1.2 Оценка стали на свариваемость.
Сталь20Х23Н18 обладает комплексом положительных свойств. Эту марку стали, используют для изготовления изделий различного назначения, например коррозионно-стойких, жаропрочных и т.д. В связи с этим 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.
Общей сложностью сварки является предупреждение образования в шве или околошовной зоне кристаллизационных горячих трещин, имеющих межкристаллитный характер, наблюдаемый в виде мельчайших микронадрывов и трещин. Горячие трещины могут возникнуть и при термической обработке или при работе конструкции при повышенных температурах. Образование горячих трещин связано с формированием при сварке крупнозернистой макроструктуры, особенно выраженной в многослойных швах, когда кристаллы последующего слоя продолжают кристаллы предыдущего слоя, и наличием напряжений усадки.
Металлу сварных швов свойственны ячеисто-дендритные формы кристаллизации, что приводит к образованию крупных столбчатых кристаллов и обогащению междендритных участков примесями, образующими легкоплавкие фазы. В аустенитных швах столбчатая структура выражена наиболее четко. Применение методов, способствующих измельчению кристаллов и устранению столбчатой структуры, повышает стойкость швов против горячих трещин. Одним из таких методов является получение швов, имеющих в структуре некоторое количества первичного γ-феррита. Положительное действие феррита в аустенитно-ферритных швах на предупреждение образования в них горячих трещин связано с изменением схемы кристаллизации и большей растворимостью в нем ликвирующих примесей. Одновременное выпадение из жидкой фазы кристаллов аустенита и первичного S-феррита приводит к измельчению и дезориентации структуры, т. е. к уменьшению сечения столбчатых кристаллов, разделенных участками первичного γ-феррита. В результате вероятность образования горячих трещин по местам расположения жидких прослоек уменьшается. Получение аустенитно-ферритных швов достигается их дополнительным легированием ферритообразующими элементами, такими как хром, кремний, алюминий, молибден и др. В изделиях из жаропрочных и жаростойких сталей, работающих при более высоких температурах, с целью предупреждения стигматизации количество S- феррита в швах ограничивают 4 - 5% .
В сталях с большим запасом аустенитности получение швов с аустенитно-ферритной структурой затруднено необходимостью легирования их повышенным количеством ферритизаторов. Возможность предотвращения в швах на них, горячих трещин достигается ограничением содержания в швах вредных примесей (фосфора, серы).
Снижение действия силового фактора (ограничение силы тока, заполнение разделки валиками небольшого сечения, рациональная конструкция соединения и др.) способствуют предупреждению горячих трещин.
Механические свойства металла шва и сварного соединения зависят от его структуры, которая определяется химическим составом, режимом сварки, предыдущей и последующей термообработкой.
К сварным соединениям на жаропрочных сталях предъявляется требование сохранения в течение длительного времени высоких механических свойств при повышенных температурах. Большие скорости охлаждения металла шва при сварки приводят к фиксации неравновесных по отношению к рабочим температурам структур. Во время эксплуатации при температурах выше 350°С в результате диффузионных процессов в стали, появляются новые структурные составляющие, приводящие обычно к снижению пластических свойств металла шва. В зоне термического влияния жаропрочных аустенитных сталей под действием термического цикла сварки снижаются пластические и прочностные свойства, что также приводит к образованию трещин в той зоне. Подобные изменения свойств основного металла вызываются развитием диффузионных процессов, приводящих к повышенной концентрации в металле околошовной зоны элементов (углерода, кислорода, и др.), которые совместно с вредными примесями могут образовывать легкоплавкие эвтектики. При длительной эксплуатации в этой зоне могут, выделятся мелкодисперсные карбиды и интерметаллиды, коагуляция которых приводит к охрупчиванию металла. При сварке этих сталей для предупреждения образования горячих трещин в шве часто получают металл шва, по составу отличающийся от основного и имеющий двухфазную структуру.
Технологическая свариваемость металлов и их сплавов зависит от многих факторов – химической активности металлов, степени легирования, структуры и содержания примесей. Чем химически более активен металл, тем больше его склонность к взаимодействию с окружающей средой, в первую очередь к окислению, тем выше в этом случае должны быть качество защиты и возможность металлургической обработки при сварке. К наиболее активным металлам относятся титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. При их сварке необходимо защищать от взаимодействия с воздухом не только расплавленный металл, но и прилегающий к сварочной ванне основной металл и остывающий шов с наружной и обратной сторон. Наилучшее качество защиты обеспечивают высокий вакуум и инертный газ высокой частоты. Высокой химической активностью при сварке отличаются и другие цветные металлы: алюминий, магний, медь, никель и сплавы на их основе. Качество их защиты обеспечивается инертными газами, а также специальными электродными покрытиями флюсами.
Для данной стали о свариваемости ориентировочно судят по эквивалентному содержанию легирующих элементов хрома (Сr) и никеля (Ni).
Типы структур которые возникают в высоколегированных сталях при охлаждении на воздухе с температуры 900˚С, представлены диаграммой Шефлера.
[1,c.170]
При помощи диаграммы Шефлера определяем примерный тип микроструктуры сварного шва. Из диаграммы следует, что микроструктура сварного шва – аустенит.
В изделиях из жаропрочных и жаростойких сталей, работающих при высоких температурах, с целью предотвращения горячих трещин количество феррита в швах ограничивают 4-5%.
Специальные исследования и опыт отечественной и зарубежной промышленности убедительно показывают, что аустенитно-ферритные швы значительно превосходят чисто аустенитные по стойкости против образования горячих трещин.
Т.к. сталь 20Х23Н18 с большим запасом аустенитности, для получения швов с аустенитно-ферритной структурой необходимо легировать шов повышенным числом ферритизаторов(Сr, Si,Ti, Mo, Al, Nb, W, V).
Стали этой группы требуют применение электродных материалов, обеспечивающих однофазную аустенитную или аустенитно-карбидную структуру.