Сварка хладостойких никелевых сталей.
Среднелегированные стали – это стали, легированные одним или несколькими элементами при сумме их содержания 2,5 – 10%.
Группа среднелегированных сталей предназначена для работы при температурах до –1960С. Это стали криогенной техники, для машин и оборудования, предназначенных для получения, перевозки и хранения сжиженных газов и, следовательно, эксплуатируемых до температур кипения:
Кислород – 1830С
Азот – 1960С
Неон – 2470С
Водород – 2530С
Гелий – 2690С
сжиженных углеводородов (метил, бутан и др.) температура кипения которых лежит в интервале от -80 до -1800С. в последние годы в криогенной технике наряду с аустенитными сталями и алюминиевыми сплавами начали использоваться экономно легированные стали ОН3, ОН6 и ОН9, отличающиеся высокими значениями пределов прочности, текучести и позволяющие, благодаря этому, снизить вес сварных металлоконструкций. Никелевые стали, например, используются для изготовления резервуаров изотермического хранения сжиженных газов:
· Сталь ОН3 для хранения углекислого газа при –780С;
· Сталь ОН6 для хранения сжиженного этилена при –1040С;
· Сталь ОН9 для хранения сжиженного кислорода пери –1830С и сжиженного азота при –1960С.
Как и для других конструкционных материалов, основное требование к криогенным материалам – механическая прочность.
В общем можно отметить, что при понижении температуры прочность повышается, а пластичность и вязкость снижаются. Отсюда прочность швов и основного метала должна гарантироваться при комнатной температуре, а пластичность и вязкость при низкой температуре эксплуатации.
Хладостойкие стали сохраняют на протяжении неограниченного времени под напряжением достаточные пластичность и вязкость при низких температурах, они не чувствительны к концентрации напряжения.
Оценивать свариваемость различных сталей, и в частности хладостойких, а также необходимые условия сварки, обеспечивающие получение работоспособного сварного соединения, необходимо на основании следующих положений:
1. Получение сварного соединения без каких либо дефектов и, прежде всего, без холодных и горячих трещин.
2. Получение сварного соединения с уровнем прочности, пластичности и вязкости, обеспечивающими надлежащую работоспособность при требуемых условиях эксплуатации.
3. Необходимость применения специальных технологических мер при сварке (подогрев, регулирование погонной энергии и т.д.) для выполнения условий 1 и 2.
4. Необходимость проведения термообработки после сварки хладостойких сталей имеет свои особенности, связанные с составом свариваемых сталей, их структурным состоянием перед сваркой.
Все 3 никелевые стали сложены по фазовому и структурному состоянию. Из–за того, что Ni является сильным аустенизатором, то альфа – область сильно сужается, а точка А3 значительно понижается, Ni сильно снижает критическую скорость охлаждения при закалке. Поэтому стали с 9 % Ni, после охлаждения, например, после сварки, на воздухе закаливаются с образованием мартенсита или мартенсита с аустенитом. Сталь с 6 % Ni при охлаждении на воздухе дает ферритно-мартенситную структуру, а при более быстром охлаждении – мартенсит. Сталь с 3 % Ni закаливается только при ускоренном охлаждении в воде. Рассмотренные стали в закаленном состоянии не применяются. Обычно после закалки применяют отпуск при температуре 6900 С, а для сталей 06Н6 и 06Н9 применяют еще и нормализацию при температуре 8600С.
В результате отпуска закаленные стали имеют высокую хладостойкость. При нагреве до температуры отпуска происходит превращение 
в j и в стали имеющей аустенит, например 06Н9, появится некоторое количество остаточного аустенита, обеспечивающего хорошую вязкость.
Мартенсит распадается на феррит и карбид.
Хладостойкость определяется не только содержанием никеля, но и однородностью состава, мелко зернистостью строения. Поэтому их подвергают нормализации.
Никелевые стали успешно свариваются различными видами сварки. Для сварки стали 06Н3 применяют электроды или проволоку того же состава, либо аустенитную хромоникелевую. Для стали 06Н6 – проволоку аустенитную хромоникелевую. Для стали 06Н9 материала на никелевой основе. Сварка никелевых сталей связана с определенными трудностями, а именно:
Использование при дуговой сварке присадочных материалов близких по составу к свариваемым сталям вызывает необходимость подогрева свариваемых изделий для предотвращения холодных трещин. Необходимо также ограничивать содержание серы в швах (до 0,03 %) с целью предупреждения возникновения горячих трещин из–за образования легкоплавкой эвтектики Ni – Ni3S2. Кроме того, для измельчения зерна в литом металле шва с целью обеспечения необходимой его ударной вязкости при отрицательных температурах необходимо подвергать сварные соединения одинарной или даже двойной нормализации. В связи с этим для сварки хладостойких никелевых сталей целесообразно применять электроды и сварочные проволоки аустенитного класса, что обеспечивает достаточную технологическую прочность и высокий уровень ударной вязкости швов без термической обработки.
Проведение термообработки сварного соединения не всегда осуществимо, из-за больших размеров изделия и отсутствия печей таких габаритов. Выполнить местную термообработку нельзя, из-за того, что она может оказать неблагоприятное воздействие на свойства или напряженное состояние соседских зон. Это дорогая и сложная операция. Использование аустенитных сварочных материалов вызывает, в свою очередь, определенную химическую, структурную и механическую неоднородность зон сплавления, что может сдвигать порог хладноломкости в область повышенных температур. Наибольшую опасность представляют возможность образования мартенситных прослоек в зоне сплавления. Однако толщина этих хрупких прослоек может быть уменьшена за счет увеличения запаса аустенитности швов, как это видно на диаграмме Шеффлера..
В связи с этим автоматическая сварка сталей ОН3 и ОН6 под слоем флюса АН-26С выполняется проволокой Св-10Х16Н25АН6, а стали 0Н9 – проволокой Св – 06Х15Н6ОМ15. термическая обработка после сварки не производится.
Cварка коррозионно-стойких мартенситных сталей типа 12Х5М, работающих при повышенной температуре.
Стали мартенситного класса марок 12Х5М, 12Х5МФ, 12Х6СМ предназначены для изготовления корпусов и внутренних элементов аппаратов нефтеперерабатывающих заводов, работающих при температуре до 600оС в контакте с крекинг газом, парами бензина и керосина.
В зависимости от типа конструкции и её назначения к сварным соединениям из среднелегированных сталей предъявляются требования необходимой и достаточной прочности в условиях эксплуатации, коррозионностойкости, стойкости против взрывных нагрузок и т. д.
В связи с особыми свойствами (физико-химическими) среднелегированных сталей выполнение этих требований является достаточно сложной задачей. Восприимчивость этих сталей к закалке, а также высокий уровень механических свойств обусловливают ряд специфических трудностей, возникающих при сварке:
1. Склонность сварных соединений к холодным трещинам в околошовной зоне (реже в металле шва) из-за повышенного содержания углерода и под воздействием водорода.
2. Пониженная стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин, обусловленная повышенным содержанием углерода и легирующих элементов и воздействием серы.
3. Трудность получения металла шва, О.Ш.З и сварного соединения в целом с механическими свойствами, одинаковыми с основным металлом или близкими к его свойствам.
Холодные трещины – наиболее распространённый дефект О.Ш.З. и металла шва сталей, склонных к резкой закалке, имеющие в результате термического цикла сварки структуру мартенсита и остаточного аустенита. Поэтому, если для сварки применяли сварочную проволоку того же состава, что и О.М. или близкую к его составу, то возникает закалочная структура мартенсита и остаточного аустенита. При наличии и повышенной концентрации водорода и воздействии внутренних напряжений могут возникнуть холодные трещины.
Холодные трещины возникают как в интервале температур образования мартенсита (250оС и ниже), так и после полного остывания сварного изделия, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (через 24 – 48 ч). Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем вероятнее образование холодных закалочных трещин. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования закалочных трещин возрастает.
Элементы, снижающие температуру j – М превращения, усиливают склонность металла к образованию холодных закалочных трещин. К этим элементам прежде всего относится углерод. Температура мартенситного превращения снижается при повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена и др.
О свариваемости, применительно к её чувствительности к закаливаемости, ориентировочно судят по коэффициенту эквивалентности по углероду для различных легирующих элементов:
Сэ = С% + (Mn/6)% + (Cr/5)% + (V/5)% + (Mo/4)% + (Ni/15)% + + (Cu/13)% + (P/2)%.
Стали с эквивалентом по углероду >0,45 – склонны к образованию трещин при сварке. Однако этот критерий не является основанием для неприменением стали в сварной конструкции.
Образование холодных трещин спустя некоторое время после полного остывания сварного соединения является наиболее неприятным, т.к. качество изделия теряется после его контроля. Замедленное разрушение связано с тем, что углерод и легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита и смещают мартенситное превращение в область пониженных температур. Нестабильный остаточный аустенит в структуре мартенсита с течением времени распадается при 20оС. Интенсивность этого процесса усиливается при охлаждении ниже 0оС.
При распаде остаточного аустенита образуется хрупкая структура неотпущеного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения, кроме сварочных, в области хрупких структур шва и околошовной зоны. Вследствие увеличения микрообъёмов металла при распаде остаточного аустенита происходит зарождение и развитие трещин в ранее образовавшемся мартенсите. Чем грубее структура первичного мартенсита, тем она боле хрупка, и образование трещин более вероятно.
Возникающие структурные превращения при распаде остаточного аустенита суммируются с растягивающими напряжениями сварки от реакции жёсткой заделки и в критических случаях приводят к появлению трещин в течение времени. Этот эффект усугубляется наличием различных концентраторов напряжений: подрезами, непроварами, включениями и т. д.
Образованию трещин с течением времени способствует водород, растворённый в металле; он, растворённый в металле, с распадом аустенита, постепенно выделяясь в несплошности структуры в виде молекулярного водорода, создаёт местные внутренние давления, облегчающие возможность образования микротрещин. Если наплавленный металл имеет устойчивую аустенитную структуру, трещины в околошовной зоне не возникают, даже если в зоне сплавления резко возрастает концентрация водорода. Объясняется это тем, что аустенит хорошо растворяет водород, но обладает плохой для него проницаемостью и в этом случае служит своеобразным запорным слоем для перемещения водорода и его скопление в опасных зонах. В то же время аустенитные швы обладают высокой деформационной способностью, что ослабляет напряжённое состояние металла и тем самым снижает отрицательное действие водорода.
Для предотвращения холодных трещин при сварке необходимо:
1. Применять меры по предупреждению попадания водорода в зону сварки – использование низководородистых сварочных материалов, зачистка свариваемых кромок от ржавчины, масел. Это достигается высокотемпературным режимом прокалки сварочных материалов (550 -–750оС).
2. Применять меры, направленные на снижение скорости охлаждения в мартенситном интервале температур (250оС и ниже), и создание условий для развития самоотпуска мартенсита, в результате чего получится более пластичный металл. Это достигается за счёт применения подогрева перед сваркой и отпуска после сварки.
3. Отсутствие грубодендритной закалочной структуры литого металла шва за счёт применения специальных присадочных проволок и флюсов, многослойной сварки, колебательных движений электрода при автоматической сварке, импульсного режима сварочного тока (при малых толщинах металла), подбора оптимальных режимов сварки.
Получение равнопрочных О. М. сварных соединений достигается двумя путями:
1. Сварные соединения, подвергающиеся термической обработке после сварки.
2. Сварные соединения, не подвергающиеся термической обработке после сварки.
В первом случае металл шва близок по химическому составу к основному. Термообработка заключается в закалке с высоким отпуском, иногда проводится лишь высокий отпуск – для получения более равновесных структур и полного снятия сварочных напряжений. Повышается пластичность и ударная вязкость.
Если сварные соединения работают при температуре выше 450оС, когда при эксплуатации по линии сплавления возможно развитие диффузионных процессов, в частности миграции углерода, для сварки используются присадочные материалы, близкие по составу к свариваемой стали. Так, при ручной дуговой сварке применяют электроды марки ЦЛ-17 (тип Э-10Х5МФ), а при автоматической под флюсом АН-15 - сварочную проволоку Св-10Х5М. В этом случае для предотвращения образования холодных трещин сварку выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом свариваемых изделий до 300 – 350оС, а сварочные материалы подвергают высокотемпературной прокалке перед сваркой (для удаления углерода). После окончания сварки необходимо использовать отпуск сварных соединений при температуре 750 -–760оС со скоростью охлаждения не более 50оС/час для снятия остаточных сварочных напряжений, стабилизации структуры твёрдости и других механических свойств.
Термообработка после сварки не проводится, если для сварки применяли аустенитные присадочные материалы. Металл шва получается с аустенитной структурой. Шов отличается высокой пластичностью и ударной вязкостью. Для равнопрочности с основным металлом увеличивают сечение шва. В этом случае металл шва, отличаясь по химическому составу от О. М., сохраняет высокую деформационную способность и имеет повышенную стойкость околошовной зоны к образованию холодных трещин.
Если температура эксплуатации сварных соединений ниже 450оС, а толщина свариваемых элементов менее 20 мм, появляется возможность отказа от подогрева свариваемых изделий и термической обработки сварных соединений за счёт применения аустенитных присадочных материалов, обеспечивающих получение пластичного металла шва. В этом случае для ручной дуговой сварки используются электроды марок ЦЛ-9, ОЗ-6 или другие типы Э-10Х25Н13Г2Б, а для автоматической сварки под флюсом АН-22 - проволока Св-Х20Н9Г7Т.
Серьёзной проблемой свариваемости является пониженная сопротивляемость горячим трещинам. Элементы, обусловливающие образование горячих трещин – сера, углерод, фосфор, кремний, медь, никель. Элементы, повышающие стойкость и нейтрализующие действие серы – Mn, O2, Ti, Cr, V. Меры предупреждения трещин – технологические и металлургические.
Тема 4. Сварка высоколегированных сталей и сплавов.
Особыми физическими свойствами (коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью и т. д.) обладают высоколегированные стали и сплавы на железной, железоникелевой и никелевой основах.
Высоколегированные стали – это сплавы на железной основе, содержащие от 5 до 55% легирующих элементов. Сплавы на никелевой основе содержат Ni >= 55%.
Высоколегированные стали и сплавы широко используются в химической и нефтехимической промышленности, в авиационной и ракетной технике, в атомном и энергетическом машиностроении, при изготовлении печного оборудования и пищевой аппаратуры.
В зависимости от основных свойств высоколегированные стали подразделяются на следующие группы:
Коррозионно-стойкие – стойкость против электрохимической, межкристаллитной и т. д. коррозии.
Жаростойкие (окалиностойкие) – стойкость против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550оС, работающие в ненагруженном состоянии.
Жаропрочные – работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение времени.
Заданные основные свойства и соответствующая работоспособность зависят от химического состава и системы легирования. В соответствии с хим. составом стали подразделяются на следующие структурные классы.
1. Мартенситные – структура мартенсит.
2. Мартенситно-ферритные – структура мартенсит + не менее 5 – 10% феррита.
3. Ферритные – структура феррит.
4. Аустенитно-мартенситные.
5. Аустенитно-ферритные.
6. Аустенитные.
Cтруктура стали и сварных швов определяется соотношением содержащихся в ней аустенизирующих (Ni, C, N, Mn,Cu) элементов и ферритизирующих (Cr, Al, V, Ti, Si, Nb, Mo, W). Диаграмма Шеффлера – применяется для определения структуры швов. Увеличение того или другого легирующего компонента расширяет или сужает ту или иную структурную область, изменяя при этом свойства стали, сварных швов, их работоспособность. Например, введение в 11 – 13%-ные хромистые стали 1 – 2% никеля, т. е. аустенизатора, улучшает их прокаливаемость и предотвращает получение структурно свободного феррита, вследствие чего повышаются прочность и пластичность закалённого и отпущенного металла.
4.1. Сварка жаропрочных мартенситных сталей типа 15Х11В2МФ.
Жаропрочные 12%-ные хромистые стали, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием, обладают по сравнению с низколегированными теплоустойчивыми сталями повышенной жаростойкостью и жаропрочностью. Так, предел длительной прочности сталей 15Х11МФ, 15Х11В2МФ и 15Х12ВНМФ при температурах 50 – 610оС за 100.000 часов изменяется в пределах 10 – 16 кгс/мм2.
Применение этих сталей вместо перлитных позволяет повысить рабочие температуры и давление пара в котлотурбинных установках без значительного увеличения толщины сечения рабочих элементов.
Вследствие дополнительного легирования молибденом, вольфрамом в структуре стали, наряду с мартенситом, может содержаться до 20 – 40% феррита, независимого от температуры закалки. Установлено, что лучшими характеристиками жаропрочности обладают стали, содержащие не более 15 – 20% структурно свободного феррита. Более высокий процент обуславливает резкое разупрочнение стали при высоких температурах, нестабильность свойств, снижение пластичности. Для снижения феррита их легируют никелем и марганцем или повышают содержание в них углерода. Т. е. эти элементы сужают область существования -фазы. Наличие -фазы и % её содержания в М. М. и зоне сплавления зависит от системы легирования.
С целью предотвращения развития диффузионных процессов в зоне сплавления при эксплуатации сварных соединений химический состав швов стремятся приблизить к химическому составу свариваемой стали. При этом содержание 
-феррита в швах стремятся ограничить 10%, т. к. при большем содержании -феррита снижается как длительная прочность, так и ударная вязкость швов. Последнее достигается введением повышенного содержания углерода в швы (0,10 – 0,14%) и дополнительным легированием их никелем (0,6 – 1,0%). Так, для сварки стали 15Х11МФ рекомендуются электроды КТН-9 (тип Э-12Х11НМФ), а для стали 15Х11В2МФ электроды ЦЛ-32 (тип Э-12Х11НВМФ) и при сварке под окислительным флюсом АН-17 проволока ЭП-390 (Св-15Х11ГНВМФ).
Сварка сталей обусловлена рядом трудностей.
1. Из-за низкой теплопроводности стали в зоне сварки возникает высокий градиент температур и, вследствие этого, повышенный уровень временных и остаточных сварочных напряжений.
2. Мартенситное превращение в этих сталях отрицательно влияет на образование холодных трещин в металле шва и ЗТВ. В ЗТВ обязательно образуется мартенсит, т. к. мартенситный распад происходит при пониженных температурах (~ 150оС) и этим исключается протекание самоотпуска. Образующийся мартенсит в этих условиях имеет повышенный уровень микронапряжений и повышенную хрупкость.
3. В связи с тем, что мартенситные стали являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска (структура сорбит), участки ЗТВ, нагревавшиеся при сварке до температуры, близкой к А1 (723оС), разупрочняются. Такое разупрочнение отрицательно влияет на жаропрочность. Разупрочнённые участки ЗТВ не могут быть ликвидированы последующей после сварки простой термообработкой – отпуском - и требуют сложной, двойной термообработки – нормализация с отпуском.
Высокохромистые стали можно сваривать различными способами сварки. Общим условием является использование технологии с наименее интенсивным тепловым воздействием сварочного источника теплоты на участки ЗТВ. Это уменьшает размеры мартенситной зоны. Для устранения градиента температур и уменьшения сварочных напряжений стали перед сваркой подогревают.
Повышенная склонность свариваемого металла и металла шва к образованию мартенсита и других закалочных структур требует применения высокого подогрева при сварке. Так, при толщине свариваемых элементов свыше 30 мм необходимая температура их подогрева составляет 350 – 400оС.
Распад мартенсита протекает в более благоприятных условиях. Подогрев может быть недостаточным для предотвращения холодных трещин, они могут возникнуть сразу после сварки или в процессе охлаждения. Для их предупреждения после окончания сварки рекомендуется задержание охлаждения сварного соединения при 100 – 150оС для распада остаточного аустенита в мартенсит с последующим высоким отпуском сварных соединений при температуре 740 – 760оС в течение 5 –7 часов. Время выдержки зависит от содержания в стали углерода и толщины свариваемого изделия.
Такой термический режим сварки и режим термической обработки обеспечивает сорбитообразующую структуру и наиболее оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств. В связи с высоким уровнем легирования 12%-ные хромистые жаропрочные стали являются структурно-стабильными (отпускоустойчивыми) и в сравнительно малой степени подвержены разупрочнению при сварке. Длительная прочность сварных соединений составляет 85 – 95% от длительной прочности основного металла.
Мартенситные жаропрочные стали сваривают с присадочными материалами, обеспечивающими металл шва, по составу и свойствам близкий к основному. В этом случае должны соблюдаться все отмеченные выше условия сварки.
Иногда для монтажных или ремонтных условий, где проведение термообработки связано с большими трудностями, для сварки можно применять аустенитные присадочные материалы.
4.2. Сварка ферритных сталей типа 12Х17, 15Х25Ю5.
Стали, содержащие от 15 до 30% хрома, являются коррозионно-стойкими. Легирование их титаном или ниобием повышает сопротивление межкристаллитной коррозии, а легирование алюминием увеличивает жаростойкость (сопротивление окислению при высоких температурах).
Стали ферритного класса – однофазные, но они не закаливаются, т. к. не подвержены структурным превращениям при нагреве и охлаждении.
Ухудшение свариваемости сталей связано с тремя причинами:
1. Повышенной склонностью к росту ферритного зерна, неустраняемое термической обработкой.
2. Склонностью металла к охрупчиванию.
3. Возможностью межкристаллитной коррозии.
Склонность к росту зерна. Отсутствие в этих сталях фазовых или структурных превращений делает последующее измельчение зерна в процессе охлаждения невозможным.
В результате роста зерна снижается прочность, ударная вязкость и пластичность при комнатных (и более низких) температурах.
Однако пластичность околошовной зоны и металла шва резко возрастает с повышением температуры до 100 – 200оС, что связано с переходом через порог хладноломкости. Так, если при 20оС ударная вязкость зоны термического влияния стали 08Х17Т толщиной 10 мм составляет около 10 дх/см2 (1 кгс/см2), то при 160оС она достигает 200 дх/см2 (20 кгс/см2).
Для предупреждения роста зерна следует создавать тепловой режим сварки, исключающий перегрев металла. Выгодны режимы с малой погонной энергией и высокой плотностью мощности, а также специальные технологические приёмы (сварка короткими участками, валиками малых сечений, с перерывами и т. д.).
Для измельчения зерна целесообразно применять сварочные материалы, содержащие элементы – модификаторы (Al; Ti и т.д.).
Склонность металла к охрупчиванию –
потеря пластичности при нагреве металла шва и О.М.З. до высоких температур.
Известны два основных вида охрупчивания металла при сварке сталей ферритного класса.
1. Тепловое охрупчивание (475 – градусная хрупкость). Появляется при нагреве металла в интервале температур 350 – 500оС. Способствуют такие элементы как Cr,V, Si, Nb, в меньшей мере – Ti, Al. Точные причины не установлены, предполагают, что причиной тепловой хрупкости может быть выпадение субмикроскопических частиц по границам зёрен феррита.
2. Снижение пластичности металла вследствие выпадения вторичных карбидов хрома по границам зёрен. Карбиды не могут противостоять возникающим в металле напряжениям, результатом чего становится охрупчивание металла и возможность образования холодных трещин.
Чтобы предупредить охрупчивание второго вида и возникновение холодных трещин, при сварке используют предварительный и сопутствующий подогрев свариваемых изделий выше температурного интервала хрупкости (150 – 180оС). Второй мерой, ослабляющей эффект охрупчивания М. М. служит уменьшение содержания углерода и азота.
3. Межкристаллитная коррозия металла – протекает преимущественно по границам зёрен после нагрева до температуры выше 900оС.
Межкристаллитная коррозия связана с образованием по границам зёрен карбидов хрома и обеднением в связи с этим пограничных участков зёрен хромом. Пониженное содержание хрома по границам зёрен приводит к их повышенному поражению коррозией.
Под влиянием окружающей среды (кислорода) зёрна феррита, содержащие большое количество хрома, и обогащённые хромом карбиды приобретут положительный потенциал. Периферийные участки зёрен, обеднённые хромом, приобретут отрицательный потенциал. Создаётся большое количество микрогальванопар, где катодом являются зерно феррита и карбиды, а анодом – обеднённые хромом участки зерна. Возникающий коррозионный ток достигает значительной величины и процесс межкристаллитной коррозии активно развивается. Напряжённое состояние участков повышает эффективность процесса.
Склонность к межкристаллитной коррозии устраняется введением в металл титана в количестве, в 5 раз большем, чем содержание углерода для связывания углерода и предотвращения образования карбидов хрома по границам зёрен.
Ферритные стали сваривают по двум вариантам.
1. Применяемые однотипные материалы позволяют получить сварные соединения, отличающиеся после соответствующей термообработки структурной однородностью с О. М. и необходимой прочностью.
2. Применяемые сварочные материалы обеспечивают получение сварных соединений, для которых характерна структурная неоднородность (шов – аустенит, О. М. – феррит) и неравнопрочность с О. М.
По первому варианту целесообразен подогрев изделия до 150 – 180оС и немедленная термообработка после сварки для повышения пластичности сварного соединения и его стойкости к холодным трещинам, и для несодержащих Ti или Nb – против межкристаллитной коррозии.
Режим термообработки: нагрев до 760 – 780оС с выдержкой не менее 10 часов и последующим быстрым охлаждением в холодной воде. Полностью растворяются в феррите выпавшие при сварке карбиды. Быстрое охлаждение не позволяет им снова выпасть из раствора. Предотвращает 475оС хрупкость.
В ряде случаев (для сталей, неработающих в коррозионно-активных средах) достаточен и высокий отпуск при t = 700 – 750оС. Применяется и для легированных Ti и Nb для снижения роста зерна и повышения ударной вязкости.
Предварительный и сопутствующий подогрев свариваемых изделий выше температурного интервала хрупкости. Для уменьшения величины зерна рекомендуется использовать сварочные источники теплоты с высокой плотностью мощности, а режимы должны обеспечивать малую погонную энергию.
Дуговая сварка сталей 12Х17, 08Х17Т может осуществляться покрытыми электродами марок ЦЛ-10, УОНИ / 10Х17Т, НЗЛ-Х17 (тип Э-10Х17), а сталей 15Х25Т, 15Х28 и 15Х25!5 электродами марки НЗЛ / Х30. для измельчения зерна металла шва в состав покрытия электродов вводится ферротитан и алюминий. Более широко для сварки ферритных хромистых сталей используются сварочные материалы аустенитного или аустенитно-ферритного классов. Так при сварке сталей с 17% хрома применяют электроды марок ЦЛ-9, ОЗЛ-8 (типа Э-10Х25Н13Г2Б), а для автоматической сварки под слоем флюса, когда доля участия основного металла в формировании шва выше, сварочную проволоку Св-Х25Н18. Для сварки в струе углекислого газа рекомендуется сварочная проволока Св-08Х20Н9Г7Т. Более высокое качество сварных соединений обеспечивается при использовании проволоки Св-08Х25Н12ТЮ. Для сварки жаропрочных сталей 15Х25Т рекомендуется проволока Св-08Х20Н15ФБЮ. При сварке ферритных сталей аустенитными сварочными материалами достигается более высокая пластичность сварных соединений, однако следует учитывать различие коэффициентов теплового расширения основного металла и швов и не использовать эту технологию при сварке изделий, подвергающихся теплосменам в процессе эксплуатации.
Глава №7
4.3 Сварка жаропрочных аустенитных сталей.
В связи с более плотной упаковкой атомов в решетке гранецентрированного куба (g-железо) по сравнению с объемно-центрированной решёткой (a-железо) аустенитные хромоникелевые стали по сравнению с перлитными (15Х1М1Ф) или мартенситными (15Х11В2МФ) обладают повышенными характеристиками длительной прочности и сопротивления ползучести. Более высокую жаропрочность можно достичь за счет дополнительного упрочнения сталей дисперсными карбидами (Cr23C6; NdC; TiC) и интерметалидами (FeW; Ni3Ti), что обеспечивается легированием сталей вольфрамом, титаном, ниобием и другими элементами. Известно, например, следующие стали: 10Х18Н12Т, 06Х16Н9М2, 10Х14Н14В2К, 10Х15Н35ЗТ. Сварка жаропрочных аустенитных сталей осложняется повышенной склонностью сварных соединений к локальным разрушениям по зоне с плавления в процессе эксплуатации.
Склонность швов к образованию горячих трещин обусловлена:
1. Развитой транскристаллитной первичной структурой швов.
2. Повышенной линейной усадкой кристаллизирующегося металла и значительными растягивающими напряжениями, действующими на сварочную ванну в процессе затвердевания, что обусловлено высокими значениями коэффициента линейного расширения аустенитных сталей (17-18*10-6 против 10-12*10-6 для перлитных сталей).
3. Многокомпонентным легированием, усиливающим вероятность появления малых количеств легкоплавкой эвтектической составляющей на границах дендритов в момент завершения кристаллизации сварочной ванны. (Например, эвтектика Ni-Ni3S2 имеет температуру плавления около 6660С).
На практике нашли применение следующие пути предотвращения образования горячих трещин: 1. Обеспечение в металле шва 2-5% d -феррита для измельчения
транскристаллитной первичной структуры и повышения растворимости в металле вредных примесей (например, растворимость Si и S в феррите больше чем в аустените). Примером могут являться электроды ЦТ-15. Этот путь
предотвращения образования горячих трещин приемлем для сталей с запасом аустенитности, когда (ЭNi / ЭCr2)>(10Х18Н12Т, 06Х16Н9М2), а температура эксплуатации не превышает 6500С.
2. Уменьшение в металле шва ликвирующих примесей, образующих на завершающей стадии кристаллизации прослойки (плёнки). Снижение содержания серы, фосфора, кислорода, мышьяка, олова, свинца достигается применением особо чистой шихты и вакуумной выплавки стали, для изготовления сварочной проволоки. Примером могут являться электроды марки: АЖ-13-18.
3. Повышение содержания некоторых легирующих элементов шва, обеспечивающих объёмную сплошную сетку эвтектики, которая может заполнять («залечивать») несплошности между кристаллами при температурах солидуса. Примерами могут служить электроды КТИ-7, обеспечивающие карбидо-ниобиевую эвтектику в сталях типа 30Х13Н35В2Б3 и сварочная проволока Св-30Х25Н16Г7.
4. Блокирование полигонизационных процессов в закристаллизовавшемся металле шва при температурах солидуса за счёт легирования швов молибденом или вольфрамом. (Электроды марки ЭА-395 / 9, обеспечивающие швы композиции 09Х15Н25М6).
Локальные разрушения сварных соединений в около шовной зоне могут происходить в процессе эксплуатации при высоких температурах или в процессе термической обработки сварных соединений, если нагрев в зоне «опасных» температур (600-8000С) происходит с недостаточной скоростью. Основными причинами локальных разрушениях являются: повышение концентрации по границам зерен в около шовной зоне таких поверхностно активных элементов как углерод и кислород, что приводит к ослаблению границ зерен; охрупчивание зоны термического влияния за счет выпадения коагуляции карбидов, интерметаллидов; возникновение остаточных сварочных, рабочих напряжений и напряжений от теплосмен для предотвращения локальных разрушений сварных соединений рекомендуется использовать их высокотемпературную термическую обработку (аустенизацию) при температуре 1050-11000С, что гомогенизирует металл и практически полностью снимает остаточные сварочные напряжения.
4.4. Сварка двухслойных сталей
Двухслойные стали в виде листового проката изготавливают с целью экономии легирующих элементов, и они находят широкое применение в химической и нефтехимической промышленности. Двухслойный прокат состоит из коррозионно-стойкого (планирующего) и не коррозионного (основного) слоёв. Материалом планирующего слоя могут являться высокохромистые ферритные, мартенситные (08Х13, 12Х13) или хромоникелевые аустенитные стали (08Х18Н1ОТ, 10Х17Н15МЗТ). В качестве основного слоя используются углеродистые (ВСтЗсп, 20К) или низколегированные стали (09Г2С, 12ХМ). Толщина плакирующего слоя составляет обычно 4-10мм, а толщина основного может доходить до 200мм. Сварка двух слоев выполняется раздельно. В зависимости от толщины металла габаритов изделия, расположения швов и объема производства может использоваться дуговая сварка покрытыми электродами полуавтоматическая и автоматическая сварка под слоем флюса.
Выбор сварочных материалов определяется составом свариваемых сталей. Первым сваривается основной слой, вторым – планирующий. Этот порядок обусловлен требованием не подвергать повторному нагреву сварное соединение высоколегированной стали с целью обеспечения его высокой коррозионной стойкости и предупреждения образования хрупких мартенситных прослоек в зоне с плавления металла шва основного слоя с металлом шва планирующего слоя. С этой целью между швами основного и планирующего слоями иногда накладывают разделительные швы с большим запасом аустенитности. Нап