5. Особенности сварки специальных высоколегированных сталей.

5.1. Сварка закаливающихся высоколегированных сталей.

5.1.1. Влияние термического цикла сварки на структуру и свойства закаливающихся сталей

1. Стали мартенситного класса 20X13 и 14X17Н2,мартенситно-ферритного — 12X13, 15X11МФБ, 15Х12ВНМФ, 14Х12В2МФ, 18Х12ВМБФР и сталь 08X13, относящаяся к ферритному классу, при воздействии сварочного термиче­ского цикла претерпевают закалку, в результате чего металл в околошовной зоне сварного соединения становится более твердым, прочным и хрупким.

2. Степень изменения этих свойств зависит прежде всегоот содержания в стали уг­лерода и других легирующих элементов, упрочняющих твердый раствор и снижающих температуру превращения аустенита в мартенсит, а также от способа и режима (погонной энергии) сварки. Например, при дуговой сварке с минимальной погонной энергией (минимальный варочный ток, максимально возможная скорость сварки), при которой металл околошовной зоны нагревает­ся и охлаждается весьма быстро, степень подкалки этого металла значительно большая, чем при электрошлаковой сварке.

3. Существует оптимальная температура отпуска сварных соединений этих сталей:

а) после 3—5-часового отпуска при температуре 680—720° С (с охлаждением на воз­духе) металл в околошовной зоне сварных соединений этих сталей приобретает наиболее оптималь­ные механические свойства;

б) температура отпуска сварных соединений высокохромистых жаропрочных сталей не­сколько выше (730—750° С), а скорость нагрева для отпуска и скорость охлаждения после отпуска меньше, чем обычных хромистых;

в) после отпуска сварных соединений ударная вязкость металла у линии сплавления не­сколько ниже, чем той же стали, не подвергавшейся воздействию сварочного термического цик­ла. Это особенно заметно у стали 08X13. Снижение ударной вязкости металла в околошовной зоне этих сталей при воздействии сварочного нагрева обусловлено ростом ферритных зерен. Металл в околошовной зоне этих сталей состоит из крупных зерен низкоуглеродистого феррита (светлые зер­на) и мелкоигольчатого мартенсита;

г) с повышением погонной энергии сварки размер зерна и увеличение количества низко­углеродистого (структурн-свободного) феррита в околошовной зоне этих сталей возрастает, а ударная вязкость еще больше снижается;

д) при высоком отпуске после сварки карбиды выделяются исключительно из мартенсит­ной фазы, а строение и микротвердость низкоуглеродистого феррита сохраняются неизменными Металл при этом разупрочняется. При температуре отпуска 680— 720° С твердость стали становится минимальной, а значения ударной вязкости — максимальные, несколько не достигающие, однако, исходных.

5.1.2. Сварка высоколегированных сталей с 13 % хрома

1. Стали 08X13 толщиной до 16—20 мм, 12X13 толщиной до 10— 12мм и 20X13 — до8—10мм при отсутствии жестких закреплений соединений можно сваривать без предварительного и сопутствующего подогрева. При большей толщине незакрепленных соединений или при указанных толщинах сталей, но жестко закрепленных,необходим общий или местный предварительный и сопутствующий подогрев изделий до температур 250-300° С

2. Стали 08X13, 12X13 и 20X13 в виде монометалла (сталь 08X13 преимущественно в ви­де биметалла) часто применяют для сварных изделий, эксплуатирующихся без динамических на­грузок.

В этом случае изделия после сварки не подвергаются термической обработке. Особенно это относится к стали 08X13. Максимальная пластичность таких соединений получается при использовании для дуговой сварки аустенитной проволоки и электродов с повышенным содержанием никеля и хрома — проволоки Св-07Х25Н13 и Св-13Х25Н18, электроды из этих проволок. Может также применяться проволока Св-08Х20Н9Г7Т. При однопроходной автоматической сварке лучше использовать проволоку Св-13Х25Н18.

3. К недостаткам соединений высокохромистых мартенситных сталей, сваренных аустенитными проволоками и электродами, относятся пониженные характеристики прочности металла шва, особенно по сравнению со сталями с повышенным содержанием углерода, а также повышенная концентрация углерода по линии сплавления и связаннаяс этим несколько более высокая твердость и хрупкость этого металла после отпуска.

4. Учитывая отмеченные недостатки сварных соединений мартенситных сталей с аусте­нитно-ферритным швом, применять аустенитные проволоки целесообразно лишь для сварки изделий из стали 08X13 без последующей термической обработки. Для сварки сталей 12X13 и20X13 аустенитный присадочный металл может быть рекомендован только в случае эксплуата­ции изделий при статических нагрузках без значительных давлений.

5. Для обеспечения равнопрочности шва с основным металлом и высокой пластичности и вязкости сварных соединений сталей 12X13 и, тем более, 20X13 механизированную дуговую одно- или двухпроходную сварку их под флюсом и газоэлектрическую сварку (аргонодуговую, в углекислом газе) следует выполнять проволоками Св-10Х13 и Св-06Х14 и ручную дуговую сварку—электродами типа ЭФ-Х13 из этих проволок. Отпуск сварных соединений или изделий в этом случае является обязательным. Сварные швы, выполненные по такой технологии, по механическим свойствам практически не отличаются от основного металла. Причем в состоянии после сварки эти швы отличаются высокими характеристиками прочности и низкими пластичностью и вязкостью.

6. При многослойной сварке в углекислом газе толстого металла проволоки Св-10Х13и Св-06Х14 могут оказаться непригодными из-за недостаточного содержания в них кремния и марганца, которые интенсивно выгорают при данном методе сварки. В этом случае швы могут быть поражены порами

7. Влияние химического состава и структуры на физико-механические свойства шва:

- заметное увеличение количества низкоуглеродистого феррита и связанное с этим сни­жение вязкости и стойкости против образования трещин шва наблюдается при увеличении в нем содержания хрома более 13% и кремния более 0,35%.

- трещины не образуются при легировании наплавленного металла титаном в количестве 0,10—0,40%. Шов при этом приобретает мелкозернистую дезориентированную структуру, что повышает стойкость его против образования трещин;

- сварные швы, содержащие 12—13% хрома и 0,10—0,25% титана и не более 0,30%кремния, обладают оптимальными механическими свойствами. При увеличении в таких швах содержания титана выше 0,3% количество низкоуглеродистого (структурно-свободного) феррита в них резко возрастает, а ударная вязкость при этом, несмотря на измельченную, дезориентированную структуру, снижается;

- повышением содержания марганца от 0,35 до 0,8% в шве с 12—13% хрома ударная вяз­кость его возрастает;

- аналогично марганцу влияет никель. Влияние увеличения содержания марганца и никеля на ударную вязкость шва в данном случае связано с уменьшением количества низкоугле­родистого (структурно-свободного) феррита в нем;

- аналогично марганцу и никелю действует азот, содержание которого в швах с таким количеством хрома из условий предотвращения пористости не должно превышать 0,08%.

8. Чтобы обеспечить достаточнуюстойкость против образования холодных трещин при сварке стали 20X13 толщиной до 10мм без предварительного подогрева и получить удовлетворительные механические свойства сварных соединений после высокого отпуска, необходимо иметь следующий химический состав металла швов: до 0,12% С; 0,5—0,8%Мо; 0,20—0,35%Si; 12—13%Cr; 0,4—0,8%Ni; 0,15—0,25%Ti. Сталь 20X13 не проявляет склонности к 475-градусной хрупкости и поэтому может применяться в качестве жаропрочного материала для сварных изделий, работающих при температуре до 500 °С.