Глава 13 ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Назад: 13.3 Хромоникелевые стали.

13.4 Характеристика свариваемости

Рассмотрение вопроса начнем со свариваемости высокохромистых сталей ферритного класса (08Х17Т, 15Х28) Основной ее проблемой является их склонность к резкому охрупчиванию под действием сварочного нагрева (значения KCU и в околошовной зоне становятся недопустимо низкими). Охрупчивание объясняется как пересыщением твердого раствора углеродом и азотом, так и интенсивным ростом зерна аустенита. Наибольший рост зерна при сварке происходит на участке перегрева при Т_max Т_сол, т.е. вблизи линии сплавления. Ширина охрупченного участка может достигать 2,5...3,0 мм и практически никакой термообработкой не устраняется. Повышение хрупкости происходит также при длительной эксплуатации сварных соединений при Т 550…850 ⁰С из-за выпадения в зоне термического влияния -фазы и из-за так называемой «475-ой хрупкости». Поэтому основным критерием свариваемости ферритных хромистых сталей (08Х17Т, 15Х25Т и т.д.) является значение температуры перехода в хрупкое состояние (Т_кр). Определение Т_кр производится при сварке технологических проб, выполняемых на различных режимах сварки, с использованием различных по химсоставу сварочных материалов (электродов, проволок). Подогрев металла при сварке, исходя из химического состава шва составляет Т_под = 150…200 ⁰С. При сварке необходимо обеспечивать достаточно высокие скорости охлаждения ( 100 ⁰С/с) сварного соединения. Это обстоятельство ограничивает области применяемых тепловых режимов сварки.

Повышение чистоты исходного металла и шва (снижение вредных примесей, подготовка поверхности кромок, достаточное раскисление, защита ванны) существенно снижает значение Т_кр и трещинообразование.

Ферритно-мартенситные хромистые стали (08Х13, 12Х13, 08Х14МФ и т.д.) характеризуются меньшей склонностью к закалке и образованию холодных трещин при скоростях охлаждения сварного соединения _охл 10 ⁰С/с. Степень склонности к закалке зависит от режимов сварки (скорости охлаждения) и оценивается по технологическим пробам на свариваемость. Как правило, эти стали свариваются без предварительного и сопутствующего подогрева. Он применяется при сварке элементов толщиной более 10 мм (T_под = 150...250 ⁰C). После сварки необходима термообработка (улучшение). Положительное влияние на снижение трещинообразования швов оказывает легирование этих сталей карбидообразующими элементами (V. Mo). Они «забирают» часть углерода, образуя собственные карбиды, и снижают устойчивость аустенита, способствуя его распаду при Т ~ 300 ⁰С. Это значительно уменьшает количество образующегося мартенсита и, как правило, не требует послесварочной термообработки.

Мартенситные хромистые стали (20Х13, 15Х11МФ, 12Х11В2МФ и др.) весьма склонны к холодным трещинам при любых способах сварки, погонных энергиях и скоростях охлаждения. При содержании в стали углерода С > 0,1 % мартенсит обладает высокой степенью тетрагональности (искажение a-решетки) и поэтому очень хрупок. Снижение содержания углерода, повышая вязкость мартенсита, приводит к образованию высокотемпературного d-феррита, что, в свою очередь, также повышает хрупкость в процессе непрерывного охлаждения или в процессе выдержки после сварочного нагрева. Поэтому содержание углерода в швах из этих сталей не должно превышать 0,2 %. Предотвращение образования холодных трещин в сварных соединениях из этих сталей достигается предварительным и сопутствующим подогревом до Т_под = 200...450 ⁰С и зависит от степени легирования шва. Положительное влияние на стойкость против холодных трещин оказывает подогрев после сварки до T = 150...200 ⁰С («отдых»). Кроме того, легирование сварных швов из мартенситных сталей небольшим количеством никеля (15Х12ВНМФ) повышает их пластичность, а это позволяет снизить температуру подогрева до 100...150 ⁰С.

Итак, хромистые коррозионностойкие стали всех структурных классов склонны к охрупчиванию и улучшение свойств сварных соединений может достигаться приближением состава шва к основному металлу, использованием предварительного и сопутствующего подогрева и послесварочной термической обработкой (высокий отпуск при T = 650…720 ⁰C), а при невозможности ее проведения аустенизацией шва за счет его легирования электродными материалами.

Проблемы свариваемости хромоникелевых сталей характеризуются общими особенностями формирования шва: образованием в шве крупных столбчатых кристаллитов, наличием в междендритных участках примесей, образующих легкоплавкие фазы (эвтектики), ростом зерна и значительной микрохимической неоднородностью металла шва из-за повышенной ликвации P, S, C, Si особенно у линии сплавления и др.

Поэтому, свариваемость аустенитных сталей в основном определяется их склонностью к горячим кристаллизационным трещинам в шве и по линии сплавления (подсолидусные). Оценка свариваемости производится по результатам сварки технологических проб.

Применение при сварке методов измельчения зерна, устранение столбчатой структуры шва и изменение схемы его кристаллизации, получение двухфазной аустенитно-ферритной структуры способствуют решению проблемы горячих трещин.

Другой проблемой свариваемости хромоникелевых аустенитных сталей является появление межкристаллитной коррозии в шве и зоне термического влияния (см. ч.1, гл. 12).

Фактором, ограничивающим свариваемость, также является склонность сварных соединений к коррозионному растрескиванию и низкие пороговые напряжения, по существу определяющие низкую долговечность сварных конструкций. Хрупкие разрушения при криогенных температурах (Т_раб < –100 ⁰С) также ограничивают использование этих сталей в сварных соединениях. Критерием применимости сталей является сочетание высокой исходной прочности при Т = 20 ⁰С, пластичности, вязкости при Т £ –269 ⁰С с малой чувствительностью к концентрации напряжений. Последнее оценивается испытаниями на ударную вязкость при низких температурах.

В связи с указанным, аустенитные стали рекомендуется сваривать так, чтобы шов, как правило, отличался по химическому составу от основного металла. Рекомендации по выбору сварочных материалов для сварки хромистых и хромоникелевых сталей приведены в табл. 13.1.

Таблица 13.1 – Сварочные материалы для сварки коррозионностойких сталей

Класс и марка стали	Требования к сварным соединениям	Ручная дуговая сварка	Сварка под флюсом		Аргонодуговая сварка
		Тип или марка электрода (ГОСТ 10052-75)	Марка проволоки (ГОСТ 2246-70)	Флюс (ГОСТ 9087-81)	Марка проволоки (ГОСТ 2246-70)
аустенитный 12Х18Н10Т	Стойкость против общей и МКК	Э08Х20Н9Г2Б (ОЗЛ-7, ЦЛ-11)	Св-08Х18Н10Б	АН-26, АН-45,	Св-08Х19Н10Б
Аустенитно-ферритный 08Х22Н6Т 03Х23Н6	Стойкость против общей и избирательной коррозии	Э-08Х20Н9Г2Б (ЦЛ-11, ОЗЛ-7)	Св-06Х21Н7БТ	АН-26, АН-45	Св-06Х21Н7БТ
08Х18Н2Г8Т	Стойкость против общей и МКК	ЦЛ-11, ЦТ-15-1, ОЗЛ-7	Св-06Х19Н9Т Св-04Х19Н9	АН-26, АН-45, АН-18	Св-04Х19Н9
08Х21Н6М2Т		НЖ-13,ЭА-902/14	Св-04Х19Н11М3	АН-26, АНК-45МУ	Св-04Х19Н11М3
Аустенитно-мартенситный 07Х16Н6	Стойкость против общей коррозии	Э-07Х20Н9 (ОЗЛ-8)	Св-07Х16Н6 Св-08Х17Н5М3	АН-26с	Св-07Х16Н6
08Х17Н5М3		Э-02Х19Н9Б (АНВ-13)	Св-08Х21Н10Г6	48-ОФ-6	Св-08Х21Н10Г6
Ферритный 08Х17Т	Стойкость против охрупчивания	ЦЛ-9, УОНИ/10Х17Т	Св-10Х17Т	АНФ-6, ОФ-6	Св-07Х25Н13
15Х25Т		ЗИО-7, ЭА-48М/22, АНВД	Св-07Х25Н13	ОФ-6, АН-16
Ферритно-мартенситный 08Х13	Стойкость против холодных трещин и охрупчивания	Э-10Х25Н13Г2 (ОЗЛ-6) Э-12Х13 (УОНИ-13/НЖ)	Св07Х25Н12Г2Т	АН-26с, АНФ-14	СВ-07Х25Н12Г2Т
08Х14МФ		Э-10Х25Н13Г2 (ЦЛ-25)	Св-07Х25Н13	АН-26	Св-04Х20Н5М6Б

Аустенитно-ферритные стали (08Х22Н6Т, ОЗХ23Н6 и т.д.) отличаются от аустенитных повышенной склонностью к росту ферритного зерна в зоне термического влияния, возрастанием количества d-феррита в шве, широкой зоной перегрева, вследствие чего наблюдается снижение ударной вязкости и пластичности околошовной зоны. Стали, содержащие Nb вместо Ti, менее чувствительны к термическому циклу. Как и в аустенитных сталях здесь наблюдается охрупчивание в интервале температур 400...450 ⁰С и 650...800 ⁰С, что требует строгого соблюдения тепловых режимов сварки и повышенной скорости охлаждения сварных соединений.

При равном соотношении аустенита и феррита в структуре шва, он одинаково стойкий к межкристаллитной и избирательной коррозии. Поэтому состав материалов (табл. 13.1) и режимы сварки должны назначаться, исходя из требуемого по условиям эксплуатации соотношения количества аустенитной и ферритной фаз.

Основными проблемами свариваемости аустенитно-мартенситных сталей (07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ, 09Х15Н8Ю и т.д.) являются структурные превращения в зоне термического влияния в интервале температур б50...750 ⁰С и интенсивное выпадение карбидов при температурах 550...900 0С, приводящие к снижению пластичности, ударной вязкости и высокой чувствительности к концентраторам напряжений в этой зоне. Особенно резкое охрупчивание происходит при понижении температур эксплуатации до –196 ⁰С, что объясняется повышением содержания мартенсита. Как правило, средством повышения пластичности и ударной вязкости соединений является их полная термическая обработка (закалка, обработка холодом) и устранение концентраторов напряжений.

Далее: 13.5 Технологические рекомендации по сварке.