СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

АУСТЕНИТНО-ФЕРРИТНЫЕ НЕРЖАВЕЮЩИЕ СТАЛИ (Ющенко К А )

18.1. Состав, структура и назначение сталей

К наиболее распространенным сталям аустенитно ферритного класса отно­сятся стали типа 08Х22Н6Т, 12Х21Н5Т, 03Х23Н6, 08Х18Г8Н2Т, 08Х21Н6М2Т, 03Х22Н6М2 [1] Микроструктура хромоинкелевой стали 08Х22Н6Т н хромо - ннкельмолнбденовой 08Х21Н6М2Т представлена на рис 181 Количество аустеннтной н ферритной фаз в сталях этого класса колеблется обычно в пределах 40—60 % Химический состав аустенитно ферритных сталей при­веден в табл 18 1, механические свойства — в табл 18 2

Аустенитно ферритные стали имеют относительно высокие пределы те кучести и прочности прн удовлетворительных пластичности и ударной вяз кости, а также высокую коррозионную стойкость н хорошую свариваемость Это позволяет сократить удельный расход металла при изготовлении хи­мической аппаратуры, рассчитываемой на прочность, благодаря уменьше

нию толщины листа Согласно диаграмме состояний сплавы Fe—Сг—Ni (гл 16, рис 16 1) обладают некоторыми характерными особенностями об ласть существования двухфазной аустенитно ферритной структуры в них на­ходится в интервале температур 20—1350 °С, при нагреве стали выше тем­пературы 1100 °С аустенит превращается в феррит н тем интенсивнее, чем выше температура и длительность нагрева, при температуре выше 1200 °С происходит полное у-*-а превращение, при последующем охлаждении проис­ходит обратное превращение феррита в аустенит Конечное соотношение количества структурных составляющих зависит от скорости охлаждения стали При изотермической выдержке в области температур 700—800 °С в стали возможно образование хрупкой составляющей 0 фазы Аустенитно-

ферритиые стали поставляются в закаленном состоянии с температур 950— 1050 °С. Разница по содержанию Сг и Ni между аустенитной и ферритной фазами составляет 2—5%. Аустенитно-ферритные стали теряют вязкость при нагреве их в интервале температур 450—650 °С Это связано с тем, что хрупкость, обусловленная выделением карбидов, усиливается действием так называемой 475° хрупкости.

Примерное назначение и температура эксплуатации аустенитно-феррит - ных сталей указаны в таблице 18 3

18.2. Свариваемость сталей

Аустенитно-ферритные стали отличаются повышенной склон­ностью к росту зерна в зоне термического влияния при воздей­ствии сварочного термического цикла. Наряду с ростом фер­ритных зерен возрастает общее количество феррита. Последую­щим быстрым охлаждением фиксируется образовавшаяся структура. Размеры зерна и количество феррита, а также ши­рина зоны перегрева зависят от погонной энергии сварки, соот­ношения структурных составляющих в исходном состоянии и чувствительности стали к перегреву [2]. Соотношение количества структурных составляющих (у - и a-фаз) в исходном состоя­нии в значительной степени зависит от содержания в стали Ті. Количеством титана в стали также определяется устойчивость
аустенитной фазы против у—>-6-превращения при сварочном нагреве. Чем выше содержание Ті, тем чувствительнее сталь к перегреву (рис. 18.2). Вследствие роста зерна и уменьшения количества аустенита наблюдается снижение ударной вязко­сти металла околошовной зоны и угла загиба сварных соеди­нений аустенитно-ферритных сталей. Менее чувствительными к сварочному нагреву являются стали, не содержащие Ті,— это стали 03Х23Н6 и 03Х22Н6М2.

18.3. Технология сварки и свойства соединений

Аустенитно-ферритные стали можно сваривать как ручной и механизированной электродуговой сваркой, так и другими способами сварки (электроннолучевой, электрошлаковой), плазменнодуговой и др.). Предпочтительнее способы сварки с невысокими погонными энергиями. Техника и режимы сварки аустенитно-ферритных сталей не отличаются от общепринятых для всего класса нержавеющих сталей. При выборе видов швов сварных соединений рекомендуется руководствоваться ГОСТ 5264—69, ГОСТ 8713—70, ГОСТ 14771—69, ОСТ 26-291—71 и стандартами предприятий. Под­готовка кромок под все виды сварки производится механиче­ским способом, чтобы исключить возникновение зон термиче­ского влияние (ЗТВ), снижающих регламентированные свой­ства сварных соединений. Сварочные материалы, применяемые для сварки аустенитно-ферритных сталей, приведены в табл.

18.4 и 18.5. Швы соединений, выполненные указанными сва­рочными материалами, имеют аустенитно-ферритную струк-

туру. Количество ферритной фазы в швах составляет 15— 60 % и зависит не только от применяемых сварочных материа­лов, но и от доли участия свариваемого металла в металле шва, от колебаний химического состава в пределах марки. Самый высокий процент ферритной фазы в швах наблюдается при автоматической сварке под флюсом встык без разделки кромок проволокой Св-06Х21Н7БТ. Благодаря высокому со дер­жанию феррита швы обладают достаточной стойкостью против образования горячих трещин. Изменение содержания феррит - ной фазы в шве за счет легирования или термообработки при­водит к существенному изменению его механических свойств. Пределы текучести и прочности при достаточно высокой пла­стичности и вязкости шва достигают максимума при равном процентном содержании в нем аустенитной и ферритной фаз.

18.3.1. Механичекие свойства сварных соединений

Механические свойства швов и соединений, выполненных сва­рочными материалами, указанными в табл. 18.4 и 18.5, приве­дены в табл. 18.6. Анализ механических свойств показывает, что самую высокую прочность швов при автоматической сварке под флюсом хромоникелевых аустенитно-ферритных сталей можно получить, применяя проволоку Св-06Х21Н7БТ (ЭП500), а хромоникельмолибденовых — проволоку Св-06Х20Н 11МІЗТБ (ЭП89). Сочетание достаточно высокой прочности и пластич­ности достигается при применении для автоматической сварки под флюсом хромоникелевых аустенитно-ферритных сталей про­волоки Св-03Х21Н10АГ5 (ЭК-91), а для хромоникельмолибде­новых— проволоки Св-03Х19Н15Г6М2АВ2 (ЧС-39). Эти прово­локи предпочтительнее применять при сварке стали значитель­ных (>10 мм) толщин встык, без разделки кромок. Для улучшения пластичности сварных соединений аустенитно-фер­ритных сталей, если позволяют габариты изделий, можно про­водить термообработку — закалку от 1000 °С с охлаждением в воде.

18.3.2. Коррозионная стойкость сварных соединений

При сварке изделий, к сварным швам которых предъявляются требования стойкости к межкристаллитной коррозии, слой шва, обращенный к агрессивной среде, должен выполняться послед­ним. В связи с тем, что аустенитно-ферритные стали подвер­жены охрупчиванию в интервале температур 450—500 и 650— 800 °С, особое внимание при их сварке необходимо обращать на строгое соблюдение режимов сварки и охлаждения изделий. При сварке изделий из металла толщиной 16—20 мм рекомен­дуется применять обработку границ швов с основным металлом сваркой аргонодуговым способом. Получаемый при этом мест­ный нагрев с малой погонной энергией (^'=4200 Дж/см2) уча­стка крупного зерна ЗТВ до расплавления приводит при ох­лаждении к образованию мелкозернистой ферритной структуры с аустенитными прослойками по границам зерен. Металл с та­кой структурой пластичнее крупнозернистого феррита, образу­ющегося при сварке в ЗТВ и более коррозионностоек.

При соотношении аустенитной и ферритной фаз, близком к единице, швы стойки как против межкристаллитной, так и против структурно-избирательной коррозии. Такая зависимость коррозионной стойкости от соотношения структурных состав­ляющих объясняется тем, что при 40—60 % a-фазы размеры зерен феррита и аустенита примерно одинаковы, а химическая неоднородность по Сг и Ni между фазами минимальна (рис. 18.3) [3]. При уменьшении количества аустенитной фазы

в шве или околошовной зоне до 20 % и менее в металле проявляется склонность к меж­кристаллитной коррозии. От­пуск сварных соединений при 850 °С предотвращает меж - кристаллитную коррозию свар­ных соединений.

Структурно - избирательную коррозию можно объяснить разностью электродных потен­циалов аустенита и феррита в двухфазном металле, а так­же разностью поверхностей структурных составляющих в местах контактирования с агрессивной средой. Элек­тродные потенциалы между структурными составляющими в агрессивной среде могут от­личаться при разном содержа­нии в них легирующих элемен­тов, обусловливающих корро­зионную стойкость металла в данной среде. В окислительных средах (азотная кислота) пассивирующая способность и, следовательно, коррозионная стойкость аустенитной и ферритной фаз металла зависят глав­ным образом от содержания Сг, а в неокислительных (раство­рах серной кислоты) от содержания Ni и Мо. За ухудшение коррозионной стойкости аустеиитио-ферритного металла всегда ответственна аустенитная фаза. Кроме того, в соединениях ау­стенитно-ферритных сталей всегда имеются участки, отлича­ющиеся по своему электродному потенциалу. Это шов, ЗТВ, основной металл. Такое соединение в электролите представ­ляет собой многоэлектродную систему с несколькими катодами и анодами. Преимущественному растворению в электролите бу­дет подвергаться та часть системы, которая в данном элект­ролите будет иметь наиболее отрицательный электродный по­тенциал, т. е. будет катодом.

Установлено отрицательное влияние кремния и ванадия в сварочном шве на коррозионную стойкость в окислительных средах сварных соединений из аустенитно-ферритных сталей [4]. Таким образом, при выборе присадочного материала необ­ходимо стремиться обеспечить равенство не только механиче­ских свойств шва и основного металла и стойкость шва против межкристаллитной коррозии, но и равенство общей коррозион­ной стойкости металла всех зон сварного соединения. Необхо­димо учитывать влияние карбидообразующих элементов (Ті и Nb) на свойства швов в соединениях аустенитно-ферритных сталей, так как для обеспечения стойкости против межкристал­литной коррозии при содержании углерода >0,07 % необхо­димы стабилизаторы (карбидообразующие элементы). Сталь 08Х22Н6Т стойка в азотной кислоте: 65 %-ной концентрации до температуры 50 °С, в 56 %-ной до температуры 70 °С, в 30 %-ной до температуры кипения. Сталь 08Х21Н6М2Т стойка в муравьиной кислоте независимо от концентрации при темпе­ратурах до 60 °С, в 30 %-ной кипящей и в 85°/0-ной фосфор­ной кислоте при Г^80°С, в 10 %-ной серной кислоте.