В: Недавно мы начали работу, в ходе которой некоторые компоненты изготавливаются преимущественно из нержавеющей стали марки 304, свариваемой между собой и с низкоуглеродистой сталью. Мы столкнулись с проблемой растрескивания сварных швов из нержавеющей стали толщиной до 1,25 дюйма. Было отмечено низкое содержание феррита. Можете ли вы объяснить, в чем причина и как это исправить?
А: Это хороший вопрос. Да, мы можем помочь вам понять, что означает низкое содержание феррита и как этого избежать.
Для начала давайте рассмотрим определение нержавеющей стали (НС) и связь феррита со сварными соединениями. Черная сталь и сплавы содержат более 50% железа. Это включает все углеродистые и нержавеющие стали, а также другие определенные группы. Алюминий, медь и титан не содержат железа, поэтому они являются отличными примерами цветных сплавов.
Основными компонентами этого сплава являются углеродистая сталь, содержащая не менее 90% железа, и нержавеющая сталь, содержащая от 70 до 80% железа. Для классификации как нержавеющая сталь необходимо добавить не менее 11,5% хрома. Уровни хрома выше этого минимального порога способствуют образованию пленок оксида хрома на поверхности стали и предотвращают образование окисления, такого как ржавчина (оксид железа) или коррозия, вызванная химическим воздействием.
Нержавеющая сталь в основном делится на три группы: аустенит, феррит и мартенсит. Их название происходит от кристаллической структуры, из которой они состоят при комнатной температуре. Другая распространенная группа — дуплексная нержавеющая сталь, представляющая собой баланс феррита и аустенита в кристаллической структуре.
Аустенитные марки стали серии 300 содержат от 16% до 30% хрома и от 8% до 40% никеля, образуя преимущественно аустенитную кристаллическую структуру. Для повышения соотношения аустенит-феррит в процессе выплавки стали добавляют стабилизаторы, такие как никель, углерод, марганец и азот. К распространенным маркам относятся 304, 316 и 347. Обладают хорошей коррозионной стойкостью; в основном используются в пищевой, химической, фармацевтической и криогенной промышленности. Контроль образования феррита обеспечивает превосходную ударную вязкость при низких температурах.
Ферритная нержавеющая сталь — это марка 400-й серии, полностью магнитная, содержащая от 11,5% до 30% хрома и имеющая преимущественно ферритную кристаллическую структуру. Для стимулирования образования феррита в процессе производства стали используются стабилизаторы, такие как хром, кремний, молибден и ниобий. Эти типы нержавеющей стали широко используются в автомобильных выхлопных системах и электростанциях и имеют ограниченное применение при высоких температурах. К числу наиболее распространенных типов относятся 405, 409, 430 и 446.
Мартенситные марки, также обозначаемые серией 400, например, 403, 410 и 440, являются магнитными, содержат от 11,5% до 18% хрома и имеют мартенситную кристаллическую структуру. Эта комбинация имеет самое низкое содержание золота, что делает их наименее дорогими в производстве. Они обладают некоторой коррозионной стойкостью, превосходной прочностью и широко используются в столовых приборах, стоматологическом и хирургическом оборудовании, кухонной утвари и некоторых видах инструментов.
При сварке нержавеющей стали тип подложки и область ее применения определяют выбор подходящего присадочного металла. При использовании процесса газовой защиты может потребоваться уделить особое внимание составам защитных газов для предотвращения определенных проблем, связанных со сваркой.
Для пайки стали марки 304 вам понадобится электрод E308/308L. Буква «L» означает низкое содержание углерода, что помогает предотвратить межкристаллитную коррозию. Содержание углерода в этих электродах ниже 0,03%; любое превышение этого значения увеличивает риск осаждения углерода на границах зерен и его соединения с хромом с образованием карбидов хрома, что эффективно снижает коррозионную стойкость стали. Это становится очевидным, если коррозия происходит в зоне термического воздействия (ЗТВ) сварных соединений из нержавеющей стали. Еще одним важным моментом для нержавеющей стали марки L является то, что она имеет более низкую прочность на растяжение при повышенных рабочих температурах, чем нержавеющая сталь прямого действия.
Поскольку сталь 304 является аустенитной нержавеющей сталью, соответствующий сварочный металл будет содержать большую часть аустенита. Однако сам электрод будет содержать стабилизатор феррита, например, молибден, для стимулирования образования феррита в сварочном металле. Производители обычно указывают типичный диапазон количества феррита в сварочном металле. Как упоминалось ранее, углерод является сильным стабилизатором аустенита, и по этим причинам крайне важно предотвратить его добавление в сварочный металл.
Ферритные числа определяются по диаграммам Шеффлера и WRC-1992, которые используют формулы эквивалентов никеля и хрома для расчета значения, которое при нанесении на диаграмму дает нормированное число. Ферритное число от 0 до 7 соответствует объемному проценту кристаллической структуры феррита, присутствующей в сварочном металле; однако при более высоких процентах ферритное число увеличивается быстрее. Следует помнить, что феррит в нержавеющей стали — это не то же самое, что феррит углеродистой стали, а фаза, называемая дельта-ферритом. Аустенитная нержавеющая сталь не имеет фазовых превращений, связанных с высокотемпературными процессами, такими как термообработка.
Образование феррита желательно, поскольку он более пластичен, чем аустенит, но его необходимо контролировать. Низкое содержание феррита может обеспечить сварные швы с отличной коррозионной стойкостью в некоторых областях применения, но при этом они чрезвычайно склонны к горячему растрескиванию во время сварки. Для обычных условий эксплуатации содержание феррита должно быть от 5 до 10, но для некоторых применений могут потребоваться более низкие или более высокие значения. Наличие феррита легко проверить на рабочем месте с помощью индикатора феррита.
Поскольку вы упомянули о проблемах с растрескиванием и низком ферритном слое, вам необходимо внимательно изучить присадочный материал и убедиться, что он обеспечивает достаточное количество феррита – около 8 должно помочь. Кроме того, если вы используете дуговую сварку порошковой проволокой (FCAW), в качестве присадочного материала обычно используется защитный газ из 100% диоксида углерода или смесь 75% аргона и 25% CO2, что может привести к поглощению углерода в сварочном шве. Возможно, вам стоит перейти на газовудуговую сварку (GMAW) и использовать смесь 98% аргона и 2% кислорода, чтобы уменьшить вероятность поглощения углерода.
Для сварки нержавеющей стали с углеродистой сталью необходимо использовать присадочный материал E309L. Этот присадочный металл специально используется для сварки разнородных металлов и образует определенное количество феррита после растворения углеродистой стали в сварном шве. Поскольку некоторое количество углерода абсорбируется в углеродистой стали, в присадочный металл добавляют стабилизаторы феррита, чтобы противодействовать склонности углерода к образованию аустенита. Это поможет предотвратить термическое растрескивание при сварке.
В заключение, если вы хотите избежать горячих трещин в сварных соединениях из аустенитной нержавеющей стали, убедитесь в достаточном количестве ферритного припоя и соблюдайте правила сварки. Поддерживайте тепловую мощность ниже 50 кДж/дюйм, поддерживайте умеренные или низкие температуры между проходами и убедитесь, что паяные соединения не загрязнены перед пайкой. Используйте соответствующий измерительный прибор для проверки количества феррита в сварном соединении, ориентируясь на значение от 5 до 10.
Журнал WELDER, ранее известный как Practical Welding Today, рассказывает о реальных людях, которые производят продукцию, которую мы используем и с которой работаем каждый день. Этот журнал служит сварочному сообществу Северной Америки уже более 20 лет.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала The FABRICATOR, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Цифровая версия журнала The Tube & Pipe Journal теперь полностью доступна, обеспечивая легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.
Получите полный доступ к цифровой версии журнала STAMPING Journal, в котором представлены последние технологические достижения, лучшие практики и новости отрасли для рынка штамповки металла.
Теперь, благодаря полному доступу к цифровой версии журнала The Fabricator en Español, вы получаете легкий доступ к ценным отраслевым ресурсам.