Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология сварки плавлением. Часть II. Учебное пособие
.pdf
Рис. 5. Диаграмма состояния системы железо – хром (сплошные линии):
штриховые линии – влияние углерода на расширение области γ-железа
в железохромистых сплавах
При содержании в безуглеродистой стали хрома около 11…12 %
область высокотемпературных твердых растворов γ-железа замыкается,
а при дальнейшем увеличении концентрации хрома появляется область
смешанного δ + γ-раствора с последующим переходом в полностью
ферритную структуру. Под влиянием углерода в хромистых сталях область γ-железа расширяется и замыкается при более высоком содержа-
хрома (рис. 5).
нии
В связи с тем, что хром значительно замедляет распад аустенита,
низкоуглеродистые хромистые стали, имеющие высокотемпературную
область γ-раствора и нагретые в условиях сварки выше температуры
точки Ас
, в результате последующего достаточно быстрого охлаждения
3
получают структуру мартенсита. При увеличении концентрации углерода область хромистых сталей, закаливающихся при сварке на мартенсит, расширяется в сторону больших концентраций хрома, а сам мартенсит получается более твердым. В сталях, имеющих область смешанного α + γ-раствора, быстрое охлаждение такого металла с
температурного интервала существования этого раствора (или с более высокой
температуры) способствует получению при комнатных температурах
смешанной ферритно-мартенситной структуры. Таким образом, высокохромистые стали в зависимости от структуры в нормализованном состоянии могут быть отнесены к различным классам: мартенситному,
мартенситно-ферритному и ферритному.
41
3.2. Сварка мартенситных и мартенситно-ферритных хромистых сталей
Состав и свойства сталей. Мартенситные и мартенситно-
ферритные стали – это основная группа высокохромистых сталей. Мартенситные стали (15Х5ВФ, 12Х8ВФ, 12Х11В2МФ, 06Х12Н3Д, 20Х13,
13Х14Н3В2ФР, 30Х13 и др.) содержат 5…14 % Cr и 0,06…0,4 % С, а
также для придания специальных
свойств – другие легирующие элементы. Так как хром обеспечивает коррозионную стойкость сталей при его
концентрациях более 12 %, то мартенситные стали с меньшим содержанием хрома применяют в основном как конструкционный материал для
высоконагруженного энергетического и нефтехимического оборудования.
Содержание хрома в мартенситно-ферритных сталях (12Х13,
08Х14МФ и др.) составляет 13…14 %, что
оптимально по коррозионной
стойкости. Применяют их для изготовления лопаток, корпусов, диафрагм
и других деталей паровых турбин, узлов химических аппаратов, насосов,
теплообменников. Помимо наиболее распространенных мартенситноферритных сталей, содержащих 13…14 % Cr, находят применение как
коррозионно-стойкие стали с 17 % Cr, например 14Х17Н2 и др. Эти стали по сравнению со сталями, содержащими ~ 13 % Cr, имеют более
высокую коррозионную стойкость против коррозии в атмосфере и в некоторых химически активных средах, например в азотной кислоте. Поэтому
17%-е хромистые стали иногда применяют взамен более дорогих и дефицитных хромоникелевых аустенитных. Для повышения их прочности и
уменьшения количества феррита без ощутимой потери пластичности и
вязкости их легируют небольшим
количеством никеля при низком содержании углерода. В таких сталях никель расширяет γ-область и обусловливает появление превращения переохлажденного аустенита с образованием после охлаждения низкоуглеродистого мартенсита с повышенной прочностью и достаточным уровнем вязкости.
Свариваемость сталей. Основной проблемой свариваемости мар-
тенситных и мартенситно-ферритных сталей является обеспечение
стойкости металла
шва, в особенности околошовной зоны, против обра-
зования холодных трещин.
Содержание углерода в мартенситных и мартенситно-ферритных
сталях обычно более 0,10 % (исключение для некоторых специальных
сталей). В сварных соединениях этих сталей металл, нагретый выше
температуры точки Ас
, в широком диапазоне скоростей охлаждения
3
претерпевает мартенситное превращение при пониженных температурах, исключающих протекание процессов самоотпуска. Высокая тетрагональность образующегося мартенсита повышает склонность металла
42
сварных соединений к образованию холодных трещин. С увеличением
содержания углерода температурный интервал мартенситного превращения еще больше понижается, что приводит к возрастанию твердости
мартенсита и его хрупкости. При снижении содержания углерода ниже
0,10 % вязкость мартенсита повышается, однако возникает опасность
образования структурно-свободного феррита, который, в свою очередь,
является причиной высокой хрупкости,
не устраняемой к тому же термическим отпуском. Учитывая необходимость обеспечения высокой
пластичности, ударной вязкости и стойкости против хрупкого разрушения, содержание углерода в хромистых сталях часто ограничивают до
0,20 %.
Технология сварки и свойства сварных соединений. Технология
сварки высокохромистых сталей мартенситных и мартенситноферритных структурных классов во многом такая же, как
для среднелегированных сталей. В зависимости от количества мартенситной и ферритной составляющих сварные соединения склонны к образованию холодных трещин или снижению ударной вязкости вследствие роста зерна. Повышенная склонность к хрупкому разрушению усложняет технологию сварки этих сталей. Их сварка без предварительного подогрева
почти невозможна (за исключением малых толщин
). При увеличении
феррита в стали возрастает склонность к росту зерна, поэтому необходимо переходить от предварительного подогрева к сопутствующему,
который снижает скорость охлаждения.
Очень важно снижение силового фактора, что обеспечивает
уменьшение напряжений в металле шва и околошовной зоне. В ряде
случаев следует убрать жесткие закрепления, благодаря чему возможно
свободное деформирование
свариваемого изделия.
Для сварки этих сталей чаще всего используют дуговую сварку покрытыми электродами. Наряду с ней применяют дуговую сварку в защитных газах и сварку под слоем специальных флюсов.
Сварка покрытыми электродами. При сварке этим способом при-
меняют электроды с покрытиями основного типа. Для уменьшения возможного поглощения водорода перед
сваркой их следует прокаливать
при температуре 450…500 °С в течение 2 ч. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Легирование наплавленного металла обеспечивается за счет металла электродного стержня. Некоторое
дополнительное его легирование осуществляется введением необходимых легирующих компонентов в покрытие электрода.
Выбор марки электрода зависит от марки свариваемой стали и
конкретных условий эксплуатации конструкции, а также наличия термообработки в технологическом процессе.
43
Мартенситные и мартенситно-ферритные хромистые стали сваривают либо с применением сварочных материалов, обеспечивающих образование металла шва, близкого по составу и свойствам к основному
металлу (иногда с несколько меньшим содержанием углерода), либо с
применением аустенитных присадочных материалов. Так, например,
для сварки сталей 12Х13 и 20Х13 в первом случае используют электро
-
ды марок ЛМЗ-1, УОНИ-13/НЖ (стержень электродов Св-12Х13), для
сталей 15Х11МФ, 15Х11ВФ – электроды КТИ-9А (стержень
Св-12Х11НМФ), для сталей 15Х12ВНМФ – электроды КТИ-10 (стержень Св-10Х11НВМФ).
Кроме того, в первом случае для предотвращения образования холодных трещин мартенситные и мартенситно-ферритные стали свари
-
вают при температуре воздуха ≥ 0 °С и применяют предварительный
подогрев до 200…450 °С, главным образом при сварке металла средних
и больших толщин. При этом температуру подогрева выбирают в зависимости от содержания углерода в свариваемой стали, ее толщины, размеров и жесткости свариваемого изделия. Для сталей с повышенным
содержанием углерода и
при значительной толщине металла температура подогрева, как правило, выше. В то же время данная температура не
должна быть чрезмерно высокой. Высокий подогрев, как и сварка с
большой погонной энергией, приводит к перегреву околошовного металла, росту зерна, сегрегациям примесей на границах зерен, способствующих охрупчиванию сварных соединений. Лучшие свойства дости
-
гаются при подогреве до температур интервала мартенситного превращения (Т
м.н
…Т
) с подстуживанием после сварки до Т
м.к
, но ≥ 100 °С,
м.к
выдержке при этих температурах ~ 2 ч и посадке в печь всего изделия
для высокого отпуска. Отпуск сварных соединений высокохромистых
сталей назначают для снятия напряжений, распада мартенсита и общего
повышения вязкости. Его проводят при температурах 650…760 °С в зависимости от состава свариваемой стали и металла шва: более низкая
температура
отпуска – для сталей без дополнительного легирования
карбидообразующими элементами, более высокая – для сталей с повышенным содержанием молибдена, вольфрама, ванадия.
Если при изготовлении сварных конструкций из мартенситных и
мартенситно-ферритных сталей последующая термическая обработка
затруднена (монтажные или ремонтные условия) и не требуется получение равнопрочных сварных соединений, выполняют их по второму
варианту
, т. е. используют сварочные материалы, обеспечивающие получение наплавленного металла с аустенитной структурой. Например,
электроды ЭА-395/9 (стержень Св-10Х16Н25АМ6). При этом предварительный подогрев и последующую термообработку не применяют.
44
В этом случае металл шва представляет собой как бы «мягкую прослойку» с несколько меньшим пределом прочности, чем у свариваемой стали, но с повышенной деформационной способностью. Работоспособность таких сварных соединений зависит от соотношения свойств металла шва и свойств основного металла, а также от относительной толщины мягкой прослойки
. При правильном подборе соответствующих
сварочных материалов и ширины шва пониженный предел прочности
металла шва может не сказаться на агрегатной прочности сварного соединения в связи с эффектом контактного упрочнения.
Сварка в защитных газах осуществляется с использованием аргона
или углекислого газа, а также их смесей. Качественные сварные соединения из высокохромистых
сталей обеспечивает сварка неплавящимся
вольфрамовым электродом в аргоне или в смеси его с гелием. Присадочный материал подбирают аналогичный требуемому составу наплавляемого металла шва.
Использование сварки вольфрамовым электродом наиболее целесообразно при изготовлении изделий малых толщин – до 5…6 мм, а
также благодаря качественному формированию обратного валика для
выполнения корневого слоя в
многослойных швах на сталях повышенной толщины, например в изделиях турбостроения. Остальные слои могут выполняться покрытыми электродами, плавящимся электродом в
защитных газах или односторонней сваркой под флюсом.
При сварке плавящимся электродом в СО
для предохранения от
2
выгорания основных элементов, определяющих свойства металла шва,
необходимо использовать проволоки, содержащие в достаточных количествах специальные раскислители. Например, для сварки сталей
12Х13, 20Х13 используют сварочную проволоку Св-08Х14ГНТ, для
сталей 15Х11ВФ, 15Х12ВМФ – проволоку Св-15Х12НМВФБ.
Сварка под слоем флюса также требует специальных сварочных
материалов. Широко применяемые окислительные высококремнистые
высокомарганцовистые флюсы АН-348А, ОСЦ-45 не пригодны для
сварки высокохромистых сталей. При их использовании происходят
процессы окисления не только активных легирующих элементов, но и
основного легирующего элемента хрома.
Фторидные бескислородные флюсы типа АНФ-5 не обеспечивают
достаточно хорошего формирования швов. Поэтому для сварки, например, сталей 15
Х11ВФ, 15Х12ВМФ рекомендуется применение слабоокислительных флюсов АН-17, АН-17М в комбинации с проволокой
Св-10Х11ВМФБ, для сталей 12Х13, 20Х13 – флюс АН-45 в комбинации
с проволокой Св-06Х14.
45
3.3. Сварка ферритных хромистых сталей
Состав и свойства. При содержании у безуглеродистых высокохроми-
стых сталей более 13 % Cr они не претерпевают превращений (см. рис. 5).
Стали с низким содержанием углерода (С ≤ 0,15), структура которых соответствует этой области диаграммы Fe – Cr, относят к ферритным.
Высокохромистые ферритные стали обладают комплексом ценных
свойств, к числу которых относятся высокая
коррозионная стойкость в
различных агрессивных средах, жаростойкость (окалиностойкость) до
1000…1100 °С. Прочность сталей относительно невелика (σ
= 400…450 МПа).
в
Они предназначены для работы в условиях малого нагружения и хорошо противостоят коррозионному растрескиванию под напряжением при
соприкосновении с агрессивными газами при высоких температурах. В
то же время хромистые ферритные стали практически не пригодны для
работы при низких температурах, так как у них пороговая температура
перехода в хрупкое состояние
лежит, как правило, выше 0 °С. Ферритные стали применяют в химической, энергетической, пищевой промышленности. Основными марками ферритных сталей являются 08Х13,
08Х17Т, 08Х23С2Ю, 15Х25Т, 15Х28 и др.
Свариваемость сталей. Поскольку стали ферритного класса од-
нофазные, то они не закаливаются при сварке, так как не подвержены
структурным
превращениям при нагреве и охлаждении. Ухудшение
свариваемости этих сталей связаны с тремя причинами: повышенной
склонностью к росту ферритного зерна при нагреве; склонностью металла к охрупчиванию; возможностью возникновения межкристаллитной коррозии. Эти факторы сильно ограничивают возможность и
усложняют технологию сварки.
Ферритные стали весьма чувствительны к сварочному нагреву. По-
вышенный нагрев вызывает
значительный рост ферритного зерна, особенно интенсивный в околошовной зоне, возможен и в металле шва.
Отсутствие в таких сталях фазовых или структурных превращений делает последующее измельчение зерна в процессе охлаждения невозможным, что приводит к охрупчиванию металла.
Повышение хрупкости зоны термического влияния при сварке
хромистых ферритных сталей может быть
связано и с другими явлениями – развитием так называемой 475-градусной хрупкости в участках,
нагревавшихся до температуры 450…500 °С, и выделением по границам
зерен металла, нагревавшегося до температуры 900 °С и несколько выше, карбидов хрома. Выпавшие по границам зерен твердые и хрупкие
карбиды хрома не могут противостоять появляющимся в металле
напряжениям, результатом чего
становится охрупчивание металла.
46
Выпадение карбидов хрома типа Cr23C6 обусловлено увеличением
подвижности атомов при нагреве и соответствующим увеличением их
способности к диффузии и восстановлению равновесия в твердом растворе. Так как скорость диффузии хрома значительно ниже, чем углерода, то связываемый в карбид хром извлекается из ближайших к границе
областей зерна, т. е. происходит местное обеднение твердого раствора
хромом.
Концентрация хрома в обедненных участках зерна может
упасть до 5 %. При работе в коррозионной среде эти участки растворяются, что приводит к нарушению связи между отдельными зернами.
Этот процесс называется межкристаллитной коррозией.
Таким образом, сварочный нагрев отрицательно влияет как на пластичность хромистых ферритных сталей, так и на их коррозионную
стойкость.
Поэтому хотя эти стали можно сваривать различными способами сварки, общим условием является использование технологии с
наименее интенсивным тепловым воздействием сварочного источника
теплоты. В этой связи выгодны режимы с малой погонной энергией и
специальные технологические приемы (сварка с перерывами, короткими участками, валиками малых сечений и т. д.). Кроме того, при
сварке
хромистых ферритных сталей в связи с пониженной их теплопроводностью для уменьшения температурного градиента требуется подогрев.
При этом применяемая температура подогрева из-за необходимости
ограничения тепловложения должна быть существенно ниже, чем при
сварке мартенситных сталей и ограничиваться ~ 150 °С. При малых
толщинах свариваемого металла и положительных температурах окружающего воздуха
сварка возможна иногда и вовсе без подогрева.
Для повышения стойкости хромистых ферритных сталей к межкристаллитной коррозии вводят в металл элементы, которые связывают углерод в прочные стабильные карбиды и затрудняют образование карбидов хрома. Такими элементами выступают более сильные карбидообразователи, чем хром, например титан и ниобий. Благотворно влияет так
-
же уменьшение содержания углерода.
При сварке хромистых ферритных сталей, не содержащих титана
или ниобия, одновременно с ростом зерна снижается устойчивость против межкристаллитной коррозии. Поэтому такие сварные изделия, которые работают в условиях коррозионно-активных сред, для восстановления устойчивости против межкристаллитной коррозии должны подвергаться термообработке – длительному нагреву (отжигу)
при температуре 760…780 °С с последующим ускоренным охлаждением. Такой
нагрев приводит к выравниванию концентрации хрома по зерну и восстановлению его концентрации в приграничных участках зерен. Ускоренное охлаждение предотвращает возможность повторного выпадения
47
карбидов хрома из раствора и развитие 475-градусной хрупкости. Если
изделие работает в условиях отсутствия коррозионно-активных сред,
достаточен обычный высокий отпуск при 700…750 °С. Такой же отпуск
применяют после сварки даже для изделий из хромистых ферритных
сталей, содержащих титан или ниобий. Снижение вязкости металла
околошовной зоны за счет роста ферритного зерна происходит
и в этих
сталях.
Технология сварки и свойства сварных соединений. При изго-
товлении сварных конструкций из высокохромистых ферритных сталей
наибольшее распространение получили ручная дуговая сварка покрытыми электродами и механизированная сварка в СО
, а также дуговая
2
сварка под слоем флюса. Для изделий малых толщин иногда применяют
аргонодуговую сварку неплавящимся электродом.
Сварка покрытыми электродами. При дуговой сварке покрытыми
электродами применяют сварочные материалы, позволяющие получить
металл шва, по составу подобный основному, или обеспечивающие получение металла шва с аустенитной, лучше с аустенитно-ферритной
структурой.
первом случае хрупкость, связанная с крупным зерном, пред-
В
ставляет опасность не только для околошовной зоны, но и для металла
сварного шва. В связи с этим сварку выполняют на минимальных погонных энергиях. При этом изделия толщиной более 10 мм сваривают с
подогревом до температуры 120…180
°С. Для сварки применяют электроды с покрытиями основного типа, легированные титаном или ниобием. Для сталей типа 08Х17Т наиболее распространены электроды марок
ЦЛ-10 и УОНИ-13/НЖ (стержень Св-10Х17Т). Однако при их использовании пластичность и ударная вязкость металла шва имеют низкие
значения. Поэтому в качестве присадочных
материалов для ручной дуговой сварки ферритных сталей преимущественно применяют хромоникелевые электроды, обеспечивающие получение наплавленного металла
типа Х25Н13 с аустенитной структурой, отличающегося высокой пластичностью и ударной вязкостью. Например, электроды ОЗЛ-6, ЦЛ-25
(стержень Св-07Х25Н13).
Сварка в углекислом газе и под слоем флюса. Механизированные и
автоматизированные процессы
сварки ферритных хромистых сталей
(сварка в углекислом газе, а также под флюсом) при использовании сва-
рочных материалов, формирующие ферритные швы, не обеспечивают
улучшения вязкости швов даже после высокого отпуска, хотя отпуск несколько улучшает коррозионные характеристики сварных соединений
сталей 08Х17Т. Более распространены для этих процессов электродные
проволоки из хромоникелевых
сталей, относящиеся к аустенитному и
48
аустенитно-ферритному классам, которые обеспечивают высокий уровень пластичности и ударной вязкости. При этом для обеспечения коррозионной стойкости, например в азотной и уксусной кислотах, сопоставимой со стойкостью основного металла, швы должны содержать титан или
ниобий. Для сварки стали 08Х17Т в углекислом газе удовлетворительные
результаты могут быть получены при
использовании электродных проволок марок Св-08Х20Н9Г7Т или Св-05Х25Н12ТЮ. Однако наиболее
удовлетворительное качество сварных соединений может быть получено
при использовании проволоки Св-08Х20Н15ФБЮ. Такие же результаты
обеспечивает данная проволока при сварке под флюсом АН-26.
Коррозионная стойкость таких сварных соединений в азотной кислоте различной концентрации сопоставима со стойкостью стали
08Х17Т. Для сварки сталей, содержащих хрома ≥ 25 %, используемых в
основном как жаростойкие (окалиностойкие), в сварных швах должна
быть обеспечена примерно такая же концентрация хрома. При этом в
швах, как правило, стремятся получить аустенитно-ферритные или ферритно-аустенитные структуры. При сварке стали 15
Х25Т в углекислом
газе или под флюсом АН-26 такие структуры обеспечиваются применением проволок Св-07Х25Н13Т или Св-13Х25Н12ТЮ.
Аустенитно-ферритные швы получают, используя сварочные материалы, обеспечивающие получение хромоникелевого или хромоникелемарганцовистого металла. При этом необходимо учитывать и участие в
формировании металла шва проплавленного основного
. Так как при автоматической сварке под флюсом доля основного металла в шве, как
правило, больше, чем при сварке покрытыми электродами, количество
аустенизаторов в электродной проволоке при автоматической сварке
под флюсом должно быть больше, чем в электродах для ручной сварки.
Вопросы для самопроверки
1. Какие стали относятся к высокохромистым? К каким классам могут
быть отнесены высокохромистые стали в зависимости от структуры в нормализованном состоянии?
2. Приведите марки высокохромистых сталей разных структурных классов. Перечислите основные факторы, снижающие их свариваемость.
3. Как предотвратить образование холодных трещин в хромистых мартенситных и мартенситно-ферритных сталях?
4. Укажите
ферритных сталей. Как решается эта проблема?
5. Перечислите особенности сварки хромистых ферритных сталей.
6. Укажите способы сварки высокохромистых сталей и сварочные материалы для них. Какие режимы сварки наиболее целесообразно использовать?
причины охрупчивания сварных соединений из хромистых
49
4. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ХРОМОНИКЕЛЕВЫХ
АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ
4.1. Состав и свойства сталей
К аустенитному классу относят высоколегированные хромоникелевые стали, образующие при кристаллизации преимущественно однофазную аустенитную структуру γ-железа с гранецентрированной кристаллической решеткой и сохраняющие ее при охлаждении до комнатных и даже до криогенных температур в зависимости от состава. Эти
стали обычно содержат 14…25 % Cr и от 8
углерода до 0,14 %.
Хромоникелевые аустенитные стали называют металлом атомного
века. Они нашли самое широкое применение в современной промышленной практике. Сочетая достаточную прочность с чрезвычайно высокой пластичностью в большом диапазоне температур, они, как и хромистые стали, обладают высокой коррозионной стойкостью в различных
агрессивных средах и жаростойкостью. Однако
сталей, хромоникелевым сталям присуща и жаропрочность, т. е. способность работать в течение определенного времени в нагруженном состоянии при высоких температурах, сохраняя прочность в условиях высокотемпературной ползучести металла. Кроме того, благодаря их высоким механическим свойствам при отрицательных температурах, эти
стали применяют в ряде
ценных свойств обеспечивается введением в хромистую нержавеющую
сталь никеля, который, нейтрализуя действие хрома как ферритизатора,
способствует получению устойчивой однородной структуры аустенита.
Кроме никеля и хрома в хромоникелевых аустенитных сталях могут находиться и другие легирующие элементы: аустенизаторы (C, N,
Mn, Cu, Co, В) и ферритизаторы (Ti, Nb, Mo, W, Si, V, Zr, Al и др.),
улучшающие служебные
аустенитной структуры эквивалентно хрому и никелю.
Несмотря на общие высокие свойства хромоникелевых аустенитных сталей соответствующий подбор состава легирования определяет
их основное служебное назначение. В соответствии с этим их можно
разделить на три группы: коррозионно-стойкие, жаропрочные и жаростойкие (окалиностойкие).
Представителями коррозионно-стойких сталей аустенитного
являются стали 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 12Х18Н12Т и др. Они сохраняют свои свойства при комнатных и повышенных до 700…750 °С тем-
случаев и как хладостойкие. Такое сочетание
свойства и действующие на стабильность
до 35 % Ni при содержании
, в отличие от хромистых
класса
50
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]