Свариваемость высокохромистых сталей

Свариваемость высокохромистых сталей

Выбор электродов для их сварки

Высокохромистые стали в зависимости от содержания в них углерода и хрома имеют либо однофазную мартенситную или ферритную структуру, либо промежуточную двухфазную - феррито-мартенситную. Это определяет их свойства и назначение, а также сопряжено с различными трудностями при сварке, что требует разного подхода к выбору электродов и технологии сварки.

При содержании в стали более 12,5% хрома (выше порога устойчивости) она приобретает стойкость против атмосферной коррозии и в слабо агрессивных средах. Поэтому марки, содержащие 13% хрома, называются нержавеющими. Наиболее распространенные стали этой группы - 08X13, 12X13, 20X13 - существенно различаются между собой по свариваемости в зависимости от содержания углерода.

В структуре стали 08X13 содержится значительное количество свободного феррита и она относится к полуферритному классу (по ГОСТ 5632 - 72 - к ферритному классу). Сталь 12X13 содержит до 10% феррита и относится к мартенсито-ферритному классу, а 20X13 и с более высоким содержанием углерода относятся к мартенситному классу.

Мартенситные и мартенсито-ферритные высокохромистые стали весьма склонны при сварке к закалке и образованию холодных трещин, поэтому они свариваются с предварительным подогревом (кроме 08X13) до температуры 250-300 °С (для 12X13) и 300-400°С (для 20X13, 30X13 и др.) с обязательным отпуском непосредственно после сварки при температуре 700 - 740 °С. Низкоуглеродистая полуферритная сталь 08X13 сваривается без подогрева при минимальной погонной энергии дуги с охлаждением до температуры ниже 100 °С после наложения каждого валика для предотвращения чрезмерного роста зерна и снижения ударной вязкости в околошовной зоне сварного соединения. Изменения термического цикла сварки не одинаково влияют на сопротивление образованию холодных трещин высокохромистых сталей. Для 20X13 увеличение скорости охлаждения металла шва с 15° до 180 °С/с в интервале температур 600 - 500° С монотонно снижает сопротивляемость образованию холодных трещин, а для 08X13 и 12X13 - холодные трещины возникают при скорости охлаждения более 15°С/с.

Содержание углерода в количестве 0,1 - 0,2% в мартенситной (20X13) и мартенсито-ферритной (12X13) сталях обусловлено необходимостью ограничения в структуре зоны термического влияния количества свободного феррита, образование которого повышает хрупкость сварных соединений, неустраняемой последующей термической обработкой.

Улучшение свариваемости высокохромистых сталей с 13% хрома достигнуто уменьшением количества углерода с одновременным легированием никелем.

При выборе электродов для сварки высокохромистых нержавеющих сталей требуется обеспечивать следующие основные свойства наплавленного металла и металла шва:

  • стойкость против атмосферной коррозии и в слабо агрессивных жидких средах;
  • жаростойкость до температуры 650 °С;
  • жаропрочность до температуры 550 °С.

Этим условиям удовлетворяет металл, наплавленный электродами типа Э-12Х13 (марки ЛМЗ-1, АНВ-1 и др.), который имеет химический состав, структуру и свойства, близкие к сталям этой группы.

Для сварки сталей с пониженным содержанием углерода и дополнительно легированных никелем рекомендуются электроды типа Э-06Х13Н (марка ЦЛ-41). Наряду с этим, более высокая стойкость металла шва и зоны термического влияния против образования холодных трещин в сварных соединениях коррозионностойких закаливающихся сталей (06Х12НЗД и др.) достигается при использовании электродов марки ЦЛ-51, обеспечивающих наплавленный металл с большим, чем у электродов ЦЛ-41 содержанием никеля (до 2,5%) и более низким содержанием углерода.

С повышением содержания хрома в высокохромистых сталях возрастает их коррозионная стойкость и жаростойкость. Стали, содержащие 17 - 18% хрома, обеспечивают возможность их эксплуатации в жидких средах средней агрессивности, поэтому они относятся к кислотостойким (12X17, 08Х17Т, 08Х18Т1 и др.). Дальнейшее увеличение содержания хрома до 25 - 30% придает им стойкость против газовой коррозии (жаростойкость) при температуре 1100 °С, поэтому они относятся к жаростойким (15Х25Т, 15X28 и др.). Для серосодержащих сред (крепких щелоков сернистого натрия и др.) пригодны стали и электроды, содержащие не менее 25% хрома.

Кислотостойкие и жаростойкие стали, содержащие от 17 до 30% хрома, содержат, как правило, небольшое количество углерода и имеют однофазную ферритную структуру с невысокими механическими свойствами.

Основным недостатком высокохромистых ферритных сталей является их неудовлетворительная свариваемость, т. к. под воздействием термического цикла сварки в металле околошовной зоны происходит чрезмерный рост зерен феррита, резко снижается ударная вязкость и возникает склонность к межкристаллитной коррозии.

Установлены 3 области опасных температур, в диапазонах которых происходит охрупчивание и появление склонности к межкристаллитной коррозии ферритных сталей при сварке:

  • 1000 °С - Ts (до температуры солидуса);
  • 550 - 850 °С (сигматизация);
  • 400 - 550 °С (475-градусная хрупкость).

Рост зерна и связанная с этим хрупкость металла околошовной зоны ферритных сталей, возникающие под влиянием кратковременного воздействия термического цикла сварки, не устраняются последующей термической обработкой сварных соединений. Склонность к межкристаллитной коррозии может восстанавливаться отпуском после сварки при температуре 700 - 740 °С с быстрым охлаждением.

Худшей свариваемостью обладают ферритные стали, не содержащие карбидообразующих элементов или с недостаточным их содержанием. Для повышения стойкости ферритных сталей против межкристаллитной коррозии в них вводят преимущественно титан (реже ниобий) для связывания углерода в карбиды и карбонитриды в количестве Ti/C > 5. При этом для гарантии необходимое количество титана значительно превышают. Принято, что при содержании в 08Х17Т титана в количестве 0,6 - 1,0% (при Ti/C = 7,5 - 12,5) происходит охрупчивание стали при сварке вследствие образования эвтектики обогащенной титаном вблизи линии сплавления, а также, возможно, выделения ферритотитанидов. Следовательно, чрезмерно высокое содержание карбидообразующих элементов в высокохромистых ферритных сталях также отрицательно влияет при сварке на ударную вязкость металла околошовной зоны, как и их недостаточность.

Улучшение свариваемости высокохромистых ферритных сталей достигается снижением суммарного содержания в них углерода и азота. Установлено, что в сталях, содержащих 25% хрома, с суммарным содержанием углерода и азота до 0,198% резко снижается температура перехода в хрупкое состояние и после воздействия термического цикла сварки находится в интервале отрицательных температур. При этом обеспечивается также стойкость против межкристаллитной коррозии при испытании по методу АМУ ГОСТ 6032 - 89.

Нагревом в вакууме можно получить металл с ограниченным количеством углерода и азота. Снижение порога хладноломкости ферритных сталей, содержащих 15 - 30% хрома, в область отрицательных температур достигается при их выплавке вакуумно-индукционным способом. Однако улучшение свариваемости ферритных сталей путем повышения их чистоты (с минимальным содержанием углерода, азота и кислорода) усложняет технологию ее изготовления и существенно повышает стоимость. Поэтому изыскиваются и предлагаются другие более экономичные способы.

Предложен способ модифицирования ферритных сталей нитридами ванадия. Разработана ферритная сталь 03Х18Ф, которая, в отличие от не модифицированных, приобретает удовлетворительную ударную вязкость и стойкость против межкристаллитной коррозии после сварки и дополнительного отпуска при 900 °С. Это объясняется тем, что введение нитридов ванадия в высокохромистую ферритную сталь является эффективным способом перераспределения карбонитридных фаз от границ в объем зерна.

Улучшение свариваемости низкоуглеродистых ферритных сталей достигнуто также комплексным легированием титаном (0,3 - 0,5%), ванадием (0,2 - 0,4%) и азотом (0,03 - 0,04%). Совместное легирование титаном, ванадием и азотом влияет более эффективно, чем легирование каждым элементом в отдельности. На основе комплексного легирования разработана удовлетворительно сваривающаяся марка 04Х19АФТ. Положительное влияние азота в данном случае объясняется тем, что при нагреве до температуры 1100 °С карбиды и карбонитриды ванадия растворяются в железе, а азот переходит в твердый раствор, что приводит к расширению двухфазной (α + у) области и в структуре стали появляется аустенитная составляющая.

Охрупчивание высокохромистых ферритных сталей в интервале температур 400 - 500 °С (475-градусная хрупкость) изучалась многими исследователями, однако причина этого явления до сих пор является предметом дискуссии, т. к. все гипотезы, связанные с образованием и обособлением в феррите различных дисперсных фаз, а также с внутрифазовыми процессами без выделения избыточных фаз, не имеют исчерпывающих экспериментальных доказательств.

Некоторые исследователи считают, что 475-градусная хрупкость является латентной стадией образования σ - фазы, при которой происходит «внутрифазовый наклеп», связанный с появлением напряжений.

Это противоречит тому, что 475-градусная хрупкость характеризуется метастабильным состоянием и не сопровождается изменением параметров кристаллической решетки феррита.

Известно, что решающее значение в проявлении склонности к 475-градусной хрупкости ферритных сталей имеет концентрация хрома, с увеличением которой склонность возрастает. Дополнительное легирование молибденом и алюминием не оказывает влияния на 475-градусную хрупкость сталей, содержащих 17% хрома, и ускоряет проявление хрупкости у содержащих 25% хрома.

При выборе электродов для сварки высокохромистых сталей ферритного класса необходим различный подход в зависимости от содержания хрома.

Для сварки конструкций из ферритных сталей, содержащих 17% хрома, к которым предъявляются требования по коррозионной стойкости в жидких окислительных средах или по жаростойкости при температуре до 800 °С, ГОСТ 10052 - 75 регламентирует электроды типа Э-10Х17Т (марки ЦЛ-10, ВИ-12-6 и др.), обеспечивающие наплавленный металл, который удовлетворяет указанным требованиям.

Применение электродов, однородных по химическому составу с ферритными сталями, содержащими 25 - 30% хрома, не рекомендуется, т. к. сварные швы с таким содержанием хрома имеют низкую пластичность и, особенно, ударную вязкость, а также высокую склонность к межкристаллитной коррозии. ГОСТ 10052 - 75 не предусматривает электроды ферритного класса такого типа.

Поэтому для сварки ферритных сплавов, содержащих 25% хрома и более, рекомендуются хромоникелевые феррито-аустенитные электроды типа Э-08Х24Н6ТАФМ, обеспечивающие после отпуска наплавленный металл с высокой пластичностью и ударной вязкостью, а также стойкий против межкристаллитной коррозии при испытании по методу AM ГОСТ 6032-89.

Сварку высокохромистых ферритных сплавов следует выполнять при умеренных режимах, т. к. уменьшение погонной энергии способствует снижению порога хладноломкости ферритных сталей.

Рекомендуется после наложения каждого валика охлаждать металл околошовной зоны соединения до температуры ниже 100 °С, что обеспечивает минимальный рост зерен.

Высокохромистые жаропрочные стали на основе 13% хрома с дополнительным легированием молибденом, ванадием, вольфрамом и ниобием имеют мартенситную или мартенсито-ферритную структуру с содержанием до 15% свободного феррита. Введение вышеперечисленных легирующих элементов способствует увеличению содержания ферритной фазы, что снижает жаропрочность стали. Поэтому для предотвращения образования в структуре избыточного количества феррита в жаропрочных сталях, содержание хрома снижено до 10 - 12%. Эти стали имеют замедленную кинетику структурных превращений вследствие большой устойчивости аустенита, склонны при сварке к образованию в металле шва и околошовной зоне хрупкой мартенситной структуры даже при относительно малых скоростях охлаждения от высоких температур. Мартенситные превращения для этих сталей находятся в интервале температур 260 - 360°С (начало) и 10 - 240 °С (завершение). Для исключения возможности образования трещин при сварке высокохромистых жаропрочных сталей необходим высокий предварительный подогрев до температуры 300 - 400 °С с обязательным отпуском при температуре 700 - 740 °С (2 - 5 ч) после подстуживания до 150 - 100 °С для прохождения мартенситного превращения.

Медленное охлаждение до комнатной температуры и последующий отпуск допускается только для конструкций с толщиной свариваемых элементов до 20 - 25 мм. Отпуск высокохромистых сварных соединений непосредственно после сварки без промежуточного охлаждения не рекомендуется, т. к. при этом в металле шва и в околошовной зоне образуется грубая крупнозернистая структура с низкой пластичностью и ударной вязкостью. Наряду с этим при чрезмерно высоком подогреве и сварке высокохромистыми электродами с большой погонной энергией (большом тепловложении) появляется опасность образования в металле шва избыточного структурно свободного феррита, наличие которого более 5% сдвигает порог хладноломкости металла швов в область положительных температур с резким снижением ударной вязкости до 10 - 20 Дж/см2. Высокохромистый мартенсито-ферритный металл шва склонен также к образованию горячих кратерных трещин, особенно в корневых слоях при наличии зазоров. Поэтому при сварке кратеры должны выводиться на фаску свариваемых элементов соединения, а при появлении кратерных трещин они должны удаляться механическим способом. Сварка мартенситных и мартенситно-ферритных высокохромистых сталей должна выполняться только при положительной температуре окружающего воздуха.

При выборе электродов для сварки высокохромистых жаропрочных сталей основным требованием является обеспечение необходимого уровня жаропрочности металла шва. Это достигается при оптимальном легировании наплавленного металла, близкого по составу основному металлу, при условии содержания в нем не более 5% структурно свободного феррита. Этим условиям наиболее полно отвечают электроды типов: Э-12Х11НМФ (марка КТИ-9А), Э-12Х11НВМФ (марка КТИ-10), Э-14Х11НВМФ (марка ЦЛ-32) по ГОСТ 10052-75.

0 Комментарии к "Свариваемость высокохромистых сталей"

Написать комментарий

Ваше имя:
 
Ваш комментарий:
Примечание: HTML не переводится!