Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

7.МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫЕ СТАЛИ

7.1.СОСТАВ, СВОЙСТВА И НАЗНАЧЕНИЕ СТАЛЕЙ

Сточкизрениякоррозионнойстойкостиоптимальноесодержание Cr в сталях составляет 12–14 %. Такой уровень легирования хромом обеспечивает легкую пассивацию поверхности во многих агрессивных средах, связанныхспроизводствомнефтехимическихпродуктов.

При повышении содержания хрома больше 12 % коррозионная стойкость практически не увеличивается. Но при этом проявляется склонность стали к охрупчиванию и снижению прочности. Это связано с формированием в структуре значительного количества ферритной составляющей.

Стали с содержанием 13–14 % хрома, имеющие частичное

γ→α(М)-превращение, относят к мартенситно-ферритным. По структуре мартенситно-ферритные стали соответствуют сплавам Fe – Cr, при охлаждении которых полиморфные превращения соответствуют реакции δ → γ + δ → α(М) + δ. Количество δ-феррита в сталях повышается с увеличением содержания Cr и снижением концентрации С. Свведением углерода границы существования области γ-твердых растворовсдвигаютсявсторону болеевысокогосодержанияCr.

В табл. 7.1 приведен состав некоторых высокохромистых мар- тенситно-ферритных сталей.

Таблица 7 . 1 Химический состав мартенситно-ферритных сталей

131

Несмотря на отрицательное влияние δ-феррита на пластичность и ударную вязкость, мартенситно-ферритные стали марок 08Х13, 12Х13, 20Х13, 08Х14МФ и др. довольно широко применяются при изготовлении химических аппаратов и энергетического оборудования. Наиболее широкое применение в машиностроении имеют стали марок 08Х13 и 08Х14МФ с пониженным содержанием углерода. Сталь 08Х13 используют в виде как однородного листа и труб, так и коррозионного слоя биметалла. Сваренные детали из стали 08Х13 применяют в основном для изготовления внутренних устройств химических аппаратов и энергетического оборудования. Биметалл с плакирующим слоем из стали 08Х13 используют для изготовления нефтехимического оборудования, работающего под давлением при температурах от –40 до +560 °С.

Сталь 08Х14МФ применяется на предприятиях энергетического машиностроения, в основном в виде труб для изготовления теплообменного оборудования, работающего при температурах до 350 °С. Стали 12Х13 и 20Х13 с повышенным содержанием углерода используются для изготовления деталей различных турбин и насосов с температурой эксплуатации до 500 °С.

Сталь марки 14Х17Н2 с большим содержанием Cr, но имеющая мартенситно-ферритную структуру благодаря дополнительному легированию Ni, отличается высокой коррозионной стойкостью, не склонна к межкристаллитной коррозии. Применяется данная сталь для внутренних устройств оборудования АЭС (табл. 7.2).

132

Окончание табл. 7 . 2

Механические свойства мартенситно-ферритных сталей регламентируют в зависимости от толщины и вида проката (табл. 7.3). В связи с возможностью формирования структуры с большим количеством ферритной составляющей, способствующей охрупчиванию, нормативными документами, как правило, не предусматриваются требования по величине ударной вязкости. Лишь для отдельных видов проката сталей марок 08Х13 и 12Х13 регламентирована величина ударной вязкости.

Таблица 7 . 3 Механические свойства мартенситно-ферритных сталей

133

7.2. СВАРИВАЕМОСТЬМАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХСТАЛЕЙ

Фазовые и структурные превращения при сварке

У стали марки 08Х13 с содержанием углерода менее 0,08 % термокинетическая диаграмма распада аустенита имеет две области превращения: в интервале 600–930 °С, соответствующем образованию феррито-карбидной структуры, и 120–420 °С – мартенситной (рис. 7.1). Количество превращенного аустенита в каждом из указанных температурных интервалов зависит главным образом от скорости охлаждения. Например, при охлаждении со средней скоростью 0,025 град/с превращение аустенита происходит преимущественно в верхней области с образованием феррита и карбидов. Лишь 10 % аустенита в этом случае превращаются в мартенсит в процессе охлаждения от 420 °С. Повышение скорости охлаждения стали до 10 град/с способствует переохлаждению аустенита до

Рис. 7.1. Термокинетическая диаграмма распада аустенита стали 08Х13

134

температуры начала мартенситного превращения (420 °С) и полному его бездиффузионному превращению. Изменения в структуре, обусловленные увеличением скорости охлаждения, сказываются и на механических свойствах сварных соединений. С возрастанием доли мартенситанаблюдаетсяснижениеударнойвязкости.

Изменения термического цикла сварки не одинаково влияют на сопротивление образованию холодных трещин мартенситно-фер- ритных сталей. Для стали 20X13 увеличение скорости охлаждения металла шва с 15 до 180 град/с в интервале температур 600–500 °С монотонно снижает сопротивляемость образованию холодных трещин, а для сталей 08X13 и 12X13 – холодные трещины возникают при скорости охлаждения более 15 град/с.

Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в область более низких температур границы превращения γ → (α + К) и γ → (α + М). У сталей с содержанием углерода 0,10–0,25 % в результате этого полное мартенситное превращение имеет место после охлаждения со скоростью 1 град/с.

Сопротивляемость холодным трещинам и хрупкому разрушению

Всвязи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях этих сталей возможно образование холодных трещин. Склонность к образованию холодных трещин при сварке зависит от характера распада аустенита в процессе охлаждения.

Вслучае формирования мартенситной структуры ударная вязкость сварных соединений сталей с содержанием 13 % хрома снижается до 0,05–0,10 МДж/м3. Последующий отпуск при 650–700 °С при-

водит к распаду структуры закалки, выделению карбидов, в результате чего тетрагональность мартенсита уменьшается. После отпуска ударная вязкость возрастает до 1 МДж/м2. С учетом такой возможности восстановления ударной вязкости большинство марок мартенсит- но-ферритных сталей имеют повышенное содержание углерода для предотвращения образования значительного количества феррита вструктуре. Таким путем удается избежать охрупчивания стали.

135

Однако при этом наблюдают ухудшение свариваемости вследствие склонности сварных соединений к холодным трещинам из-за высокой хрупкости околошовного металла со структурой низкопластинчатого мартенсита.

Формирование значительного количества δ-феррита в структуре околошовного металла резко уменьшает склонность сварных соединений к образованию холодных трещин. Образование большого количества δ-феррита характерно для сталей с содержанием 13 % Cr и <0,1 % С. Количество δ-феррита в структуре околошовного металла зависит от уровня температуры нагрева. В участках, нагреваемых до температур, близких к концу кристаллизации Ts, количество δ-феррита в структуре может стать подавляющим. Такая структура характерна для участка зоны термического влияния, примыкающего к линии сплавления со швом и подвергающегося при сварке влиянию более высоких температур. Ширина этого участка мало зависит от температуры подогрева, но возрастает с погонной энергией сварки. Поэтому для сталей 08Х13 и 08Х14МФ с увеличением ширины участка с большим количеством δ-феррита отрицательное влияние его на вязкость сварных соединений возрастает.

Выбор теплового режима сварки

В соответствии с табл. 7.4 сварка мартенситно-ферритных сталей производится в основном с предварительным и сопутствующим подогревом. Даже для узлов из стали 08Х13 с наиболее низким содержанием углерода при сварке рекомендуется подогрев до 150–250 °С с последующей термической обработкой. Подогрев не производится только при сварке плакитирующего слоя биметалла. Предварительный и сопутствующий подогрев снижает уровень сварочных напряжений и способствует мартенситному превращению в условиях, способствующих его самоотпуску, т.е. образованию более равновесных структур. В результате этого склонность сварных соединений к образованию трещин резко снижается.

136

Таблица 7 . 4 Особенноститепловогорежимасваркимартенситно-ферритныхсталей

Дополнительное легирование стали 08Х14МФ карбидообразующими элементами снижает «эффективное» содержание С и устойчивость аустенита в процессе охлаждения, способствуя его распаду уже при 300 °С. Тетрагональность мартенсита уменьшается, что благоприятно сказывается на свариваемости. Сталь 08Х14МФ, легированная дополнительно Mo и V, сваривается в результате этого без подогрева.

7.3. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ

Способы сварки и сварочные материалы

Сварка мартенситно-ферритных высокохромистых сталей должна выполняться только при положительной температуре окружающего воздуха. Применяют ручную дуговую сварку покрытыми электродами, сваркувсредезащитныхгазовиавтоматическуюподфлюсом.

Применяемые сварочные материалы разнообразны (табл. 7.5), их марки регламентированы в ОСТ 26-01–77, РТМ 108.940.08–85 и отраслевых инструкциях.

137

Таблица 7 . 5

Сварочные материалы для дуговых способов сварки мартенситно-ферритных сталей

Сварочные материалы можно разделить на две группы:

1) с химическим составом, при котором наплавленный металл имеет химический состав, структуру и свойства, близкие к сталям этой группы;

138

2) с химическим составом, обеспечивающим получение аустенитного наплавленного металла, при этом прочностные свойства сварных соединений ниже, чем у основного металла, а пластические достаточно высоки.

Электродыдлясваркимартенситно-ферритныхсталейсособыми свойствами должны удовлетворять требованиям ГОСТ 10052–75. Для деталей иузлов из стали14Х17Н2 также применяется способ электрон- но-лучевойсварки.

Низкоуглеродистая 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.

Высокохромистый мартенситно-ферритный металл шва склонен также к образованию горячих кратерных трещин, особенно в корневыхслояхприналичиизазоров. Исходяиз этогоприсваркекратеры должны выводиться на фаску свариваемых элементов соединения, апри появлении кратерных трещин они должны удаляться механическимспособом.

Термическая обработка, механические и служебные свойства соединений

Из-за опасности образования холодных трещин и просто хрупкого разрушения вследствие резкого снижения ударной вязкости околошовного металла сварные соединения мартенситноферритных сталей подвергаются термическому отпуску для «смягчения» структур закалки и снятия остаточных напряжений. Режим термической обработки приведен в табл. 7.4. Поскольку для сталей 08Х13, 08Х14МФ, 12Х13 и 20Х13 применяют в основном аустенитные сварочные материалы, то прочностные свойства их сварных соединений ниже, чем у основного металла. Равнопрочность достигается при использовании для сварки электродов и проволок, обеспечивающих получение металла швов с мартенситной структурой (электродов АНВ-1, АНВ-2, ЦЛ-51).

139

К сварным соединениям стали 14Х17Н2 предъявляют требования стойкости к межкристаллитной коррозии. Эта стойкость обеспечивается рекомендуемой термообработкой (табл. 7.6).

Таблица 7 . 6

Механические свойства сварных соединений мартенситно-ферритных сталей (не менее)

140