Сварка среднеуглеродистой / высокоуглеродистой стали и специальных сталей

1. Введение

В состав стали, помимо углерода С входит кремний Si, марганец Mn, фосфор Р и сера S. Эти пять элементов называют пятью химическими компонентами стали. Сталь, содержащая 0,3% и менее углерода, называется низкоуглеродистой или мягкой сталью. Сталь, содержащая 0,6% и более углерода, называется высокоуглеродистой сталью. К этому типу относится, например, углеродистая инструментальная сталь. Сталь с содержанием углерода от 0,3% до 0,6% называется среднеуглеродистой сталью. К ней относится машиностроительная сталь. Специальные стали, в состав которых входят те же пять элементов, отличаются от углеродистых сталей более высоким содержанием марганца Mn, кроме того, в зависимости от назначения, в них добавляются такие легирующие элементы, как никель Ni, хром Cr и молибден Mo.

Согласно стандарту JIS, сталь и чугун классифицируются, как показано в Таблице 1, где сталь разделена на нелегированную, специальную и стальную отливку. Специальная сталь, в свою очередь, подразделяется на высокопрочную, инструментальную и сталь специального назначения. Типичные классы прочности среднеуглеродистых и специальных сталей представлены в Таблицах 2～3. В этих таблицах указаны классы прочности AISI/SAE и спецификации ASTM, которые схожи с классами прочности стали по стандарту JIS.

Таблица 1. Классификация чугуна и стали согласно стандарту JIS, а также ASTM/AISI/SAE

1-я классификация	2-я классификация	3-я классификация	Типичные классы JIS (ASTM/AISI/SAE)*1
Чугун и сталь	Нелегированная сталь	Стали для строительных сооружений и сосудов под давлением	JIS G3101 : SS, JIS G3103 : SB, JIS G3104 : SV, JIS G3106 : SM (ASTM A36, A204, A285, A31, A283, A529)
	Специальные стали	Углеродистые / легированные стали для строительных сооружений	JIS G4051 : S××C, JIS G4053 : SCr, SMn, SMnC, SCM, SNC, SNCM, JIS G4202 : SACM, JIS G3119 : SBV, JIS G3120 : SQV (AISI/SAE : 1010~1060, 5120~5140, 1522~1541, 4130~4147, 8615~8640, 4320~4340, ASTM A302, A387, A533, A734)
		Инструментальные стали	JIS G4401 : SK, JIS G4404 : SKS, SKD, SKT, JIS G4403 : SKH (AISI/ASTM : W1−11~1−8, F2, L6, W2, D3~H 19, T1~M42)
		Стали специального назначения	JIS G4303~4321 : SUS, SUH, JIS G4805 : SUJ, JIS G4801 : SUP, JIS G4804 : SUM (AISI : 201~444, 309~446, 52100, 9260~4161, 1212~1144, etc.)
	Стальная отливка	Отливка из углеродистой / легированной стали	JIS G5101 : SC, JIS G5102 : SCW (ASTM A27, A216)
		Отливка из углеродистой / легированной стали для строительных сооружений	JIS G5111 : SCC, SCMn, SCSiMn, SCMnCr, SCMnM, SCCrM, SCMnCrM, SCNCrM (ASTM A148)
		Стальная отливка специального назначения	JIS G5121 : SCS, JIS G5122 : SCH, JIS G5131 : SCMnH (ASTM A743, A744, A351, A297, A447, A608, A128)
	Стальная поковка	Поковка из углеродистой стали	JIS G3201 : SF (ASTM A105, A668)
		Поковка из углеродистой / легированной стали для строительных сооружений	JIS G3203 : SFVA, JIS G3202 : SFVC, JIS G3204 : SFVQ (ASTM A182, A336, A105, A181, A266, A508, A541)
	Чугунная отливка	Отливка из серого чугуна	JIS G5501 : FC (－)
		Отливка из чугуна со сфероидальным графитом	JIS G5502 : FCD (ASTM A536)
		Отливка из ковкого чугуна	JIS G5705 : FCMB, FCMW, FCMP (－)
(Примечание) *1. Для ASTM указан только номер спецификации для ссылки; поэтому точный класс прочности стали, сопоставимый с классом прочности по JIS, необходимо узнать в соответствующей спецификации.

Таблица 2 Углеродистые стали для машиностроения (Из JIS G 4051−1979, а также AISI/SAE)

Класс прочности JIS (AISI/SAE)*4	Химический состав(%)			Общие механические свойства*1			Углеродный*2 эквивалент	Свариваемость*3
	C	Mn	Si	Разрывная прочность (MPa)	Растяжение (%)	Число твердости по Викерсу
S30C(1030)	0.27~0.33	0.60~0.90	0.15~0.35	≧540	≧23	160~225	0.44	△
S33C(－)	0.30~0.36	0.60~0.90	0.15~0.35	－	－	－	0.47	△
S35C(1035)	0.32~0.38	0.60~0.90	0.15~0.35	≧570	≧22	175~250	0.49	△
S38C(1038)	0.35~0.41	0.60~0.90	0.15~0.35	－	－	－	0.52	×
S40C (1039,1040)	0.37~0.43	0.60~0.90	0.15~0.35	≧610	≧20	190~270	0.54	×
S43C (1042,1043)	0.40~0.46	0.60~0.90	0.15~0.35	－	－	－	0.57	×
S45C (1045,1046)	0.42~0.48	0.60~0.90	0.15~0.35	≧690	≧17	210~285	0.59	×
S48C(－)	0.45~0.51	0.60~0.90	0.15~0.35	－	－	－	0.62	×
S50C(1049)	0.47~0.53	0.60~0.90	0.15~0.35	≧740	≧15	228~295	0.64	×
S53C (1050,1053)	0.50~0.56	0.60~0.90	0.15~0.35	－	－	－	0.67	×
S55C(1055)	0.52~0.58	0.60~0.90	0.15~0.35	≧780	≧14	240~305	0.69	×
S58C (1059,1060)	0.55~0.61	0.60~0.90	0.15~0.35	－	－	－	0.72	×
(Примечание) *1. Общие механические свойства закаленных и отпущенных сталей. *2. Углеродный эквивалент (Ceq) был рассчитан по следующей формуле. 　　 *3. Отметки о свариваемости означают следующее: △： Довольно трудно ×： Крайне трудно *4. Для сведений о химическом составе, механических свойствах, углеродном эквиваленте и свариваемости обратитесь к соответствующей спецификации AISI/SAE.

Таблица 3 Хроммолибденовые стали для использования в машиностроении (Из JIS G 4053−2003, а также AISI/SAE)

Класс прочности JIS (AISI/ SAE)*4	Chemical composition(%)					Испытание на растяжение		Твердость по Бринелю	Термообработка(℃)		Угле- родный*2 эквивалент	Сварив- аемость*3
	C	Si	Mn	Cr	Mo	Tensile strength (MPa)	Растя- жение (%)		Закаливание	Отжиг
SCM415 (－)	0.13 ~0.18	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.15 ~0.25	≧830	≧16	235 ~321	1st 850~900 Масляное охлаждение 2nd 800~850 Масляное охлаждение	150~200 Воздушное охлаждение	0.56	△
SCM418 (－)	0.16 ~0.21	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.15 ~0.25	≧880	≧15	248 ~331	1st 850~900 Масляное охлаждение 2nd 800~850 Масляное охлаждение	150~200 Воздушное охлаждение	0.59	△
SCM420 (－)	0.18 ~0.23	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.15 ~0.25	≧930	≧14	262 ~352	1st 850~900 Масляное охлаждение 2nd 800~850 Масляное охлаждение	150~200 Воздушное охлаждение	0.61	△
SCM421 (－)	0.17 ~0.23	0.15 ~0.35	0.70 ~1.00	0.90 ~1.20	0.15 ~0.25	≧980	≧14	285 ~375	1st 850~900 Масляное охлаждение 2nd 800~850 Масляное охлаждение	150~200 Воздушное охлаждение	0.62	△
SCM430 (4130)	0.28 ~0.33	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.15 ~0.30	≧830	≧18	241 ~302	830~880 Масляное охлаждение	550~650 Быстрое охлаждение	0.71	×
SCM432 (－)	0.27 ~0.37	0.15 ~0.35	0.30 ~0.60	1.00 ~1.50	0.15 ~0.30	≧880	≧16	255 ~321	830~880 Масляное охлаждение	550~650 Быстрое охлаждение	0.71	×
SCM435 (4137)	0.33 ~0.38	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.15 ~0.30	≧930	≧15	269 ~331	830~880 Масляное охлаждение	550~650 Быстрое охлаждение	0.76	×
SCM440 (4140, 4142)	0.38 ~0.43	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.15 ~0.30	≧980	≧12	285 ~352	830~880 Масляное охлаждение	550~650 Быстрое охлаждение	0.81	×
SCM445 (4145, 4147)	0.43 ~0.48	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.15 ~0.30	≧1030	≧12	302 ~363	830~880 Масляное охлаждение	550~650 Быстрое охлаждение	0.86	×
SCM822 (－)	0.20 ~0.25	0.15 ~0.35	0.60 ~0.90	0.90 ~1.20	0.35 ~0.45	≧1030	≧12	302 ~415	1st 850~900 Масляное охлаждение 2nd 800~850 Масляное охлаждение	150~200 Воздушное охлаждение	0.68	×
(Примечание) *2. Углеродный эквивалент (Ceq) был рассчитан по следующей формуле. *3. Отметки о свариваемости означают следующее: △： Довольно трудно ×： Крайне трудно *4. Для сведений о химическом составе, механических свойствах, углеродном эквиваленте и свариваемости обратитесь к соответствующей спецификации AISI/SAE.

2. Основные факторы, которые необходимо учитывать при выборе сварочных материалов

Прежде всего здесь описаны факторы, которые необходимо учитывать при выборе сварочных материалов. Затем речь пойдет о механизме образования трещин и способах их предотвращения. Во-первых, сварочные материалы с высоким содержание диффузного водорода в сварочном металле (такие как электроды ильменитного типа и известково-титановые электроды), никогда не должны применяться для сварки среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей, а также специальных сталей. Для таких сталей обязательно следует применять сварочные материалы низкоуглеродистого типа.

Во-вторых, должна учитываться прочность сварочного металла. Среднеуглеродистая и высокоуглеродистая сталь в целом может быть охарактеризована как высокопрочная, ее разрывная прочность зачастую превышает 1000 MPa. При сварке такой высокопрочной стали существует два подхода к выбору сварочных материалов. Один подход отдает приоритет прочности сварочного металла и рекомендует применять такой сварочный материал, которых позволит получить сварочный металл с прочностью, близкой к прочности основного металла. Второй подход отдает приоритет не прочности сварочного металла, а его устойчивости к образованию трещин.

В общем можно сказать, что при прочих одинаковых условиях, устойчивость к образованию трещин в сварном соединении повышается по мере того, как понижается его прочность. Другими словами, чем выше прочность сварочного металла, тем больше риск образования в нем трещин.

Поэтому при выборе сварочных материалов необходимо тщательно изучить вопрос о том, насколько прочность сварочного металла должна быть близка к прочности основного металла. Следует по возможности выбирать сварочные материалы с меньшей прочностью, чтобы снизить риск образования трещин.

В таблице рекомендуемых сварочных материалов дается две рекомендации: для случаев, когда требуется простое соединение деталей, и для случаев, когда сварочный металл должен обладать прочностью, близкой к прочности основного металла.

Хотя в таблице рекомендуемых сварочных материалов это не отмечено, в некоторых случаях рекомендуется использовать сварочные материалы из аустенитной нержавеющей стали марки 309 для сварки среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталей.

Эта рекомендация основана на том, что часто причиной образования трещин в сварном соединении среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали является затвердевание околошовной зоны и диффузный водород в сварочном металле. Конечно, затвердевание околошовной зоны возможно и при использовании сварочных материалов из аустенитной нержавеющей стали. Но отсутствие диффузного водорода в сварочном металле, как считается, повышает устойчивость к образованию трещин наряду со стабильной структурой сварочного металла.

Таким образом, когда невозможно применить предварительный подогрев, а также тогда, когда не стоит проблема термической усталости из-за разницы в термическом коэффициенте расширения, могут быть использованы сварочные материалы из аустенитной нержавеющей стали.

Марка стали*1		Температура предвари- тельного подогрева (℃)	Рекомендуемые сварочные материалы
JIS	ASTM или AISI/SAE		Только для соединения			Для соединения с прочностью, близкой к прочности основного металла
			Дуговая сварка металлическим электродом в среде защитного газа	Сварка MAG	Сварка TIG	Дуговая сварка металлическим электродом в среде защитного газа	Сварка MAG	Сварка TIG
S30C,33C	1030	100минут	LB−47 LB−26	MG−50 MG−1 MIX−50S	TG−S50	LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
S35C	1035	100минут				LB−62	MG−60 MG−S63B	TG−S62
S38C,40C, 43C	1038,1039 1040,1042 1043	150минут				LB−62	MG−60 MG−S63B	TG−S62
S45C,48C, 50C	1045,1046 1049	200минут				LB−106	MG−70 MG−S70	TG−S80AM
S53C	1050, 1053	250минут				LB−106	MG−70 MG−S70	TG−S80AM
S55C	1055	250минут				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
S58C	1059, 1060	300минут				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
SNCM220, 420	8615,8617 8620,8622	200минут				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
SNCM431	－	300минут				LB−116	MG−80 MG−S80	TG−S80AM
SNCM439, 447,630	4340	350минут				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM420	－	250минут				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM430, 435	4130, 4137	300минут				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM440, 445	4140,4142 4145,4147	350минут				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SCM822	－	250минут				CM−A106	MG−S2CM	TG−S2CM
SF390A, 440A,490A	A105 A668 : B,C	150минут				LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
SC360, 410,450,480 SFVC−1, 2A,2B	A27 (См. ниже для A105, A181, A266)	100минут				LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
SF540A, 590A	A668 : D,Fb	200минут				LB−62	MG−60 MG−S63B	TG−S62
－	A181−60 A266−1	100минут	－	－	－	LB−47 LB−26	MG−50 MIX−50S	TG−S50
－	A105 A181−70 A266−2,4	100минут	－	－	－	LB−52	MG−50 MIX−50S	TG−S50
－	A266−3	100минут	－	－	－	LB−57	MG−60 MG−S63B	TG−S62
*1. Заранее убедитесь в том, что механические свойства наплавленного металла соответствуют цели применения.

Верх страницы