5.3.2 Сварка аустенитных сталей

Высоколегированные аустенитные стали и сплавы обладают комплексом положительных свойств. Поэтому одну и ту же марку стали иногда можно использовать для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких хладостойких, жаропрочных и т. д. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различную технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т. д.), направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

С точки зрения низкотемпературной техники высоколегированный стали должны обеспечить хладо- и коррозионную стойкость. Исходя из этих требований, назначают технологию сварки. В основном в низкотемпературной технике для изготовления изделий применяют стали 0Х18Н10Т, 20Х23Н18. Основные свойства сталей приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1

Теплофизические свойства хромоникелевых аустенитных сталей

Свойства	Сталь типа
	18-8	20-18
Температура плавления, оC	1400-1425	1388-1410
Плотность, г/см3	7,90	7,82
Теплоемкость, кДж/кгК	0,50	0,50
Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК)	16,3	16,1
Коэффициент линейного расширения α106, 1 /оC, при нагреве: от 0 до 100 0C от 0 до 500 0C	17,3 18,5	15,0 18,0

Высоколегированные аустенитные стали используют как коррозионно-стойкие. Основное требова­ние, которое предъявляется к сварным соедине­ниям, — стойкость к различным видам коррозии. Различают межкристаллитную, ножевую и общую коррозию Механизм развития этих видов корро­зии одинаков. Однако причины возникновения названных видов коррозии различны.

Коррозионная стойкость объясняется наличием на поверхности металла плотной окисной пленки хрома. Причем такая пленка обеспечивается при содержании в металле хрома выше 13 %. При снижении содержания хрома в зерне ниже 13 % приведет к коррозии металла.

Межкристаллитная коррозия в металле шва воз­никает в результате выделения под действием термического цикла сварки из аустенита карбидов хрома, приводящее к местному обеднению границ зерен хромом. Основная причина этого — по­вышенное содержание в металле шва углерода и отсутствие или недостаточное содержание титана или ниобия. Неблагоприятный термический цикл сварки — длительное пребывание металла шва в интервале критических температур ( , рис. 5.19) приводит к появлению склонности к межкристаллитной коррозии шва. Шов может потерять стойкость против межкристаллитной корро­зии в результате воздействия критических температур при эксп­луатации изделия.

В целом зависимость м. к. к. от времени и температуры можно представить схемой ( рис. 5.19). Левая ветвь схемы (кривая 1) показывает температурно-временные условия появления в швах склонности к м. к. к. При температурах до 650 °С скорость обра­зования карбидов хрома возрастает за счет быстрой скорости диффузии углерода к границам зерен при небольшой скорости диффузии хрома из центра зерен. В результате время выдержки металла при рассматриваемой температуре до появления м. к. к. сокращает­ся и при температуре 650 °С достигает минимума и может достигать нескольких минут.

Повышение температуры, увеличивает скорость диффузии хрома из центра зерен, уменьшает местное обеднение границ зерен хромом и склонность швов к м. к. к. Выдержка стали в рассматриваемом интервале температур в течение _им и более, приводит к диффузионному вы­равниванию содержания хрома по объему зерна, способствует приобретению металлом повторной стойкости к м. к. к. (правая ветвь рис. 5.19 − кривая 2). Предупреждение склонности стали и швов к межкристаллит­ной коррозии достигается: снижением содержания углерода до пределов его растворимости в аустените (до 0,02 − 0,03 %), леги­рованием более энергичными, чем хром, карбидообразующими элементами (стабилизация титаном, ниобием, танталом, ванадием и др.); аустенитизацией (закалкой) с температур 1050 − 1100 °С, однако при повторном нагреве в интервале критических темпе­ратур (500 − 800 °С) сталь повторно приобретает склонность к межкристаллитной коррозии; стабилизирующим отжигом при тем­пературе 850 − 900° С в течение 2−3 ч; созданием аустенитно-ферритной структуры с содержанием феррита до 20−25 % путем дополнительного легирования хромом, кремнием, молибденом, алюминием и др. Однако такое высокое содержание в структуре феррита может понизить стойкость металла к общей коррозии. Эти же меры способствуют и предупреждению ножевой коррозии.

Ножевая коррозия имеет сосредоточенный характер и поражает основной металл. Этот вид коррозии развивается в сталях, стабилизированных титаном и ниобием, обычно в участ­ках, которые нагревались до температур выше 1250 °С. При этом карбиды титана и ниобия растворяются в аустените. Повторное тепловое воздействие на этот металл критических температур 500−800 °С (например, при многослойной сварке) приведет к со­хранению титана и ниобия в твердом растворе и выделению кар­бидов хрома.

Общая коррозия представляет собой растворение металла в коррозионной среде и может развиваться преимущественно в ме­талле шва, различных участках зоны термического влияния или пре­имущественно в основном металле. В некоторых случаях она может развиться равномерно в основном металле и сварном соединении.

При сварке коррозионно-стойких сталей различными способами для предупреждения межкристаллитной коррозии не следует до­пускать повышения в металле шва содержания углерода за счет загрязнения им сварочных материалов (графитовой смазки проволоки и т. д.), длительного и многократного пребывания металла сварного соединения в интервале критических темпе­ратур.

В связи с этим сварку необходимо выполнять при наимень­шей погонной энергии, используя механизированные способы сварки, обеспечивающие непрерывность получения шва. Повтор­ные возбуждения дуги при ручной сварке, вызывая нежелательное тепловое действие на металл, могут вызвать появление склонности его к коррозии. Следует при­нимать меры к ускоренному охлаждению швов.

Характерные для высоколегированных сталей теплофизические свойства определяют некоторые особенности их сварки. По­ниженный коэффициент теплопроводности, равный примерно 16 Вт/(мК) (для углеродистых сталей 40 Вт/(мК)) при рав­ных остальных условиях, значительно изменяет распределение температур в шве и околошовной зоне. Поэтому для уменьшения коробления изделий из высоколеги­рованных сталей следует применять способы и режимы сварки, характеризующиеся максимальной концентрацией тепловой энер­гии. Примерно в 5 раз более высокое, чем у углеродистых сталей.

Для соединения применяют сварку в среде защитного газа (арго, гелий) плавящимся и неплавящимся электродом, сварку под флюсом на форсированной скорости.