8.1. Образование и строение зоны сплавления

Строение и свойства сварных соединений разнородных сталей связаны с формированием зоны сплавления и возможностью изменения состава и структурного состояния этой зоны и прилегающих участков в процессе нагрева при эксплуатации, термообработке, в процессе сварки и даже последующего охлаждения.

Любой метод сварки плавлением связан с расплавлением и перемешиванием металлов. Вблизи границ сплавления выявляется кристаллизационная прослойка промежуточного состава между основным металлом и швом. Их протяженность зависит от способа и режима сварки и находится в пределах 0,005...0,6 мм.

При сварке сталей одного структурного класса, но разного легирования наличие кристаллизационных прослоек обычно не влияет на свойства сварного соединения.

При сварке сталей разного структурного класса образование сварного соединения связано с условиями совмест­ной кристаллизации материалов с разными структурными решетками (– и –фазы).

При этом в зоне сплавления образуется промежуточный слой сопрягающихся между собой деформированных структурных решеток. Чем меньше ширина такого слоя, тем больше степень структурной неоднородности.

В пределах изменения состава зоны кристаллизованных прослоек структура и свойства их могут значительно меняться. Так, в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом участок кристаллизационной прослойки с содержанием 3...12 % Сг и 2...7 % Ni имеет структуру высоколегированного мартенсита и является хрупким, что снижает эксплуатационную надежность сварной конструкции.

Рис. 43. Влияние содержания никеля в металле аустенитного шва на ширину хрупких мартенситных прослоек

Регулировать структуру и ширину переходных прослоек можно, изменяя тип электродного металла, степень его аустенитности (рис. 43). При малом запасе аустенитности шва ширина хрупких прослоек Х3 будет большой (шов 3, типа Х18Н9). По мере увеличения этого запаса хрупкие прослойки Х2 и X1 для швов 2 и 1 (сталь Х15Н25М6 и сплав на никелевой основе соответственно) становятся уже.

При этом металл шва б на никелевой основе даже в условиях значительного перемешивания с перлитной сталью а (до 70...80 %) сохраняет аустенитную структуру без мартенситных образований в переходных участках шва в и без опасности образования хрупких прослоек. Целесообразно обеспечить минимальное разбавление аустенитного металла неаустенитным, регулируя величину провара свариваемых кромок.

8.2. Образование диффузионных прослоек в зоне сплавления

При сварке, термообработке или высокотемпературной эксплуатации в зоне сплавления могут создаваться переходные прослойки, обусловленные диффузионным перераспределением элементов на линии раздела разнородных материалов. В наибольшей степени указанные прослойки связаны с миграцией углерода.

Активность углерода обусловлена малым размером его атома, образующим с железом твердые растворы внедрения. Диффузионная подвижность углерода во много раз больше, чем у других легирующих элементов как в –, так и в –Fe. Так, коэффициент диффузии хрома в –железе при Т = 1050 °С составляет 5810^-12 см²/с, а углерода – 2,610^-12 см²/с.

Высокая активность С приводит к образованию обезуглероженной "белой" прослойки со стороны менее легированной стали.

Диффузия углерода и образование диффузионных прослоек обусловлены:

– различной растворимостью углерода в твердом и жидком железе в период контакта сварочной ванны с основным металлом;

– различной растворимостью углерода в – и –Fe;

– образованием химических соединений в стали, куда перемещается углерод, и стимулированием за счет этого протекания процесса реактивной диффузии.

Основное влияние на диффузию углерода оказывает наличие карбидообразующих элементов в свариваемых сталях, так как углерод диффундирует в металл, содержащий элементы, образующие более стойкие карбиды (рис. 44).

Процесс образования диффузионной прослойки относится к процессу реактивной диффузии, обусловленной разной термодинамической активностью карбидов в контактирующих материалах и образованием на границе раздела со стороны легированной стали устойчивых карбидов (Mn, Сг, Mo, V, Nb, Ti).

При отпуске или высокотемпературной эксплуатации со стороны менее легированной составляющей выявляется полностью обезуглероженная прослойка ("белая"), а со стороны легированной составляющей – науглероженная прослойка с содержанием до 15 % С (рис.45).

Рис. 44. Влияние легирующих элементов в легированной стали II на величину обезуглероженной зоны в нелегированной стали I после нагрева (700 С, 100 ч)

Рис. 45. Твердость в зоне сплавления стали 30ХМА со швом типа 08Х18Н10 после нагрева при 700 С

Кинетика роста прослоек определяется экспоненциальной зависимостью от Т (рис. 46, а) и квадратичной от времени выдержки (рис.46, б). В координатах lg –Т и –t рост прослоек отображается прямыми линиями. Для снижения миграции углерода рекомендуют:

1. Уменьшать различие в содержании карбидообразующих элементов между основным и металлом шва (промежуточные облицовочные наплавки).

2. Вводить в малолегированную сталь карбидообразующие элементы Сг, Mo, V, Ti в количествах, необходимых для полного связывания углерода в стойкие карбиды. Так, достаточно ввести в низколегированную сталь 5 % Сг, чтобы подавить диффузию углерода в легированный аустенитный шов при Т = 500...520 С.

3. Применять электродные материалы с повышенной степенью аустенитности. В этом случае никель, как графитизатор, снижает стойкость карбидов, уменьшая связи углерода в карбиде. Применение электродных материалов на никелевой основе ( 80 % Ni ) позволяет избежать появления диффузионных прослоек в сварных швах, работающих при Т < 550 °С.

Рис. 46. Влияние температуры и длительности выдержки на ширину обезуглероженной зоны стали 30 со швом Э-10Х25Н13Г2:

а – зависимость  (lg )–T; б – зависимость –t ()