6. Термическая обработка сварных соединении специальных сталей

6.1. Термическая обработка сварных соединений аустенитных сталей

Высоколегированные хромоникелевые стали даже при отсутствии дополнительного легирования малыми количествами карбидообразующих элементов (молибден, титан, ниобий и др.) чаще всего не являются однородными аустенитными, а после горячей или холодной прокатки содержат в различных количествах феррит и карбиды. Эти фазы аустенитной стали могут присутствовать одновременно.

Для получения однофазного аустенитного состояния стали подвергают аустени-тизации. Так как наличие феррита и карбидов в аустенитной стали заметно сказывается на свойствах. Часто эти фазовые составляющие снижают коррозионную стойкость сталей, а также отрицательно сказываются на ее пластичности и ударной вязкости Принципиальная схема термической обработки данных сталей представлена на рисунке.(см. ниже) (Рис 6.1.)

Рис 6.1. Принципиальная схема термической обработки нестабилизированной (а) и стабилизированной (б) стали типа Х18Н10 после сенси­билизации:

I— закалка;II—стабилизирующий отжиг

3. Для аустени-тизации сталей с содержанием углерода до 0,1 % нужен нагрев от 750°С до 950 °С в равновесных условиях (длительный нагрев). При наличии в стали карбидо­образующих элементов интервал температур будет увеличиваться. Поэтому практически при термической обработке температура аустенитизации составляет 1050— 1150°С. С другой сто­роны, при наличии до 1 % С в стали типа Х18Н10, закаленной на аустенит, при нагреве до 650 °С будут выделяться карбиды, а, при недостаточной устойчивости аустенита — α-фаза. 4. Последующий нагрев закаленной аустенитной стали также приводит к фазовым из­менениям:

- нагрев до температуры 500 °С приводит к выделению из закаленного аустенита карбидов. Это вызывает повышение прочности стали, понижение ее пластичности, ударной вязкости и коррозионной стойкости;

- при более высоком нагреве (850—900 °С) процесс растворения карбидов идет очень медленно, а в стали с активными карбидообразующими элементами раство­рения вообще не происходит, наоборот, может начаться медленное их выделение. При таком протекании процессов повышение прочности стали и снижение ее пла­стичности будет меньшим, чем при нагреве до 750 °С.

Коррозионная стойкость стали при нагреве до 900 °С повышается и приближается к кор­розионной стойкости закаленной стали.

При сварке аустенитных сталей распределение температур в ЗТВприводит к тому, что в ней создаются участки различного фазового состава. Если учесть, что продолжитель­ность пребывания металла при высокой температуре в ЗТВ невелика, то рассмотренные выше процессы изменения фазового состояния аустенитных сталей при сварке сдвинутся в сторону более высоких температур:

- чисто аустенитной зоной будет зона, нагревавшаяся при сварке выше темпера­туры 1100°С;

- в зоне, нагревавшейся приблизительно в интервале 900—1000 °С, могут остаться частицы нерастворившихся карбидов. Однако эта зона будет близка к чисто аусте­нитной и по сравнению с более высоко нагревавшейся зоной будет иметь более мелкие зерна аустенита.

8. Особенности ЗТВ:

- по свойствам в состоянии после сварки без дополнительного нагрева эти зоны бу­дут характеризоваться повышенной вязкостью и коррозионной стойкостью;

- если при эксплуатации эти участки будут подвергаться дополнительному нагре­ву в интервале 500—650 °С, то в них начнется процесс выделения карбидов рас­твора, даже в том случае, если в стали содержатся активные карбидообразующие элементы (титан или ниобий). Правда, при наличии этих элементов потребуется больше времени, но если количество этих элементов близко к нижнему пределу, процесс выделения карбидов будет заметным;

- причиной понижения коррозионной стойкости сварных соединений аустенитных ста­лей в указанных зонах считают обеднение границ зерен аустенита хромом при вы­делении из них карбидов, содержащих, как правило, хром. В связи о этим коррозия в околошовной зоне протекает по границам зерен (межкристаллитная коррозия).

9. А).Для предотвращения такой коррозиив ОКОЛОШОВНЫХ ЗОНАХ сварных соединений аусте­нитных сталей,эксплуатирующихся в корозионно-активных средах при повышенных температурах, их следует подвергать термической обработке, заключающейся в продол­жительном (3—5 ч) нагреве при 900 °С:

- такой нагрев одновременно с выделением карбидов из аустенита приводит к разви­тию диффузионных процессов внутри аустенитных зерен и к обогащению хромом приграничных участков зерна, откуда хром перешел в карбиды;

- для таких сварных соединений закалка или нормализация о высоких температур (1000—1150°С) недопустима, поскольку они приводят к аустенитизации, выделе­нию карбидов и понижению стойкости, к межкристаллитной коррозии в околошов­ной зоне при 500—650 °С. Например, сварные соединения стали 08Х18Н10Т, склонные после сварки к межкристаллитной коррозии при эксплуатационных на­гревах 650 °С, после стабилизирующего отжига при 875 °С в течение 3 ч при после­дующем эксплуатационном нагреве при 500 °С в течение 10000 ч склонности к межкристаллитной коррозии не обнаруживают.

- нагрев до 600 °С приводит к снижению стойкости не только к межкристаллитной коррозии, но и стойкости к коррозионному растрескиванию. Как известно, причи­ной понижения стойкости к коррозионному растрескиванию изделий из аустенит­ных и неаустенитных сталей, работающих в коррозионно-активных средах при ста­тических нагрузках ниже предела текучести, является сегрегация атомов водорода.

Б).Для сварных соединений, которые эксплуатируются в коррозионно-активных сре­дах без нагрева (температура до 300 °С), закалка или нормализация с высокой температуры

является допустимой:

- в зоне сварного соединения, нагретой до 900 °С, можно ожидать некоторое повыше­ние прочности и снижение пластичности, а также коррозионной стойкости металла в резуль­тате выделения из раствора карбидов. Для этой зоны послесварочная закалка с температуры1050—1150 °С будет полезна в целях восстановления свойств. В зоне сварного соединения, нагревающейся до 700 °С, процессы карбидообразования также будут протекать достаточноактивно и скажутся на изменении свойств, поэтому для этой зоны закалка также будет по­лезна;

- в остальных зонах сварных соединений аустенитных сталей существенных измене­ний фазового состояния и свойств не происходит, хотя длительная эксплуатация при темпера­туре 400— 500 °С может вызвать выделение карбидной фазы в дисперсном виде, кратковре­менный нагрев на эту же температуру при сварке к таким изменениям фазового состояния не приводит.

9. Закалка сварных соединений высоколегированных аустенитных сталей является рациональ­ной операцией, если сварные соединения не эксплуатируются в коррознонноактивных средах при температуре 500— 650 °С.

10. Существуют дополнительные особенности термической обработки данных сталей:

А).Аустенитные стали целесообразно применять для конструкций, работающих при низких темпе­ратурах, так как они обладают высокой хладостойкостью и сохраняют ударную вязкость:

- наиболее высокую вязкость аустенитных сталей при гомогенном состоянии и их сварных со­единений можно достичь аустенитнзацией — закалкой с 1050—1150 °С;

- аустенитизация сварных соединений хладостойких конструкций рациональна и по другой причине. При недостаточной стабильности аустенита в стали, определяемой ее составом, глубокое охлаждение может привести к распаду аустенита о образованием мартенсита и сни­жением вязкости. Наличие в отдельных участках ЗТВ сварки карбидных выделений приводит к обеднению аустенита в этих участках легирующими элементами.

Б) Термическая обработка сварных соединений жаропрочных аустенитных сталей имеет и некоторые особенности:

- в сварных соединениях жаропрочных сталей металл шва, как правило, по составу заметно отличается от состава свариваемой стали;

- металле шва часто содержится значительно меньше углерода, чем в свариваемой стали. В ЗТВ имеются участки, где по-разному прошли процессы растворения и выделения карбид­ных и интерметаллидных фаз. Все это приводит к тому, что при последующем длительном эксплуатационном нагреве процессы фазовых превращений и связанные с этим объемные изменения и изменения свойств разных участков могут протекать по-разному. Описанное выше приводит иногда к локальным разрушениям по одному из участков ЗТВ. Для получе­ния однородных свойств сварного соединения следует прибегать к высокому нагреву (1150—1180°С) для аустенитизации.

В) Столь высокий нагрев сварной конструкции практически осуществить трудно, поэтому для аустенитизации проводится более низкий нагрев (1050—1100 или 1075—1125°С). При 1075—1125 °С обеспечивается более полное растворение карбидов, большая стабильность аустенита, высокие пластичность и ударная вязкость, более равномерные свойства зон сварного соедине­ния, а следовательно, и большая устойчивость к локальным разрушениям.

Повышение стабильности свойств при длительных эксплуатационных нагревах может быть достигнуто в результате старения при 750—800 °С в течение 3—10 ч, проводимого после стабилизации. Правда, в этом случае наблюдается некоторая потеря пластичности и ударной вязкости.

Некоторую стабилизацию свойств может дать старение при 650—950 °С в течение3—5 ч без предварительной аустенитизации. Однако в этом случае сохраняется неоднород­ность свойств сварного соединения и не гарантируется отсутствие локальных разрушений при эксплуатации.

Сварные соединения жаропрочных аустенитных сталей на неответственных конструкциях и конструкциях с большим запасом прочности можно эксплуатировать без всякой термической

обработки после сварки. Естественно, при этом не будут использованы все возможности жаро­прочных аустенитных сталей как по уровню свойств, так и по их стабильности при эксплуатации и однородности в зоне сварки.