ГЛАВА IV. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И НАПЛАВКИ

Назад: 2. Технология сварки среднелегированных сталей

3. Технология сварки высоколегированных сталей

Характеристика высоколегированных сталей

В зависимости от структуры основы (матрицы) высоколегированные стали могут относиться к мартенситному, ферритному и аустенитному классам. Кроме сталей с однофазной структурой, в настоящее время широко используют двухфазные стали переходных классов: аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные и мартенситно-ферритные.

Основными легирующими элементами высоколегированных сталей являются: хром, никель, марганец. По системе легирования стали подразделяют на высокохромистые, хромоникелевые, хромоникелемарганцевые и др.

См. слайд 51.

Высокохромистые стали

Структура и свойства хромистых сталей определяются содержанием хрома (> 13 %) и углерода.

Стали 20Х13, 14Х17Н2 относятся к мартенситному классу, стали - 12Х13, 14Х12В2МФ - к ферритно-мартенситному и стали - 12Х17, 08Х17Т к ферритному.

Хромоникелевые стали

Введение в 18 %-ную хромистую сталь свыше 7 % Ni переводит ее в аустенитное состояние. Сталь с аустенитной структурой по сравнению с ферритной обладает лучшими механическими свойствами (сочетание высокой прочности и пластичности), менее склонна к росту зерна и более коррозионно-стойкая.

В зависимости от содержания хрома и никеля хромоникелевые стали могут иметь структуру метастабильного аустенита - стали типа 18-10 (18-9): 04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т и стабильного - стали типа 15-25 (например, 08Х15Н24В4ТР). В сталях с метастабильным аустенитом при определенных условиях возможно превращение аустенита или в мартенсит (при низких температурах, особенно в сочетании с деформацией), или в феррит с выделением карбидов (при повышенных температурах).

Дополнительное легирование хромоникелевой стали позволяет повысить жаропрочность. При этом жаропрочность повышается как за счет упрочнения основы стали - аустенита, так и за счет формирования дополнительных фаз - карбидных или интерметаллидных. Карбидное упрочнение используют в сталях с отношением Cr : Ni > 1 (стали типа 18-9), вводя в состав стали элементы, образующие стойкие карбиды (W, Nb, V). Стали с карбидным упрочнением имеют повышенное содержание углерода (0,3-0,5%).

Более высокие жаропрочные свойства имеют стали с относительно большим содержанием никеля и отношением Cr : Ni < < 1 (стали типа Х12Н20). Благодаря повышенной концентрации никеля в сталях подобного типа создаются условия для интерметаллидного упрочнения. В зависимости от легирования могут формироваться интерметаллидные фазы Ni₃Al, Ni₃Ti, Niз(А1, Ti). Особенно высокой жаропрочностью обладают стали на основе высоколегированного аустенита (30% Ni, 15 % Cr, основа Fe), в котором наблюдается повышенная растворимость вольфрама, молибдена, алюминия, титана. Это позволяет повысить прочность основы - ауcтенита, а в сочетании c интерметаллидным упрочнением обеспечить жаропрочность, соответствующую уровню жаропрочности никелевого сплава ХН77ТЮР.

В сталях с интерметаллидным упрочнением замена никеля марганцем приводит к значительному снижению жаростойкости, поскольку стали этой группы работают при более высокой температуре.

Хромомарганцевые и хромоникелемарганцевые стали

В системе хромомарганцевых сталей из-за пониженной аустенитизирующей способности марганца по сравнению с никелем аустенитная область значительно сужена, а двухфазные области расширены. Для расширения аустенитной области стали легируют аустенитизаторами, главным образом никелем и азотом.

Хромомарганцевые стали (например, сталь 15Х17АГ14) несколько уступают по пластическим свойствам хромоникелевым аустенитным сталям. Однако введение даже небольшого количества никеля (1 ¸ 2 %) приводит к повышению пластичности и вязкости стали, а при большем содержании никеля (4 ¸ 5 %) по своим пластическим свойствам хромомарганцевая сталь близка к хромоникелевой с более высоким содержанием никеля.

Положительное свойство аустенитных сталей с повышенным содержанием марганца - меньшая склонность к образованию горячих трещин при сварке, чем у хромоникелевых аустенитных сталей.

Двухфазные стали

В последние годы значительное применение в промышленности нашли двухфазные стали. Широкому внедрению двухфазных сталей способствовали их высокие прочностные свойства в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, повышенным сопротивлением межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Двухфазные стали, как правило, отличаются от однофазных лучшей свариваемостью.

Двухфазные стали - сложные многокомпонентные системы. Наибольшее применение нашли двухфазные стали на основе системы Fe- Cr- Ni: 07X16H6, 08Х17Н5МЗ, 12Х21Н5Т, 08Х22Н6Т, 10Х20Н6МД2Т.

В зависимости от соотношения хрома и никеля и температуры начала мартенситного превращения двухфазные стали могут относится к аустенитно-мартенситному, аустенитно-ферритному и мартенситно-ферритному классам.

В зависимости от класса высоколегированные стали склонны при сварке к образованию горячих (кристаллизационных и подсолидусных) и холодных трещин, а сварные соединения к межкристаллитной коррозии, охрупчиванию в процессе эксплуатации при повышенных температурах.

Особенности сварки

Межкристаллитная коррозия

Это один из опасных видов коррозионного разрушения. В температурном диапазоне 500-800°С при малой скорости охлаждения наблюдается преимущественное выделение карбидов по границам зерен (Cr₃C, Cr₂₆C₆), приводящее к обеднению пограничных слоев аустенитных зерен хромом до содержания ниже 12%, рис. 35. В результате этого сталь становится склонной к межкристаллитной коррозии, поскольку в гальванической nape (тело зерна - пограничный слой), пограничный слой зерна становится анодом и при наличии агрессивной среды начинает интенсивно разрушаться.

Подобное изменение состава пограничных слоев аустенитных зерен обусловлено тем, что в образовании карбидов участвует углерод, поступающий из глубинных слоев зерна, а хром ввиду меньшей диффузионной подвижности поступает из пограничных слоев. Выпадение карбидов по границам зерен зависит от времени нахождения стали в области опасных температур. Быстрое охлаждение металла позволяет предотвратить выпадение карбидов.

Рис.35. Распределение хрома по зерну аустенитной стали типа 18-8:

а – в состоянии поставки, б – после нагрева в критическом интервале температур:

1- зерно, 2 - карбиды хрома и железа по границам зерна, 3 – обедненные хромом пограничные слои зерна,

4 – график распределения хрома

См. слайд 52.

Коррозия по линии сплавления получила название ножевой. Испытания на межкристаллитную коррозию проводятся по ГОСТ 6032.

Склонность к межкристаллитной коррозии можно предотвратить следующим образом.

1. Уменьшением содержания углерода в стали ниже предела растворимости (0.01…0.02 %). Однако выплавка подобной стали (00Х18Н9) встречает значительные трудности.

2. Введением в сталь элементов – стабилизаторов: титана или ниобия, образующих стойкие, малорастворимые в аустените карбиды. Количество титана или ниобия, вводимого в сталь для предотвращения межкристаллитной коррозии, назначают в зависимости от содержания углерода: титана вводят в соотношении Ti > (5-7)×(С-0,02 %), где 0,02 % - углерод, находящийся в твердом растворе), а ниобия - Nb ³ 10×С (Х18Н9Б).

3. Закалкой (аустенитизацией) с температуры 1050 -1100 ⁰С, при которой растворившиеся в аустените в процессе нагрева карбиды хрома (при Т>900 ⁰С), не успевают вновь выпасть при быстром охлаждении. Аналогичное действие оказывает стабилизирующий отжиг при Т=850-900 ⁰С в течение 2-4 часов.

4. Легированием сварных швов элементами (Мо), придающими металлу двухфазную аустенитно-ферритную структуру.

С точки зрения сварки перечисленные меры могут быть реализованы за счет использования рациональных режимов (максимальной скорости сварки, отсутствия поперечных колебаний, короткой дугой), интенсивного охлаждения швов, как при однопроходной, так и особенно при многопроходной (до 100 ⁰С), применением соответствующих марок проволок и электродов.

Горячие трещины

При выборе состава металла шва необходимо учитывать склонность высоколегированных сталей к образованию горячих трещин и предусматривать меры их предупреждения. В зависимости от стабильности аустенита применяют различные способы борьбы в горячими трещинами. При сварке сталей с метастабильным аустенитом (типа Х18Н9) образование горячих трещин предотвращают путем формирования металла шва с двухфазной аустенитно-ферритной структурой. С увеличением количества ферритной фазы (Cr, Al, Mo) стойкость металла шва против образования горячих трещин возрастает за счет измельчения и дезориентации структуры.

Химический состав металла шва, обеспечивающий заданную структуру, определяют с помощью структурной диаграммы Шеффлера (рис. 36) по эквивалентным концентрациям хрома и никеля. Эквивалентное содержание хрома и никеля в металле шва определяют по формулам:

Ni_экв = Ni% +30 × С% +30 × N% + 0,5 × Mn%;

Cr_экв = Cr% +2×Mo% +l,5×Si% + 5×Ti% +2×Nb% +2×A1% +1.5×Zr% +V%

Поскольку формирование структуры в значительной мере зависит от условий кристаллизации, а структурная диаграмма разработана применительно к ручной дуговой сварке, то в большинстве случаев оценка по структурной диаграмме только качественная.

В аустенитных сталях, работающих при температуре до 400⁰С, содержание ферритной фазы необходимо доводить до 20-25%, в жаропрочных сталях с целью предупреждения охрупчивания количество феррита ограничивают 4-5 %. При сварке стабильно аустенитных сталей (типа 25-20) получить двухфазную структуру затруднительно, поэтому повышение стойкости против трещинообразования достигается снижением содержания ликвирующих примесей (Si, S, P и др.) и легированием Mo, Mn. Трещины не образуются, если Si/C ³ 5.

Для повышения стойкости швов к трещинообразованию необходимо уменьшать растягивающие усилия (за счет уменьшения количества наплавленного металла), используя режимы с малой погонной энергией, а также режимы, обеспечивающие формирование швов с коэффициентом формы > 2 (уменьшается зональная ликвация).

Рис. 36. Структурная диаграмма Шеффлера

См. слайд 53.

Холодные трещины

Образование холодных трещин наблюдается при сварке высокохромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритного классов и обусловлено формированием мартенсита. В некоторых случаях образование холодных трещин наблюдается и при сварке сталей ферритного класса, когда содержание хрома и кремния в стали на нижнем пределе. Предполагают, что образование холодных трещин при подобных условиях обусловлено формированием при быстром нагреве метастабильного аустенита в пограничных слоях ферритных зерен, где из-за растворения карбидов наблюдается повышенная концентрация углерода. В процессе охлаждения возможно превращение метастабильного аустенита в мартенсит.

Во всех случаях при сварке высокохромистых сталей вероятность образования холодных трещин возрастает с повышением содержания углерода, поскольку с увеличением содержания углерода снижаются пластические свойства мартенсита.

Для предотвращения образования холодных трещин используют подогрев до температуры 250-300 ⁰С (предварительный или сопутствующий). При этом целесообразность использования подогрева возрастает с увеличением содержания углерода в стали, а также толщины свариваемого металла. Например, для стали 08Х13 подогрев назначают при сварке металла толщиной свыше 16 мм; для 12Х13 - свыше 10 мм, а для 20Х13 - свыше 8 мм.

После сварки высокохромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритного, а в некоторых случаях и ферритного классов, как правило, применяют высокотемпературный отпуск при температуре 680-720 ⁰С в течение 3-5 ч, а жаропрочные стали отпускают при более высокой температуре (730-750 ⁰С).

Иногда проведение отпуска после сварки вызывает значительные трудности. В подобных случаях отпуск можно не проводить, если сварные соединения работают при статических нагрузках, а сварка выполнена в использованием аустенитных присадочных материалов, обеспечивающих достаточную вязкость соединения за счет формирования металла шва с аустенитной или с аустенитно-ферритной структурой.

Отпуск позволяет не только улучшить механические свойства сварного соединения, но и повысить его коррозионные свойства.

Охрупчивание металла

Охрупчивание сварного соединения может быть вызвано формированием структуры перегрева, характеризующейся крупным зерном или неблагоприятной формой выпадения избыточных фаз. В большинстве случаев охрупчивание металла зоны термического влияния обусловлено сочетанием указанных процессов. Наибольшую склонность к охрупчиванию проявляют высокохромистые стали, особенно ферритного класса, а также хромоникелевые стали переходного аустенитно-ферритного класса.

Известны три вида охрупчивания:

1.Тепловая или 475 ⁰С – градусная хрупкость, характерная для швов с повышенным содержанием феррита и заключающаяся в резком падении ударной вязкости после длительного пребывания металла в интервале температур 350-500 ⁰С.

2. Старение, характерное для аустенитно-ферритных швов и заключающее в падении пластичности вследствие появления вторичных карбидов и одновременно s-фазы после длительного пребывания металла в интервале температур 500-650 ⁰С.

3. Сигматизация, характерная как для аустенитных, так и аустенитно-ферритных швов и заключающаяся в резком снижении пластичности после пребывания металла в интервале температур 700-850 ⁰С вследствие выделения интерметаллида FeCr, известного под названием s-фазы.

Охрупчивание высокохромистых сталей предупреждают, используя режимы с малой погонной энергией, или применяют стали, легированные элементами, снижающими ее склонность к росту зерна в зоне термического влияния. С целью уменьшения неблагоприятного изменения свойств металла зоны термического влияния из-за углерода в хромоникелевых двухфазных сталях обычно ограничивают содержание углерода и снижают содержание карбидообразующих элементов.

Пористость швов

Основной причиной пористости является наличие водорода. Поэтому перед сваркой необходима обязательная прокалка электродов, флюсов, тщательное удаление с поверхности влаги, технологической смазки.

Азот - аустенитизирующий элемент, в связи с этим при сварке аустенитных сталей присутствие азота в зоне сварки допустимо. При добавлении в аргон до 4-6 % азота происходит связывание Н₂ и О₂. Содержание Н₂ уменьшается в 10 раз (до 0.0001%), а О₂ – до 0.005%. Водород выделяется в виде NH₃, а кислород – NO.

Присутствие в зоне сварки углекислого газа может привести к науглероживанию металла сварочной ванны при пониженной исходной концентрации углерода (ниже 0,07 ÷ 0,08%).

К технологическим особенностям сварки: из-за пониженной теплопроводности по сравнению с углеродистыми сталями в 2 и более раза (большее проплавление), повышенного омического сопротивления, большего коэффициента теплового расширения в 1.5 раза (возрастают деформации), можно отнести применение высоких скоростей сварки, меньшего тока, напряжения и вылета проволоки, снижение диаметра и длины электродов.

Способы сварки сталей

При ручной сварке высоколегированных сталей применение электродов с покрытием основного вида позволяет получить наплавленный металл необходимого химического состава в пределах паспортных данных и определенные другие свойства, например гарантированное содержание ферритной фазы в узких пределах.

В качестве примера можно привести электроды марки ЦТ-16 (содержание ферритной фазы 2,5-5,5 %), предназначенные для сварки аустенитных сталей 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 12Х18Н12Т и им подобных. Электроды ЦТ-15 при использовании стандартной проволоки Св-07Х19Н10Б обеспечивают за счет легирования через покрытие содержание ферритной фазы в наплавленном металле в пределах 2,5-4,5 %.

Содержащийся в электродных стержнях титан при сварке практически полностью окисляется. По этой причине при сварке покрытыми электродами в качестве элемента-стабилизатора используют ниобий. Коэффициент перехода ниобия из стержня при сварке покрытыми электродами составляет 60 ÷ 65 %.

Для сталей с низким содержанием углерода наличие значительных количеств СаСОз в покрытии электродов нежелательно, поскольку образующийся углекислый газ может привести к науглероживанию металла сварочной ванны. В подобных случаях можно использовать электроды с окислительным низкокремнистым покрытием. При этом можно избежать не только науглероживания, но и перехода кремния из покрытия в сварочную ванну. Указанные процессы в некоторой мере обеспечиваются при использовании электродов с рутил - основным покрытием, например, марки ОЗЛ-14 .

С металлургической точки зрения для сварки высоколегированных сталей наиболее рациональны фторидные флюсы типа АНФ-5, которые обеспечивают хорошую защиту и металлургическую обработку металла сварочной ванны и позволяют легировать сварочную ванну титаном через проволоку. При этом процесс сварки малочувствителен к образованию пор в металле шва из-за водорода. Однако фторидные бескислородные флюсы имеют относительно низкие технологические свойства. Именно низкие технологические свойства фторидных флюсов служат причиной широкого использования для сварки высоколегированных сталей флюсов на основе оксидов.

К флюсам на основе окислов относятся низкокремнистые типа АН-26, обеспечивающие хорошее формирование металла шва. Однако при сварке наблюдается интенсивное окисление титана, алюминия (не удается легировать шов этими элементами через проволоку) и переход кремния в шов. Последнее при сварке глубокоаустенитных сталей повышает вероятность образования горячих трещин, а при сварке высокохромистых мартенситных сталей приводит к охрупчиванию из-за формирования ферритной фазы.

Наряду с низкокремнистыми для сварки высоколегированных сталей используют флюсы на основе устойчивых окислов - высокоосновные флюсы типа АН-22 (флюс на основе системы Al₂O₃-CaO-MgO). Указанные флюсы обладают хорошими металлургическими и технологическими свойствами. Однако они чувствительны к образованию пор в металле шва из-за водорода.

Сочетание положительных свойств фторидных флюсов и флюсов на основе окислов достигается при использовании фторидных безокислительных флюсов типа АНФ-8 и фторидных окислительных типа АНФ-14, АНФ-17 и АНФ-22. Флюс АНФ-14 используют взамен флюса АН-26. Флюсы АНФ-17 и АНФ-23 позволяют осуществить необходимые при сварке глубокоаустенитных сталей изменения состава металла шва (снижение концентрации кремния, легирование бором и марганцем). Фторидные окислительные флюсы уступают безокислительным флюсам по своим формирующим свойствам.

В некоторых случаях при сварке стабильно аустенитных сталей, особенно системы Cr-Ni-Мо-Сu, используют высокоокислительный низкокремнистый флюс АН-18, а при сварке жаропрочных высокохромистых мартенситных сталей - флюс АН-17, менее окислительный по сравнению в флюсом АН-18.

Сварку высоколегированных сталей для снижения вероятности формирования структуры перегрева, как правило, выполняют на режимах, характеризующихся малой величиной погонной энергии. При этом предпочтение отдают швам малого сечения, получаемым при использовании проволоки диаметром 2 ÷ 3 мм.

Для сварки высоколегированных сталей в атмосфере защитных газов используют аргон, смеси аргоне и гелия, реже углекислый газ.

Аргонодуговую сварку выполняют плавящимися и неплавящимся вольфрамовыми электродами. Плавящимся электродом сваривают на постоянном токе обратной полярности, используя режимы, обеспечивающие струйный перенос электродного металла. В некоторых случаях (в основном при сварке аустенитных сталей) для повышения стабильности горения дуги и особенно снижения вероятности образования пор из-за водорода при сварке плавящимся электродом используют смеси аргона с кислородом или углекислым газом (до 5 %).

Сварку неплавящимся вольфрамовым электродом в основном выполняют постоянным током прямой полярности, в некоторых случаях при наличии в сталях значительного количества алюминия используют переменный ток для обеспечения катодного разрушения окисной пленки.

При сварке высоколегированных сталей в среде углекислого газа снижается вероятность образования пор в шве из-за водорода, при этом обеспечивается относительно высокий коэффициент перехода легкоокисляющихся элементов. Так, например, коэффициент перехода титана из проволоки достигает 50%, а при сварке в аргоне – 80 ÷ 90%. Для сварки стали Х18Н10Т используется проволока марки Св-08Х20Н9С2БТЮ. При сварке сталей, имеющих высокое содержание хрома и низкое кремния, на поверхности шва образуется тугоплавкая, трудноудаляемая окисная пленка, которая затрудняет проведение многослойной сварки.

При сварке сталей с малым содержанием углерода (ниже 0,07 ÷ 0,08%) возможно науглероживание наплавленного металла. Переход углерода в сварочную ванну усиливается при наличии в проволоке алюминия, титана, кремния. В случае сварки аустенитных сталей некоторое науглероживание металла сварочной ванны в сочетании с окислением кремния снижает вероятность образования горячих трещин. Однако науглероживание может изменить свойства металла шва и, в частности, снизить коррозионные свойства.

При сварке в углекислом газе наблюдается повышенное разбрызгивание электродного металла. Наличие брызг на поверхности металла снижает коррозионную стойкость. Особенности сварки в атмосфере углекислого газа необходимо учитывать при разработке технологии сварки.

Далее: 4. Технология сварки плакированных сталей