9. Зварюваність жароміцних аустенітних сталей і сплавів на нікелевій основі

Жароміцні аустенітні сталі відносяться до сплавів із задовільною зварюваністю. Але вони мають цілий ряд недоліків як в плані структуроутворення під час зварювання, так і в технологічному плані. Нарис. 291 показано мікроструктуру зварного з’єднання аустенітної сталі, а на рис. 292 показано макроструктуру шва після багатопрохідного зварювання залізонікелевого сплаву.

Рис. 291. Мікроструктура зварного з’єднання аустенітної жароміцної сталі, х 200.

Більшість недоліків співпадає з недоліками, які трапляються під час зварювання жаростійких сталей аустенітного класу (див. пункт З.2.), але жароміцні сталі мають свої особливості, тому що вони відрізняються,* по-перше, температурами експлуатації, а по- друге - кількістю легуючих елементів, які вводяться в сталь для створення дрібнодисперсних фаз, підвищуючих тривалу міцність при високих робочих температурах.

Основні труднощі, що виникають під час зварювання жароміцних сталей аустенітного класу, такі:

- утворюється транскристалітна структура швів, в центрі яких на стиках двох фронтів кристалізації може формуватись "зона слабкості" з чітко виявленою зональною ліквацією;

• проявляється схильність до утворення гарячих тріщин в швах і пришовних зонах;

• виникають лікваційні ділянки як в наплавленому металі поблизу межі сплавлення, так і в пришовній зоні основного металу;

• з'являється небезпека зниження жароміцних властивостей основного металу на певній відстані від межі сплавлення;

• підсилюється вірогідність появи холодних і теплих тріщин в ділянці ЗТВ, де температура нагрівання 500-700°С; це пов'язано з процесами старіння і виділеная крихких фаз.

Розглянемо схему можливої будови зони термічного впливу (ЗТВ) після зварювання хромонікелевих аустенітних сталей (рис. 293). В даному випадку ЗТВ розділена на декілька ділянок, які в

Рис. 292. Макроструктура шва залізонікелевого сплаву (ХН35ВТ) після багатопрохідного зварювання, х 7. (Зварювальна лабораторія "Турбоатома").

з

■

Т_н 7/1ЧОО 4200 4200 950 1.50 300 &0_} °С

б^уоаза

Рис. 293. Схема можливої будови ЗВТ після зварювання високолегованих хромонікелевих сталей (Л. С. Лівшиц).

алежності від відстані до межі сплавлення мають різні температури нагрівання. На ділянці (1) з температурою нагрівання вище 1300°С межі зерен збагачуються шкідливими домішками, які знижують температуру плавлення, тому може трапитись оплавлення цих меж. Одночасно повинно відбуватись подальше підвищення концентрації домішок поблизу меж за рахунок дифузії їх із середини зерен. Внаслідок цього під час зварювання стан меж зерен ділянки (1) може призвести до утворення гарячих тріщин. Після охолодження цей стан може стати причиною розтріскування, яке може відбуватися як через декілька годин, так і через деякий час в процесі експлуатації.

На ділянці (1), а також па ділянці (2) з температурою нагріву вище 1200°С, може трапитись таке явище, як розчинення карбідів легуючих елементів (Ті, N6, 2г, V, XV). Це призведе до втрати жароміцності ділянок (1) і (2), яке забезпечується дисперсними карбідними і інтерметалідними виділеннями при старінні. Крім того, розчинення карбідів призведе до погіршення властивостей цих ділянок ЗТВ під час експлуатації при температурах 450-700°С. Це пояснюється тим, що через деякий час в примежних об'ємах аустенітних зерен з'являються виділення надлишкових фаз (карбідів, інтерметалідів), крихких а-фаз, які сприятимуть переходу металу до крихкого стану і міжзеренному руйнуванню.

На ділянці (3) метал нагрівається до нижчих температур, ніж па ділянці (2), але дуже високих (>1000°С). Карбіди титану, ніобію та ванадію вже не можуть розчинятись в аустеніті, однак може йти

їх коагуляція, що буде знижувати жароміцність сталей з карбідним зміцненням.

На ділянці (4), що нагрівається до температур 750-950°С, можуть утворюватись карбіди хрому в тих сталях, де вуглець не пов'язаний в стійкі карбіди титану, вольфраму, ванадію. Карбіди хрому будуть виділятись по межах зерен і посилювати крихкість металу на цій ділянці.

На ділянці (5) метал нагрівається до 700-750°С. Тут може утворюватись крихка о-фаза і розвиватись 475-градусна крихкість.

Інтенсивність розвитку усіх вищевказаних перетворень в ЗТВ визначається хімічним складом сталей, умовами їх експлуатації та способами й режимами зварювання.

Знижують зварюваність аустенітних жароміцних сталей також їх фізичні властивості:

• низька теплопровідність (у 2,5 рази нижча, ніж сталей перлітного класу);

• майже повна відсутність магнітних властивостей;

• високий коефіцієнт теплового розширення (у 1,5 рази вищий, ніж у сталей перлітного класу);

• високий електроопір (майже у 3 рази більший, ніж сталей перлітного класу).

Жароміцні сталі проявляють підвищену чутливість до термічного циклу зварювання, потребуючи мінімального тепловкладепня під час проведення цього процесу. З підвищенням погонної енергії зварювання яскравіше проявляються всі недоліки структуроутворення в металі шва і ЗТВ, які викликають крихкість металу і руйнування. Окрім того, під час зварювання виникає небезпека значного жолоблення і появи високого рівня залишкових напружень.

Термічна обробка зварних з'єднань жароміцних сталей аустенітного класу частіше за все не проводиться, хоч вона може поліпшити структуру металу шва і зони термічного впливу. Цс пов'язано з труднощами проведення термообробки всього зварного виробу, а місцева термообробка буде сприяти утворенню нових ділянок в основному металі із структурою, яка викликає появу крихкості. Але в окремих випадках, після зварювання з великим тепловкладенням, коли сильно ушкоджується структура ЗТВ, термічна обробка проводиться. Вона складається з аустснізації при температурах 1050-1100°С і охолодження на повітрі. При цьому рекомендуються ефективні прискорені способи нагрівання (наприклад, індукційний з токами середньої частоти і автоматичною реєстрацією температури).

Під час зварювання складних вузлів теплоенергетичного обладнання, яке експлуатується в умовах статичних і циклічних навантажень при високих температурах, тисках, а також радіаційного впливу на атомних електростанціях, важливо дотримуватись правил, встановлених відповідними відомствами:

1. Зварювальні матеріали необхідно вибирати в залежності від категорії сталі, що зварюється. Так, при зварюванні сталі із співвідношенням (Сг:Мі)>1 рекомендується застосовувати аустенітно- феритні зварювальні матеріали, а при співвідношенні (Сг:№)<1 - тільки матеріали аустенітного класу.

2. Треба вибирати раціональну форму зварного з'єднання без підкладних кілець, яка б дозволяла одержувати суцільний зварний шов з необхідним проваром по всьому перетину при мінімальному об'ємі наплавленого металу і мінімальних розмірах ЗТВ.

3. Процес зварювання необхідно вести па мінімальних токових режимах з охолодженням кожного шару металу шва до 70-100°С.

4. Необхідно застосовувати багатопрохідний оборотноступін- частий спосіб виконання зварних швів.

5. Впроваджувати передові способи зварювання, при яких тепловий вплив на основний метал був би найменшим, а також створювався б надійний захист розплавленого металу від шкідливої дії кисню, азоту і водню повітря. Це газоелектричні способи зварювання тонким дротом, електронно-променеві, а також різні способи зварювання тиском.

6. Передбачати захист зварюємих деталей від бризків розплавленого металу, які являються причинами утворення поверхневих тріщин.

7. Ретельно обробляти механічними способами зварюємі кромки і прилеглі поверхні виробів, а також старанно очищати кожен наплавлений шар від шлаку і бризок розплавленого металу. На кожному валику слід видалити напливи і дефекти (газові пори, кратери).

8. Зварювання аустенітних сталей допускати при температурах повітря не нижче -20°С.

Сплави на основі нікелю після зварювання мають ті ж самі недоліки, що й хромонікелеві аустенітні сталі, але є деяка специфіка.

З метою боротьби з гарячими тріщинами і поруватістю ведеться очищення металу від шкідливих домішок, особливо сірки та фосфору, газів, або переведення їх у нерозчинні сполуки. Для цього можна використовувати РЗМ (У, Се), а також Са, 2г, які вводять у наплавляємий метал для очищення меж зерен від легкоплавких фаз, а також для утворення стійких сполук з газами. Ці сполуки являються додатковими центрами кристалізації і сприяють подрібненню і дезорієнтації зерен в металі шва, що підвищує пластичність наплавки.

Запитаний для самоперевірки

1. Які види корозії виникають в сталях, що працюють в агресивних середовищах?

2. Які групи нержавіючих і корозостійких сталей ви знаєте?

3. Що таке міжкристалітна корозія? Які існують способи легування сталей для зменшення схильності до її виникнення?

4. Вкажіть структуру сталей 20X13, 12X17, 12Х18Н9Т після нормалізації. Яка з них є найбільш корозостійка?

5. Яку термічну обробку проходять аустенітні корозостійкі сталі?

6. Які сталі застосовують для роботи при кріогенних температурах?

7. Що таке жаростійкість? Які шляхи підвищення жаростійкості?

8. Які вимоги пред'являються до жароміцних сталей? У чому сутність явища повзучості, тривалої міцності?

9. Які марки жароміцних сталей ви знаєте? Назвіть їх класи за структурою в нормалізованому стані.

10. Які жароміцні матеріали застосовують для роботи при температурах 500-560°С і 600-800°С?

11. Коли і для чого використовують жароміцні сплави на нікелевій основі?

12. Чому після зварювання сталей феритного і аустенітного класів зварні з’єднання в різних ділянках ЗТВ стають чутливими до міжкристалітної корозії? Як вирішується така проблема?

13. Які заходи необхідно прийняти, щоб запобігти утворенню холодних тріщин в ЗТВ після зварювання нержавіючих сталей з 13% хрому?

14. Які причини схильності зварних з'єднань хромонікелевих ко- розостійких сталей до утворення гарячих тріщин?

15. В зв'язку з якими факторами в хромонікелевих корозостійких сталях після зварювання може виникати крихкість, обумовлена виділенням .інтерметаліду - ст-фази?

16. Яку термічну обробку призначають зварним з'єднанням хромонікелевих корозостійких сталей з метою усунення небезпеки появи крихких фаз?

17. Яким чином підвищують жаростійкість зварних швів аустенітних сталей і сплавів на нікелевій основі?

18. Які труднощі, пов'язані із зміною структури в ЗТВ, трапляються під час зварювана теплостійких сталей перлітного класу?

19. З якою метою проводиться попередній і супутній підігрів при зварюванні теплостійких сталей перлітного класу?

20. Які види термічної обробки проводяться після зварювання теплостійких сталей перлітного класу і з якою метою?

21. Які марки жароміцних сталей відносяться до мартенситно-фе- ритного і мартенситного класів?

22. Чому під час зварювання жароміцних сталей мартенситно-фе- ритного і мартенситного класів виникає небезпека утворення холодних тріщин?

23. Які існують способи зміцнення аустенітних жароміцних сталей?

24. Яку термічну обробку призначають аустенітним жароміцним сталям з метою підвищення характеристик жароміцності?

25. Що собою представляють жароміцні сплави на основі нікелю?

26. Які основні труднощі виникають під час зварювання жароміцних сталей аустенітного класу?

27. Чому в окремих випадках при зварюванні аустенітних жароміцних сталей використовують аустенітно-феритні зварювальні матеріали?

28. Яку роль відіграють РЗМ, коли їх вводять у наплавлений метал зварних швів аустенітних жароміцних сталей?

29. Що таке аустенітно-мартенситні сталі і які особливості їх зварювання?

Список літератури

1. Акритов А.С., Силаева И.Е., Антонец Д.П., Белов В.В. Вли- яние високого отпуска на качество зони термического влияния при сварке низколегированних вьісокопрочних сталей. // Автоматичес- кая сварка, 1983, №3, с. 16-20.

2. Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сва- рочних процессов. - К.: Вища школа, 1976. - 424 с.

3. Белова Е.К. Металловедение в логических конспектах-схе- мах. - Киев.: УЛЕК ВО, 1990. - 84 с.

4. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов (в двух томах). - М.: Металлургия, 1968. - 1164 с.

5. Бернштейн М.Л., Займовский В.А. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1979. - 492 с.

6. Блантер М.Е. Металловедение и термическая обработка. - М.: Машгиз, 1963. -416 с.

7. Болховитинов Н.Ф. Металловедение и термическая обработка. - М.: Машгиз, 1958. - 431 с.

8. Бунин К.ГІ., Баранов А.А. Металлография. М.:Металлургия, 1979.-256 с.

9. Воловик Л.Д. Материаловедение. Конструкционная проч- ность материалов - Харьков.: ХИПИ, 1990. - 36 с.

10. Герман С.И. Злектродуговая сварка теплоустойчивих сталей перлитного класса. - М.: Машиностроение, 1972. - 200 с.

11. Горелик С.С. Рекристаллизация металлов и сплавов. - М.: Металлургия, 1977. - 388 с.

12. Грабин В.Ф. Металловедение сварки плавлепием. - К.: Наукова думка, 1982.-416 с.

13. Грабин В.Ф., Демисенко А.В. Металловедение сварки низко- и среднелегированннх сталей. - К.: Наукова думка, 1978. - 276 с.

14. Гривнях И.В. Свариваемость сталей. - М.: Машиностро- ение, 1984. - 216 с.

15. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. -

542 с.

16. Дяченко С.С. Образовапие аустенита в железоуглеродис- тих сплавах. - М.: Металлургия,!982. - 28 с.

17. Д яченко С.С., Рабухин В.Б. Физические основи прочности металлов. - Харьков: Висілая школа, изд. ХГУ, 1982. - 199 с.

18. Ефименко Н.Г. Применение редкоземельинх металлов в покрьітиях сварочньїх злєктродов. // Сварочное производство, 1980, №7, с. 28 - 29.

19. Ефименко Н.Г. О механизме влияния РЗМ на процесе кристализации и формирование первичной структури шва при свар- ке стали. // Сварочное производство, 1990, №7, с. 32 - 34.

20. Ефименко Н.Г., Стеренбоген Ю.А., Дорошенко Л.К., Васильєв В.Г. Влияние иттрия на температурний интервал кристал- лизации углеродистой стали. // Автоматическая сварка. 1990, №10, с. 45-47.

21. Ефименко Н.Г., Балан Л.Н. Влияние иттрия на диффузию углерода в сварньїх соединепиях. // Сварочное производство, 1988, №7, с. 32 - 36.

22. Ефименко Н.Г., Балан Л.Н., Бакакин Г.Н., Кафтанов С.В. Влияние иттрия на структуру металла шва при сварке плавлением. // Сварочное' производство, 1985, №4, с. 19-21.

23. Ефименко Н.Г., Калин Н.А. Раскисляющая способность редкоземельнмх металлов в сравнении с известньїми раскислителя- ми. // Сварочное производство, 1978, № 10, с. 1 - 2.

24. Закс И.А., Житников Н.П., Еремин В.Ю. Сварка конструк- ций из нержавеющих сталей повьішєиной прочности. - Л.: ЛДНТП, 1988.-24 с.

25. Захаров А.И. Диаграммм состояния двойньїх й тройньїх систем. - М.: Металлургия, 1978. - 295 с.

26. Земзин В.Н., Шрон Р.З. Термическая обработка и свойства сварньїх соединеиий. - Л.: Машипостроепие, 1978. - 367 с.

27. Золотаревский В.С. Механические свойства металлов. - М.: Металлургия, 1983. - 350 с.

28. Каменичньїй И.С. Спутник термиста. - К.: Техніка, 1978. -

230 с.

29. Каховский Н.И. Сварка вьісоколегированньїх сталей - Киев.: Наукова думка, 1975. - 324 с.

30. Ковбасенко С.Н. Сварщик - совремеиная профессия. - К.: Радянська школа, 1979. -110 с.

31. Любченко А.П., Кафтанов С.В., Ефименко Н.Г., Дощечки- на И.В. Исследование структури и свойств литой, углеродистой стали, легированной иттрием. // Известия АН СССР, Металльї, 1986, №5, с. 104- 109.

32. Козлов Р.А. О свариваемости теплоустойчивьіх сталей. // Сварочное производство, 1979, №2, с. ЗІ - 33.

33. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедепие. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

34. Левенберг Н.Е., Гермам С.И., Нетеса Е.М., Фомина О.П. Структура ЗТВ свармьіх соединений роторной стали 24Х2НМФА. // Металловедение и термическая обработка металлов, 1977, №12, с. 47-48.

35. Левенберг Н.Е., Герман С.И., Нетеса Е.М., Фомина О.П, Царюк А.К., Корниенко Т.А. О структуре зоньї термического влия- ния сварньїх соединений сталей 15X1 МІ ФЛ, 25Х2НМФА и 20ХН2МФА. // Автоматическая сварка, 1983, №6, с. 19-21.

36. Лившиц Б.Г. Металлография. -М.: Металлургия, 1971.-408 с.

37. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков. - М.: Машиностроение, 1979.-253 с.

38. Макара А.М., Новикова Д.П. Об особенностях мартенсит- ного и бейнитного превращений в легированньїх сталях при сварочньїх термодеформациониьіх циклах. // Автоматическая сварка, 1967, №10, с. 10- 15.

39. Макаров З.Л. Холодньїе трещинм при сварке легированньїх сталей. - М.: Машиностроение, 1981. - 247 с.

40. Материаловедепие (под общей редакцией Б.М. Арзамасо- ва). - М.: Машиностроение, 1986. - 383 с.

41. Марочник сталей и сплавов (под редакцией В.Г. Сороки- на). - М.: Машиностроение, 1972. - 250 с.

42. Медовар Б.И. Сварка жаропрочньїх аустенитньїх сталей и сплавов. - М.: Машиностроение, 1966. - 430 с.

43. Медовар Б.И. Сварка кислотостойких аустенитньїх сталей: Общественньїй уннверситет НТО Машпром. - М.: ВИНИТИ, 1959. - 68 с.

44. Металлография железа. Т.2. Структура сталей (с атласом микрофотографий) (пер. с англ. Под ред. Ф.Н. Тавадзе). - М.: Металлургия, 1972. - 478 с.

45. Миходуй Л.И. Сварка вьісоколегированньїх сталей. Обзор. - Києв.: ИЗС им. Е.О. Патона, 1991. - 44 с.

46. Мусияченко В.Ф., Миходуй Л.И. Дуговая сварка вьісоко- прочньїх легированньїх сталей. - М.: Машиностроение, 1987. - 80 с.

47. Навроцкий И.В. Материальї знергетических установок. - Харьков. УЗПИ, 1980. - 39 с.

48. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. - М.: Металлургия, 1986. - 480 с.

49. Паисов И.В. Термическая обработка стали и чугуна - М.: Металлургия, 1970. - 264 с.

50. Перкас М.Д. Структура, свойства и области применений вьісокопрочньїх мартенситно-стареющих сталей. Университет тех- иического прогресса в машииостроении НТО Машпром. - М.: Ма- шиностроение, 1986.-78 с.

51. Ратнер А.В. Арматура для пара сверхвьісоких параметров. - М.: Знергия, 1965 - 255 с.

52. Радзивилова Н.А. Металлография сварньїх соединений. Конспект лекций. -Харьков: УЗГ1И, 1980. -41с.

53. Рахманов А.С., Сбарская Н.П., Флакс ІІ.М. Сварка плавле- нием термически упрочненньїх низколегированпьіх сталей. Университет техниче'ского прогресса в машииостроении. - М.: Машино- строепие, 1982. - 64 с.

54. Россошинский А.А. Металлография сварньїх швов. - М.: Машгиз, 1961.- 205 с.

55. Рьїкалин Н.Н. Расчет теплових процессов при сварке. В кн. Справочник по сварке. - М.: Машгиз, 1961, т.1, с. 1 - 50.

56. Савчепко В.С., Ющенко К.А., Саволей Н.И. Некоторьіе за- кономерности формировапия структури и образования горячих третин при сварке високолегированних сталей. // Автоматическая сварка, 1988, №6, с. 19-23.

57. Сварка в машииостроении. Справочник (под редакцией Акулова А.И.). - М.: Машиностроение, 1978. - 462 с.

58. Сварка и свариваемне материали. Справочник. Т.1. Свари- васмость материалов (под редакцией З.Л. Макарова). - М.: Металлургия, 1991. - 525 с.

59. Сефериан Д.-Металлургия сварки. - М.: Машиностроение, 1963.-345 с.

60. Стсклов О.И. Прочность сварньїх конструкций в агрессив- них ередах. - М.: Машиностроение, 1976. - 200 с.

61. Стеклов О.И., Григорьянц А.Г., Шип В.В. Физические про- цессн в металлах при сварке. Учебное гіособие. - М.: МВТУ им. Баумана, 1982. - 85 с.

62. Техіїология механизированной дуговой и злектрошлаковой сварки (авт.: Н.И. Каховский, Ю.Н. Готальский, В.Е. Патон, А.А. Трущен-

ко). - М.: Вьісшая школа, 1972. - 368 с.

63. Технология злектрической сварки металлов и сплавов плавлением (под редакцией акад. Б.Е. Патона). - М.: Машинострое- ние, 1974. - 768 с.

64. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение М.: Ме- таллургия, 1989. - 384 с.

65. Ульянин Е.А., Свистунова Т.В., Левин Ф.Л. Вьісоколеги- рованньїе коррозионностойкие сплавьі (под редакцией акад. Я.М. Колотьіркина). - М.: МетаЯлургия, 1987. - 88 с.

66. Фридман Л.Б. Механические свойства металлов. Т.2. - М: Машиностроеиие, 1974. - 360 с.

67. Хори Ф. Атлас структур сварньїх соединений. - М.: Ме- таллургия, 1977. - 288 с.

68. Хромченко Ф.А. Сварка оборудования злектростанций. Справочник. - М.: Знергия, 1977. - 368 с.

69. Хромчеико Ф.А. Термическая обработка сварньїх соедине- ний труб злектростанций. - М.: Знергия, 1972. - 224 с.

70. Хромченко Ф.А., Бродская Г.А., Зислин Г.С. Структура и свойства соединений тсплоустойчивой стали, вьіполненньїх дуговой сваркой модулированньїм током. // Сварочное производство, 1988, №12, с. 7-9.

71. Царюк А.К. Особенности развития пластической дєфор- мации в процессе деформирования сварного соединения: Автореферат дис. канд. техн. Наук. - Киев, 1963. - 24 с.

72. Шоршоров М.Х., Ерохии А.А., Черньїшева Т, А., Котов Г.Н, Фусиян А.В. Горячие трещиньї при сварке жаропрочньїх сплавов. - М.: Машиностроеиие, 1973. - 224 с.

73. Шоршоров М.Х., Белов В.В. Фазовьіе превращепия и изме- нения свойств стали при сварке. Атлас. - М.: Наука, 1972. -219 с.

74. Злектродуговая сварка сталей. Справочник (Н.И. Кахов- ский, В.М.Фартушньїй, К.А.Ющенко). - Киев.: Наукова думка, 1975. - 467 с.

75. Ющенко К.А., Лошакова Е.В., Липодаев В.Н. К механизму влияния азота на склонность низкоуглеродистьіх хромоникелевьіх сталей и швов к межкристаллитной коррозии. // Автоматическая сварка, 1987, №7, с. 15-17.