2.3.3. Свариваемость высоколегированной стали аустенитного класса

В современной промышленной практике широко используются раз-личные марки высоколегированных аустенитных сталей (преимущест-венно в виде хромоникелевых). Они применяются в азотной промыш-ленности, производстве серной и фосфорной кислот, производстве искус-ственного волокна, в авиации, ракетной технике, судостроении, угольной и нефтяной промышленности, в котло- и турбостроении, в атомной про-мышленности, приборостроении и т.д.

Отличительная особенность этих сталей состоит в том, что они сочетают высокую прочность с чрезвычайно высокой пластичностью в широком диа-пазоне температур. Как и хромистые стали, они обладают высокой корро-зионной стойкостью в различных агрессивных средах, но в отличие от хро-мистых сталей им присуща и жаропрочность, т. е. способность работать в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение длительного времени. Такое сочетание ценных свойств обеспечивается введением в хро-мистую нержавеющую сталь никеля, который нейтрализует действие хрома как ферритообразователя и способствует получению устойчивой одно-родной структуры аустенита.

Кроме этих двух основных компонентов, хромоникелевые стали содер-жат и другие легирующие элементы, улучшающие их свариваемость и эксплуатационные свойства; такими элементами могут быть титан, ниобий, кремний, марганец, алюминий, медь, молибден, вольфрам и др.

По содержанию хрома и никеля различают две группы хромоникелевых аустенитных сталей:

а) стали типа 18-8 (IXI8H9T, Х18Н11Б, XI8HI2M2T и др.). Эти стали являются нержавеющими и кислотостойкими, сохраняют свои свойства до температур 700…750 °С, а при непродолжительной работе — и до более высоких температур;

б) стали типа 25-20 (Х25Н20С2, X23HI8, X23HI3 и др.). Эти стали окалиностойкие и жаропрочные, могут работать в условиях газовой cреды при температурах до II00...II50 °С.

При оценке свариваемости хромоникелевых аустенитных сталей следует прежде всего иметь в виду, что они не подвержены фазовым превращениям, поэтому отпадают затруднения при сварке, связанные с появлением в зоне термического влияния структурных напряжении, и снижается опасность воз-никновения холодных трещин.

Основные факторы, затрудняющие сварку аустенитных хромоникелевых сталей, следующие:

а) низкая стойкость металла шва к образованию кристаллизационных (горячих) трещин;

б) возможная потеря коррозионной стойкости металла;

в) усиление охрупчивания металла сварного соединения в процессе экс-плуатации;

г) возникновение пор в наплавленном металле.

Повышенная склонность наплавленного металла с аустенитной структу-рой к образованию кристаллизационных (горячих) трещин при сварке объяс-няется следующими причинами:

1) теплофизическими особенностями аустенитного металла (пониженная теплопроводность, повышенный коэффициент теплового расширения, что повышает напряжения в металле шва и способствует крайне неравномер-ному их распределению);

2) грубым дендритным строением первичной структуры, что связано с от-сутствием структурных превращений в процессе охлаждения;

3) наличием легкоплавкой эвтектики, например, , температура плавления которой 645 °С, которая располагается по границам зерен и по-этому получила название межкристаллитной прослойки.

Для предупреждения кристаллизационных (горячих) трещин в металле шва с аустенитной структурой используют следующие меры:

а) создают условия образования аустенитно-ферритной структуры и из-мельчения зерна. С этой целью используют хром, молибден, ниобий, титан, кремний, алюминий, цирконий, ванадий, вольфрам и др. элементы, которые являются ферритизаторами и уменьшают или ограничивают содержание элементов-аустенизаторов (углерода, марганца, азота, меди, кобальта);

б) дополнительно легируют металл (элементами, указанными выше)

в) применяют технологические меры, в частности, предварительный на-клеп свариваемых кромок.

Коррозионная стойкость сварных соединений. При сварке хромоникеле-вых сталей межкристаллитная коррозия может возникать на следующих участках сварного соединения:

а) в основном металле на некотором расстоянии от шва;

б) в наплавленном металле;

в) непосредственно по границе сплавления.

Причины, вызывающие процесс коррозии на отдельных участках свар- ного соединения, различны.

Появление очагов коррозии в основном металле связано с дли-тельностью пребывания металла в интервале температур 450...850 °С. При этих температурах возможно выпадение из аустенита комплексных кар-бидов железа и хрома. Периферийные участки обедняются хромом и по границам зерен возникает коррозия, приводящая к разрушению металла.

К числу наиболее эффективных мер борьбы с межкристаллитной корро- зией относятоя следующие:

1) снижение содержания углерода в основном металла;

2) легирование основного металла более сильными карбидообразова- телями чем хром, например, титаном или ниобием;

3) закалка на гомогенный (однородный) твердый раствор, что позволяет получать однородный аустенит (повторный нагрев в области температур 730…750°С снова приводит к выпадению из аустенитного раствора карбидов хрома и, следовательно, к межкристаллитной коррозии);

4) стабилизирующий (диффузионный) отжиг: нагрев металла до темпе- ратуры 850...900°С в течение 2…3 часов с последующем охлаждением на спокойном воздухе. За счет диффузии происходит выравнивание содер-жания хрома в объеме зерен аустенита и металл становится нечувст-вительным к межкристаллитной коррозии;

5) применение режимов сварки с малыми значениями погонной энергии.

Межкристаллитная коррозия в металле шва может быть вызвана наличием карбидов хрома по границам зерен или низкой стойкостью металла к воздействию опасных температур в процессе эксплуатации свар-ного соединения.

Для получения металла шва, стойкого против межкристаллитной корро- зии, кроме указанных выше мер, целесообразно создавать аустенятно-фер- ритнуто структуру. Скорость диффуции хрома в феррите значительно выше чем в аустените, вследствие чего происходит диффузионное выравнивание содержания хрома в зернах и на их границах и металл приобретает высокую стойкость против межкристаллитной коррозии.

Межкристаллитная коррозия основного металла вблизи границы сплав- ления называется ножевой коррозией, так как поражает очень узкую полоску металла, нагретого при сварке до температур более I200...I250 ^оC.

Эффективными мерами борьбы с этим опасным видом разрушения металла является стабилизирующий (диффузионный) отжиг сварных соеди-нений и повышенные скорости охлаждения металла околошовной зоны.

Охрупчивание металла шва и сварного соединения в процессе экоплуа- тации. Под действием рабочих температур и напряжений в сварном соеди-нении из хромоникелевой стали может возникать охрупчивание металла. Причина этого явления заключается в. том, что, с одной стороны, в металле шва может появляться немагнитная составляющая структуры, которая была названа — фазой. Сигма-фаза представляет собой интерметаллид (соеди-нение металла с металлом, например, и др.), имеющие переменный со-став, сложную кристаллическую решетку и высокую хрупкую твердость (600...800 кГ/мм²). Для борьбы с сигматизацией производят нагрев металла шва до температур I000...II50°C с выдержкой при этой температуре примерно в течение I часа и последующим быстрым охлаждением. При такой обра-ботке сигма-фаза полностью растворяется в аустените и металл шва стано-вится невосприимчивым к воздействию опасных температур.

С другой стороны, охрупчивание металла шва может происходить в ре-зультате длительного нагрева в интервале температур 325...525 °С, и осо-бенно при температуре порядка 425 °C. Природа этого явления пока еще не вполне выяснена. Это явление названо сигма-старением. Основными мерами предупреждения и борьбы с сигма-старением являются понижение содержа-ния феррита в металле до 2...5% и термическая обработка металла шва, аналогичная борьбе с сигматизацией.

Предупреждение порообразования при сварке аустенитных сталей. При сварке хромоникелевых аустенитных сталей причиной появления пор является водород, обладающий высокой растворимостью в аустените и незначительной скоростью диффузии. Для предупреждения водородной по-ристости в зону сварки необходимо вводить небольшое количество кис-лорода для чего используется рутил (если шов аустенитно-ферритный) или высшие окислы марганца, железа (если шов аустенитный).