] рекомендуют огра­ничить содержание марганца в шве 1,5 %.

Подпись: Рис. 4.2. Графики зави-симости размера зерна от содержания марганца в наплавленном металле и погонной энергии сварки [83]. Положение сварки: 1 - потолочное; 2 - нижнее; диаметр электродов: 3 - 3 мм, 4 - 5 мм
image166

Увеличение содержания кремния в металле шва до 0,6­0,8 % приводит к формированию структуры верхнего бейнита по границам зерен, что связано с замедлением процессов кар­бидообразования [110]. Сварные швы с такой структурой обла­дают наиболее низкими значениями ударной вязкости.

Авторы [66, 19, 98, 151, 149] считают, что для получения вы­соких механических свойств металла шва должно выполняться соотношение:

Mn, %/Si, % < 2 при содержании Ми = 0,6-1,5 %.

Увеличение содержания титана в металле шва приводит к росту прочности и снижению пластичности [32, 31, 51, 71, 89, 127].

Упрочняющее действие титана, а также ванадия и алюми­ния в значительной степени объясняется увеличением объем­ной доли карбидной фазы. Авторы [30, 51, 151] считают, что титан и алюминий, образуя твердые растворы внедрения, при­водят к искажению кристаллической решетки. При содержа­нии титана от 0,10 до 0,16 % обеспечиваются наиболее высокие показатели ударной вязкости металла шва (рис. 4.3, а), однако при легировании через электродное покрытие столь узкий ди­апазон содержания титана в шве трудно обеспечить.

Положительное влияние молибдена, вольфрама, ниобия в увеличении ударной вязкости связано с малой их абсорбцией на границах зерен и сильной абсорбцией на поверхности карбидов, что затрудняет рост последних на границах зер ен [31, 35, 60, 98, 110]. Влияние молибдена и ниобия наиболее

image167

Рис. 4.3. Графики зависимости ударной вязкости сварного шва от содержания титана ( а) [55], молибдена ( а*), никеля (а) в наплавленном металле и температур Ы испытаний [18]:

• — содержание молибдена, %: 1 — 0; 2 — 0,2; 3 — 0,4; , — содержание никеля, %:

1 — 0; 2 — 2; 3 — 3; 4 — 5; 5 — 8,5; 6 — 13

эффективно при совместном введении с карбидообразующими элементами [89].

Зависимость ударной вязкости от содержания молибдена в сварном шве показана на рис. 4.3, а. Избыточное введение молибдена (свыше 0,6 %) и ниобия приводит к образованию мелкодисперсных карбидов, что резко снижает ударную вязкость [46, 89].

Большинство исследователей [6, 16, 13, 19, 98, 151, 204, 199] считают, что никель является легирующим элементом, наибо­лее сильно снижающим склонность стали к хрупкости при от­рицательных температурах. Установлено [27, 121], что легиро­вание термически упрочненной стали 1 % никеля снижает по­рог хладноломкости до -60 …-80 °С. Повышая запас вязкости, никель увеличивает сопротивление распространению хрупкой трещины. Так, легирование металла шва 1% Ni повышает кри­терий Ирвина (К1с) на 300-400 Дж/мм2 [200].

Авторы [19, 182, 189] показали, что с увеличением содержа­ния никеля до 5 % повышается ударная вязкость сварного шва при отрицательных температурах (рис. 4.3, а). Такое влияние никеля объясняется равномерным распределением мелких час­тиц второй фазы, изменением их формы и, по-видимому, тем, что он снижает энергию взаимодействия дислокации с атомами внедрения, облегчая тем самым их подвижность [27, 36, 46, 89].

Из работ [13, 151, 182, 189] следует, что высокие показатели ударной вязкости в широком интервале отрицательных температур (не ниже -70 °С) обеспечиваются при содержании в металле, наплавленном электродами основного вида, от 1,8 до 2,5 % никеля. Авторы [19, 151] отмечают, что ударная вязкость легированного никелем металла менее чувствительна к влиянию технологических факторов (подготовки кромок, положения шва при сварке и т. д.) и режимов сварки.

Комплексное легирование металла никелем и медью обеспе­чивает повышенную вязкость и хорошие коррозионные свойст­ва сварного соединения [151]. Превышение содержания меди 0,6 % вызывает снижение ударной вязкости металла.

Вопрос о влиянии редкоземельных металлов (церия, ит­трия, празеодима, неодима, гафния) на ударную вязкость свар­ного шва хладостойких сталей изучен недостаточно.

В работах [16, 43, 95, 137, 176] показана высокая чувстви­тельность ударной вязкости к концентрации РЗМ в металле шва. Автором [137] увеличение ударной вязкости было получе­но при содержании в шве 0,01-0,02 % РЗМ. Более высокое со­держание РЗМ (>0,02 %) вызывает снижение вязкопластичес­ких характеристик. Авторами работы [43] было получено повы­шение ударной вязкости металла шва из стали ВСт.3сп в 1,5­2 раза при содержании в покрытии электродов основного ви­да 0,2-0,4 % иттрия и 0,6-1,5 % (по массе) окислов РЗМ (Y2O3, Ce2O3, Ег203). При этом ударная вязкость сильно зави­сит от дисперсности частиц РЗМ: с увеличением дисперснос-

ти снижается стабильность показателей вязкопластических свойств и их средняя величина. Предполагают [43], чем выше дисперсность РЗМ, тем большая часть их нейтрализуется еще на стадии капли и лишь незначительная доля используется для легирования металла шва.

Результаты механических испытаний, выполненных автора­ми [3], показали, что РЗМ примерно в 1,5-2 раза повышают ударную вязкость металла шва из стали ВСт. Зсп в широком интервале отрицательных температур (не ниже -70 °С).

В то же время не были получены стабильные показатели ударной вязкости швов на стали 09Г2С, особенно при темпе­ратурах -40…-70 °С. В ряде случаев значения ударной вязкос­ти при Т = -60 °С достигали 5-21 Дж/см2, что недопус­тимо при сварке хладостойких сталей. Это вызвано, на наш взгляд, высоким содержанием в составе комплексных лигатур кремния (~50 %), серы и фосфора, непостоянным химичес­

ким составом лигатур и плохим усвоением РЗМ сварочной ванной.

Кроме того, использование в электродном покрытии РЗМ с целью улучшения хладостойкости сварных швов затруднено и по ряду других причин. Основными из них являются: взаимо­действие РЗМ с компонентами покрытия в процессе изготов­ления и хранения электродов, в результате чего снижается эффективность легирования и модифицирования металла; за­висимость активности РЗМ от окислительного потенциала по­крытия; чувствительность ударной вязкости металла к дис­персности частиц РЗМ.

Никель лишен перечисленных выше недостатков. Из дан­ных [26, 43, 46, 98, 137] следует, что до сих пор отсутствуют научно обоснованные рекомендации по использованию РЗМ для легирования металла шва. К тому же нет простой и на­дежной методики определения окончательного содержания и х в наплавленном металле, что затрудняет проведение исследо­ваний.

Вредное влияние серы и фосфора на хладостойкость стали показано многими авторами [46, 27, 112, 121, 156, 166, 174]. Яв­ляясь одними из наиболее сильно ликвирующих элементов, они вызывают неоднородность состава, структуры и свойств металла шва. Охрупчивающее влияние фосфора проявляется в ослаблении межкристаллических связей в результате обогаще­ния границ зерен элементарным фосфором и образования ме­таллических включений фосфидной эвтектики [166].

Ю. А. Шульте [166] установил, что повышение содержа­ния серы и фосфора в среднеуглеродистой стали на 0,01 % 112

сдвигает критическую температуру хладноломкости пример­но на 15-17 °С (для серы) и 20 °С (для фосфора) в сторону положительных температур. В работах [35, 46, 112, 199] пока­зано, что для получения высоких пластических свойств свар­ных швов содержание серы и фосфора следует ограничить 0,025 %.

Таким образом, высокие и стабильные значения ударной вязкости металла швов хладостойких сталей в наибольшей мере обеспечиваются дополнительным легированием металла никелем в количестве 1,8-2,5 % при минимальном содержании серы и фосфора (<0,025 %).

Анализ литературных данных [66, 178-212] позволил уста­новить, что высокие и стабильные значения ударной вязкости металла швов на хладостойких сталях в наибольшей мере обеспечиваются при раскислении и легировании металла шва марганцем, кремнием и никелем. Как следует из работ [70, 113], при этом содержание кремния и марганца в наплавлен­ном металле должно находиться в пределах:

0,20-0,40 % Si и 0,80-1,20 % Mn.