Области применения комбинированных конструкций и возможное сочетание в них разнородных сталей
Целесообразность изготовления конструкций, комбинированных из разнородных сталей, определяется взможными областями их эффективного использования и типом сочетаемых в них сталей.
Комбинированные из разнородных сталей конструкции применяются прежде всего в энергетических установках, в частности в таких агрегатах, как паровые котлы, паровые и газовые турбины, атомные реакторы. Это объясняется тем, что на входе в турбину целесообразно использовать более высокие параметры пара или газа, что повышает КПД энергетической установки, т. е. улучшает ее экономичность
Комбинированными из разнородных сталей изготовляют диски роторов газовых турбин. Это так называемые композитные диски, представляющие собой обод из аустенитной стали, приваренный к центральной части, изготовленной из теплоустойчивой перлитной стали (рис. 1). Применение такого способа изготовления дисков объясняется тем, что различные их части нагреваются до различной температуры. Из-за высокой начальной температуры используемого газа периферийная часть диска нагревается выше 600° С, и силу чего она должна быть изготовлена из высоколегированной стали. Центральная часть диска нагревается до температур ниже 600" С, поэтому нет надобности применять для ее изготовления высоколегированную сталь.
Применение разнородных сталей весьма целесообразно и в паросиловых установках, например в паровпуске, который по своей конструкции является одним из наиболее сложных узлов турбинного агрегата. В современных турбинах в связи с применением
пара высоких и сверхвысоких параметров цилиндры высокого давления изготовляются двухстенными. При такой конструкции цилиндра наружная его стенка (наружный цилиндр) подвергается
воздействию умеренных температур и поэтому может быть изготовлена из перлитной стали. Детали паровпуска нагреваются до температуры свежего пара, в связи с чем их необходимо изготовлять из высоколегированных жаропрочных сталей. В настоящее время известно несколько вариантов комбинированного изготовления паровпуска.
В современных паросиловых установках применяются поверхности нагрева со сварными соединениями разнородных сталей (аусте - нитной с перлитной), выполнен - Рис. 1. Ротор газовой турбины с ными контактной сваркой. Пример
композитным диском и привар - нение здесь разнородных сталей
ными лопатками: вызвано тем, что в котлоагрегатах
стальЄР3 —Нлопат™ЛЬ’ 2 _ аУстенитная Температура Труб ПОВЄрХНОСТЄЙ НЭ- грева на некоторых участках, и прежде всего в пароперегревателе, достигает 620—640° С, в то время как на других участках она значительно ниже./ Рис. 2. Схема соединения труб поверхностей нагрева с коллектором в котле производительностью 950 т/ч при температуре пара 585° С и давлении 2,35 МПа: 1 — выходной коллектор; 2 — патрубок паросборного коллектора; 3 — паросборный коллектор (камера); 4 — промежуточные отрезки труб из перлитной стали; 6 — труба пароперегревателя из аустенитной стали; КС — контактный стык. |
В настоящее время наиболее распространена такая конструкция комбинированной поверхности нагрева, при которой часть пароперегревателя, выполненная из аустенитной стали, приваривается
к штуцерам выходных коллекторов непосредственно или через промежуточные отрезки труб из перлитной стали (рис. 2). В этом случае выходные и паросборные коллекторы, а также их патрубки II Ц'ОТОВЛЯЮТСЯ из перлитных сталей.
Заслуживают внимания котлоагрегати, в которых из аустенит - пой стали изготовлены не только пароперегреватель, но и выходные и паросборные коллекторы. При использовании пара с критическими и закритическими параметрами толщина стенок коллекторов из перлитной стали должна составлять 75—90 мм. Коллектор е такой стенкой может быть только кованосверленым, что существенно усложняет технологию его изготовления. Кроме того, при таких коллекторах заметно увеличивается масса агрегата. Изготовление коллекторов из аустенитной стали способствует существенно - м у (почти в два раза) уменьшению толщины стенок. В этом случае*от - надает необходимость соединять разнородные стали в пароперегревателе и применять десятки тысяч сварных соединений, качественное выполнение которых представляет довольно сложную задачу.
Использование для коллекторов аустенитных сталей создает возможность для выполнения в котлоагрегате сварного соединения разнородных сталей только в месте присоединения паросборной камеры к котельному паропроводу. Однако такая конструкция пока не получила распространения, так как изготовляемые в настоящее время из аустенитной стали толстостенные паропроводные трубы в условиях длительной работы при высоких температурах оказались склонными к локальному разрушению по околошовной зоне, природа и причины образования которого, несмотря на большое количество проведенных исследований, еще не установлены.
Из других соединений разнородных сталей в паросиловых установках можно отметить соединение гильзы паровпуска из жаропрочной высокохромистой стали с паропроводом и внешним цилиндром из перлитной теплоустойчивой стали. В ряде случаев в паропроводы из перлитных сталей ввариваются узлы или отдельные детали из высоколегированных хромистых сталей. Это прежде всего некоторые узлы арматуры, например регулирующие клапаны паровых турбин. Сюда можно отнести также измерительные диафрагмы, предназначенные для замера расхода пара.
Большинство современных энергетических установок с ядерным реактором работают по двухконтурной схеме. В первичном контуре теплоносителем служит вода, нагретая до сравнительно высоких температур, в результате чего она должна находиться здесь под высоким (порядка 10—15 МПа) давлением. В наиболее распространенных реакторах (реакторы ВВР) это давление воспринимается металлическим корпусом, поэтому он должен быть толстостенным. По этой причине корпус реактора современных энергетических установок изготовляется из низко - или среднелегированной стали с облицовкой внутренней поверхности нержавеющим металлом. Трубопроводы в первичном контуре изготовляются из аустенитной стали. Поэтому получила распространение конструкция первичного
контура, при которой разнородные стали соединяются у корпуса реактора. Вторичный контур в действующих атомных электростанциях полностью состоит из обычных конструкционных и строительных сталей. В перспективе при использовании других теплоносителей или дополнительного перегрева пара не исключена возможность комбинированного изготовления и этого контура.
12ХНЗА |
В оборудовании так называемой малой энергетики довольно широко можно использовать конструкции, комбинированные из разнородных сталей. Сюда относятся небольшой мощности газовые турбины в различного рода турбоагрегатах вспомогательного назначения, например в турбоком-
Х18Н97 Ст5 Рис. 3. Варианты комбинированного изготовления из разнородных сталей: а — роторов турбокомпрессоров для наддува двигателей внутреннего сгорания; б — валов специальных электродвигателей. |
прессорах для наддува двигателей внутреннего сгорания. Сюда же можно отнести и различного вида электродвигатели специального назначения. Комбинированной в таком оборудовании изготовляется
в основном его вращающаяся часть — ротор. Это объясняется тем, что некоторая часть ротора работает в условиях, в которых необходимо применение аустенитной стали. Но такая сталь склонна к задиранию на трущихся поверхностях — в шейках, находящихся в подшипниках. В связи с этим здесь стремятся применять перлитную сталь, что позволяет получить трущуюся поверхность с более высокой твердостью.
В изготовлении комбинированных роторов газовых турбоагрегатов вспомогательного назначения наибольшее распространение получило конструктивное решение, при котором к аустенитному диску привариваются полувалы из перлитной стали (рис. 3, а). В электродвигателях специального назначения комбинированным
Рис. 4. Схема присоединения наружных элементов (/ — перлитная сталь) к корпусу реакционных аппаратов (2 — нержавеющая сталь): а — рубашки; б — охладительных труб; в — фланца; г— упора; д — опоры (лапы); є —» упорного кольца. |
является вал ротора (рис. 3, б). Здесь также необходимо сваривать аустенитную сталь с перлитной.
Комбинирование из разнородных сталей может быть широко использовано в химической промышленности при изготовлении теплообменных аппаратов, особенно таких, как кожухотрубные теплообменники. У многих из них теплоноситель внутри труб является агрессивной средой или имеет высокую температуру, поэтому трубы изготовляются из высоколегированной стали. Продукт межтрубного пространства в этих аппаратах часто бывает таким, что трубные доски (решетки) и корпус можно изготовлять из обычной углеродистой или низколегированной стали.
Комбинирование из разнородных сталей можно применить также з реакционных колоннах, полимеризаторах, воздушных сатураторах, вакуумперегонных аппаратах и др. Здесь в целях экономии к корпусу, изготовляемому во многих случаях из нержавеющей стали, привариваются различного рода наружные элементы (фланцы, рубашки, холодильные трубы, опоры, упорные скобы, упорные кольца и др.), которые в соответствии с условиями работы могут быть из обычной углеродистой стали (рис. 4).
Комбинированными из разнородных сталей могут быть изготовлены также холодильные установки глубокого охлаждения,
предназначенные для сжижения газов (кислорода, азота, водорода и гелия).
Широко применяются конструкции, комбинированные из разнородных сталей, в нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Непрерывный рост потребности в нефтепродуктах, значительное расширение их ассортимента и дальнейшее повышение требований к качеству этих продуктов вызвали необходимость совершенствования существующих и создания новых, более эффективных процессов переработки нефти, в результате чего во многих случаях нефтеперерабатывающее оборудование приходится использовать в условиях низких (минус 50—100° С) и высоких (850—900° С) температур. Кроме того, почти все нефти, поступающие на переработку, содержат вещества и соединения, вызывающие коррозию металлических изделий, которая снижает качество не только оборудования, но и получаемого продукта, поэтому для изготовления нефтеперерабатывающего оборудования широко используются нержавеющие стали.
Процесс переработки нефти в настоящее время построен таким образом, что на всем пути движения перерабатываемого продукта в установке (от места его поступления до места выхода) физическое состояние и химический состав его изменяются, в результате чего различные агрегаты, установки и даже их отдельные узлы работают в разных температурных условиях. Многие из них работают при температуре, допускающей использование теплоустойчивых или даже обычных конструкционных сталей.
В нефтеперерабатывающем оборудовании комбинированными из разнородных сталей целесообразно изготовлять, например, аппараты (реакторы), предназначенные для осуществления тепловых и химических процессов переработки нефти. К ним относятся прежде всего реакторы термического каталитического риформинга и регенераторы установки каталитического крекинга, где к корпусу из углеродистой или низколегированной стали привариваются внутренние детали и устройства (защитные кожухи, кольца от - парной зоны и др.), изготовляемые из высокохромистых сталей. В современном оборудовании для переработки нефти комбинированными являются также ректификационные тарелки, отдельные элементы которых изготовляются из высокохромистых сталей.
Комбинированные конструкции применяются также в установках для дегидрирования бутана, бутилена и других исходных материалов при получении непредельных углеводородов. Такие конструкции применяются и в змеевике-реакторе трубчатых печей, которые широко распространены в нефтеперерабатывающей промышленности, являясь основным агрегатом в установке для пиролиза нефтяных фракций и основной частью многих аппаратов, применяемых при других процессах переработки нефти и ее продуктов. В отечественной практике змеевики в радиантной части печи изготовляются из аустенитной стали. Для змеевиков конвективной части могут применяться трубы из среднелегированной стали
ІГіХ. ЧМ, а в некоторых местах даже из обычной углеродистой стали.
К конструкциям, комбинируемым из разнородных сталей, можно шпести также изделия, изготовляемые из биметалла, представляющею собой двухслойную сталь, у которой основной (несущий) слон является обычной углеродистой или низколегированной сгллыо, а плакирующий — нержавеющей: высокохромистой фер - рнгиой (полуферритной) или хромоникелевой аустенитной.
Рис. 5. Макроструктура сварного соединения двухслойной стали (АБВ — линия сплавления высоколегированного металла шва с углеродистой сталью). |
Применение биметалла позволяет значительно (до 70% от веса п ідолия) снизить расход высоколегированной стали. В связи с этим Гшметаллические конструкции находят все большее применение и условиях, вызывающих кор - ро шю металла. Большое распространение такие конструкции получили в пищевой, химической, а также в нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. Они применяются также при изготовлении р;і їличного рода емкостей для перевозки и хранения агрессивных жидкостей. Целесообразно применять биметалл для корпусов ядерных реакторов, которые в настоящее время изготовляются из низко - или среднелегированной стали с облицовкой внутренней поверхности нержавеющим металлом.
Конструкции из биметалла в основном изготовляются с применением сварки. В соответствии с принятой в настоящее время технологией сварки биметалла основной (несущий) слой его заваривается с применением сварочных материалов, образующих шов из углеродистого или низколегированного металла, плакирующий (защитный) слой сваривается с получением в шве высоколегированного металла, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к этому слою. При этом получается сварное соединение, макроструктура которого приведена на рис. 5. Как показано на рисунке, при сварке биметалла имеет место сплавление сталей разных классов (линия АБВ), что и является основанием отнести изделия, изготовляемые из биметалла, к конструкциям, комбинируемым из разнородных сталей.
В ряде случаев конструкции, эксплуатируемые в агрессивных средах, изготовляются из обычной углеродистой или низколегированной стали с нанесением путем наплавки защитного слоя из высоколегированного металла. В таких конструкциях также может проявиться особенность, присущая сварным соединениям из разнородных сталей-. Следовательно, изделия с наплавленным слоем
защитного металла можно отнести к конструкциям, комбинируемым из разнородных сталей. Такие изделия широко применяются в атомной энергетике (наплавка внутренней поверхности корпуса реактора), а также в химической и нефтеперерабатывающей промышленности, где защитный слой наплавляется на те поверхности массивных литых или кованых деталей и фланцев из проката, которые соприкасаются с агрессивной средой.
Особую группу конструкций, которые можно отнести к комбинированным из разнородных сталей, составляют изделия из закаливающихся сталей, сваренные аустенитными электродами. При сварке таких сталей в зоне термического влияния образуются малопластичные структуры, способствующие возникновению околошовных трещин. Чтобы предотвратить образование этих трещин, сварку закаливающихся сталей необходимо производить с предварительным, а иногда и сопутствующим подогревом, а изделия из закаливающихся сталей после сварки подвергать отпуску. Однако такая технология значительно усложняет выполнение сварочных работ, а кроме того, подогрев свариваемого изделия и его термообработку в ряде случаев осуществить трудно или вовсе невозможно. Отмеченные недостатки явились причиной новых поисков, в результате которых было установлено, что применение еварочных материалов, обеспечивающих аустенитную структуру металла шва, даст возможность сваривать закаливающиеся стали без трещин, не прибегая к подогреву и последующей термообработке.
В настоящее время сварные соединения с аустенитной структурой металла шва стали применяться во всех конструкциях из закаливающихся сталей, которые нельзя подвергнуть предварительному подогреву и последующей термообработке.
Аустенитными электродами свариваются технологические трубопроводы нефтеперерабатывающих установок, изготовляемые из закаливающейся хромомолибденовой стали Х5М. Применение аус - генитных электродов вызвано тем, что термообработка этой стали, необходимая при сварке ее неаустенитными электродами, должна выполняться при довольно жестких условиях. Как известно, отпуск стали Х5М в области температур ниже критической (ниже 700е С) требует для распада образовавшегося в ней мартенсита длительной (до 4—6 ч) выдержки. При нагреве этой стали выше критической температуры охлаждение должно быть медленным, чтобы не превысить критическую (вызывающую закалку) скорость, которая у стали Х5М очень мала. Большинство же соединений трубопроводов нефтеперерабатывающих установок выполняется при их монтаже. В таких условиях термообработка по режиму, требуемому для отпуска закаленной стали Х5М, встречает значительные трудности.
В последнее время появляется все большая потребность в различного рода сосудах, которые должны работать при высоких температурах и давлениях (реакторы химических и нефтехимических установок, барабаны паровых котлов современных котлоагрегатов
и др.). В связи с этим их следует изготовлять из легированных сталей большой толщины, сварку которых необходимо производить с предварительным подогревом и последующей термической обработкой. Между тем конструкция и размеры этих сосудов таковы, ч то при изготовлении их недостатки, присущие такой сварке, становятся особо ощутимыми. По этой причине все чаще поднимается вопрос о применении сварочных материалов, обеспечивающих получение аустенитного металла шва, с тем чтобы исключить предварительный подогрев и последующую термообработку. Применение нустенитных электродов необходимо прежде всего для приварки к корпусу внутренних и наружных деталей, в том числе и штуцеров.
Таким образом, конструкции, комбинируемые из разнородных сталей, могут быть применены почти во всех отраслях современной промышленности. Возможное сочетание сталей в комбинированных конструкциях определяется теми требованиями, которые вытекают из условий эксплуатации изделия. Такими условиями являются агрессивная среда и высокая температура отдельно или то и другое вместе. Поэтому в комбинированных конструкциях возможно сочетание высоколегированной нержавеющей или жаропрочной стали со средне - или низколегированной и даже обычной углеродистой. Возможно сочетание обычных конструкционных сталей (средне - и низколегированных) со сталями, обладающими требуемой работоспособностью при весьма низких температурах. Последними, как известно, являются высоколегированные стали.
При обычном способе производства (охлаждение после горячей обработки на воздухе) указанные стали настолько сильно отличаются друг от друга своей структурой, что их по существующим стандартам относят к различным классам: углеродистые, а также низко - и среднелегированные — к перлитному, а высоколегированные— к одному из таких классов, как аустенитный, ферритный, мартенситный, аустенито-ферритный, аустенито-мартенситный и мар - тенсито-ферритный (ГОСТ 5632—72). То обстоятельство, что используемые в комбинированных конструкциях стали относятся к разному классу, и послужило основанием применить термин разнородные стали, который широко используется сейчас в сварочной науке и технике.
В табл. 1 приведены основные марки сталей, из которых изготовляются комбинированные конструкции. Как видно из таблицы, для изготовления комбинированных конструкций может быть использован широкий ассортимент сталей, отличающихся одна от другой физико-химическими свойствами. В связи с этим число возможных сочетаний разнородных сталей может быть весьма большим.
1. Основные области применения комбинированных конструкций и используемы о марки сталей
Область приме |
Стали* используемые для изготовления части изделия, работающей в условиях |
|
нения |
специфических |
обычных |
Энергетическое оборудование |
Аустенитные: X18Н1 ОТ; Х18Н12Т; Х14Н14В2М (ЭИ257); Х16Н26М6А (ЭИ395); Х16Н13М2Б (ЭИ405); Х18Н9ВМТБ (ЭИ572); X15H35B3T (ЭИ612); Х17Н14В2Б (ЭП17); Х16Н14В2МТ (ЭП184) Ферритные: 0X13 (ЭИ496); Х17; Х25Т (ЭИ439) Мартенситные и др.: 1X13; 2X13; 15X11МФ; 15Х12В2МФ (ЭИ756); 2Х12ВМФБР (ЭИ993) |
Углеродистые: СтЗ; сталь 10; сталь 20; 22К; 25Л; сталь 45 Низколегированные: 15ГС; 14ХГС; 12ХМ; 20ХМ; ЗОХМА; 34ХМ; 20ХМЛ Среднелегированные: 35ХНЗМФ; 12ХІМФ; 15Х1М1Ф; 15Х2МФСР; 20ХЗМВФ (ЭИ415); 20ХМФЛ; І5Х1МІФЛ; 18ХНВА |
Оборудование химической промышлен ности |
Аустенитные: Х18Н9; Х18Н10Т; Х18Н12Т; Х23Н18; X17H13M3T (ЭИ432); ОХ23Н28МЗДЗТ; (ЭИ943) Ферритные: XI7; ОХ17Т; Х25Т; Х28Н (ЭИ657) Мартенситные и др.: 1X13; 2X13; 0X21Н5 (ЭП53); ОХ21Н6М2Т (ЭП54) |
Углеродистые: СтЗ; сталь 20 Низколегированные: 09Г2С; юге Среднелегированные: 22ХЗМ; 20ХЗМВФ; 25ХЗНМ; 18ХЗМ1ВФ1 (ЭИ578) |
Оборудование для переработки нефти |
Аустенитные: Х18Н10Т; Х18Н12Т; Х14Г14НЗТ (ЭИ711); Х23Н18; Х25Н20 Ферритные: 0X13 (ЭИ496); XI7; Х25Т (ЭИ439) Мартенситные: 1X13; 2X13 |
Углеродистые: СтЗ; СтЗН; Сталь 20 Низколегированные: 10Г2; I2XM; 15ХМ; ЗОХМ Среднелегированные: 12Х1МФ; Х5; Х5М (Х5М-У); Х5ВФ; І8ХЗМ1В1Ф (ЭИ578); 20ХЗМВФ1 (ЭИ579) |
Биметаллические конструкции |
СтЗ + Х18Н ЮТ; СтЗ + 0X13 (ЭИ496); 20К + 017Н13ИЗТ; 1Х2М1+1Х18Н10Т; 09Г2С + - f - 1Х18Н10Т; 12Х1М + + 1Х18Н10Т; 20Х2М + + ОХ18НЮТ |
Углеродистые: СтЗ; сталь 20; 15К; 20К Низколегированные: ЮГ2; 12ХМ; 15ХМ; ЗОХМ Среднелегированные: 12Х1МФ; Х5М (Х5М-У); Х5ВФ; 18ХЗМ1В1Ф (ЭИ578); 20ХЗМВФ1 (ЭИ579) |
Конструкции из закаливающихся сталей |
Х5М; 12ХМФ; 15Х1М1Ф; 20ХМА; 12Х2МФСР; 20ХСФЛ; 20ХЗМВФ (ЭИ415); 15Х1М1ФЛ; броневые стали |
Сталь 35; сталь 45; 25Л; 34ХМ; 25ХГС; ЗОХЩ ЗОХГСНА; 35XH3M; 25ХЗНМ |
1. Особенности сварки разнородных сталей
Сварка разнородных сталей имеет свои специфические особенности, обусловленные необходимостью получения сварных соединений, способных работать в особых условиях.
При сварке разнородных сталей в сварном соединении могут образовываться околошовные трещины — отколы, располагающиеся обычно вдоль границы сплавления на некотором расстоянии от нее. Возникают эти трещины, как правило, в том случае, если в комбинированной конструкции используются стали, склонные к закалке: высоколегированные мартенситные или низко - и среднелегированные перлитные.
Трудность сварки разнородных сталей в металле шва состоит и в том, что могут появиться горячие трещины, под которыми принято понимать трещины, образующиеся при температурах, находящихся в области солидуса металла шва. В конструкциях, комбинируемых из разнородных сталей, свариваются высоколегированные стали с низко - или среднелегированными и углеродистыми. В большинстве случаев, особенно когда в качестве специальной стали используется аустенитная, сварка производится с применением материалов, обеспечивающих высоколегированный металл шва, который весьма склонен к образованию горячих трещин.
Отмеченные трудности встречаются не только при изготовлении конструкций, комбинируемых из разнородных сталей. Способы их предотвращения уже достаточно известны и определяются теми причинами, которые вызывают образование трещин в сварном соединении.
Околошовные трещины-отколы неоднократно рассматривались в литературе. Однако механизм образования этих трещин и причины их возникновения еще не достаточно ясны и для их объяснения выдвинуты две гипотезы.
Согласно первой гипотезе, названной закалочной, отколы возникают в результате закалочных явлений, происходящих в околошовной зоне легированных сталей. При сварке сталей, склонных к закалке, в околошовной зоне вследствие образования мартенсита, обладающего из всех структурных составляющих наибольшим удельным объемом, возникают структурные напряжения, которые вызывают микротрещины. Под действием сварочных напряжений микротрещины развиваются и переходят в макротрещины, наблюдаемые при изготовлении сварного соединения или в процессе его эксплуатации.
Вторая, так называемая водородная, гипотеза основана на том, что главной причиной образования трещин в околошовной зоне закаливающихся сталей является насыщение этой зоны водородом путем диффузии его из металла шва. Для доказательства используется тот общеизвестный факт, что замена феррито-перлитных электродов аустенитными исключает появление отколов. Согласно водородной гипотезе, отсутствие отколов при сварке аустенитными электродами обусловлено тем, что в аустенитном металле растворимость водорода значительно больше, чем в феррито-перлитном. Резкое падение растворимости водорода в феррито-перлитном металле шва при фазовом превращении последнего приводит к диффузии этого элемента в околошовную зону, где в это время, вследствие большей легированности свариваемого металла по сравнению с металлом шва, сохраняется еще аустенитная структура. В резуль тате при одинаковом количестве усвоенного сварочной ванной водорода в случае сварки феррито-перлитными электродами около - шовная зона насыщается им значительно больше. Выделяясь при последующем распаде аустенита околошовной зоны, атомарный водород скапливается в местах физической несплошности этой зоны (пустые места решетки, стыки мозаичных блоков, границы зерен и др.) и переходит в молекулярное состояние. При этом развиваются большие давления, вызывающие образование надрывов, которые затем развиваются в трещины, обнаруживаемые в околошовной зоне.
Появилось и другое представление о механизме влияния водорода на образование холодных трещин в околошовной зоне, согласно которому насыщение водородом металла шва околошОвной зоны ■снижает его сопротивляемость замедленному (задержанному) разрушению, что и увеличивает вероятность образования надрывов.
Однако указанные гипотезы вызывают следующие возражения.
Водородной гипотезе противоречит ряд факторов, наблюдаемых в практике сварки закаливающихся сталей. С ее помощью нельзя удовлетворительно объяснить, например, тот общеизвестный факт, что с увеличением содержания углерода склонность стали к образованию трещин резко увеличивается. Эта гипотеза не объясняет также, почему при прочих равных условиях трещины часто возникают в случае сварки стыковых швов и отсутствуют при выполнении наплавочных слоев (наплавка отдельных валиков или широко применяемая в практике сварки закаливаемых сталей предварительная облицовка свариваемых кромок). Противоречит водородной гипотезе и тот общеизвестный факт, что склонность стали к образованию трещин в околошовной зоне повышается с увеличением ее толщины.
Вместе с тем некоторые эксперименты показывают, что можно вызвать трещины в околошовной зоне, насыщая шов водородом [39]. Однако считать эти эксперименты подтверждением опасного насыщения околошовной зоны водородом нет оснований. Выделенный из металла шва водород прежде всего будет скапливаться в несплошностях самого металла шва, возникновению которых способствует ускоренная его кристаллизация в условиях сложно напряженного состояния. При этом атомарный водород переходит в молекулярный, который не способен к диффузии.
Сказанное не означает, что водород не влияет на образование трещин в околошовной зоне закаливающихся сталей. По мнению
автора, он является не основной причиной появления трещин, а лишь усугубляющим фактором. Возникшие в указанных экспериментах при насыщении шва водородом трещины в околошовной зоне следует связывать не со скоплением водорода в этой зоне, а с понижением пластичности самого металла шва, насыщенного водородом. Снижение пластичности металла шва создает неблагоприятное напряженное состояние околошовной зоны, что, как будет показано ниже, и увеличивает вероятность образования в ней трещин.
Рис. 6. Характерный вид и расположение околошовной трещины— откола. |
Закалочной гипотезе в том виде, как она была сформулирована первоначально, также противоречит ряд факторов, наблюдаемых в практике сварки закаливающихся сталей. Известно, например, что сталь ЗОХГСА малых и средних толщин успешно сваривается, хотя в околошовной зоне образуется мартенсит. Без трещин в околошовной зоне при наличии в ней мартенсита свариваются закаливающиеся стали в случае применения предварительного или сопутствующего подогрева. Наконец, общеизвестно, что при наплавке отдельных валиков трещины-отколы отсутствуют даже в том случае, если она производится на сталь, при сварке которой стыковым швом отколы неизбежно образуются. Однако эти противоречия устраняются, если в закалочной гипотезе исходить из того, что причиной трещин в околошовной зоне является не мартенсит как таковой, а образование неблагоприятных продуктов мартенситного превращения. Одним из них является мартенсит крупноигольчатый [50]. Следует отметить, однако, что такой мартенсит образуется в участке перегрева и при сварке в мощных режимах. Сварка же закаливающихся сталей производится, как правило, при умеренных режимах и встречающиеся здесь отколы в большинстве случаев располагаются вдали от границы сплавления (рис. 6), т. е. вне участка перегрева. Поэтому образованием крупноигольчатого мартенсита следует объяснять возникновение только тех отколов, которые располагаются непосредственно у границы сплавления.
При умеренных режимах сварки основной причиной возникновения трещин в околошовной зоне закаливающихся сталей является образование в этой зоне мартенсита с высокой степенью тетрагональное™ [14]. Основанием для такого утверждения явились результаты исследований природы мартенсита и механизма превращения, вызывающего его образование.
Мартенсит по своей природе представляет низкотемпературную модификацию твердого раствора, существующую только в метаста - бильном состоянии. В силу этого он является структурой неустойчивой и уже при нагреве до 20—100° С начинает распадаться
с выделением углерода [76]. По своему строению мартенсит является кристаллическим веществом с тетрагональной решеткой [44], степень тетрагональности которой — величина переменная и определяется содержанием углерода в твердом растворе. С выделением углерода из твердого раствора тетрагональная решетка постепенно изменяет свои параметры в сторону приближения их к параметру а-железа.
Различная тетрагональность решетки и придает различные свойства мартенситу. Мартенсит с решеткой, обладающей низкой степенью тетрагональности, менее хрупок, имеет меньший удельный объем [52] и, следовательно, вызывает меньшие структурные напряжения. Кроме того, уменьшение степени тетрагональности решетки мартенсита способствует повышению подвижности дислокаций и тем самым облегчает релаксацию напряжений в местах их концентрации. Следовательно, с уменьшением тетрагональности решетки образующегося в зоне термического влияния мартенсита должна уменьшаться вероятность образования околошов - ных трещин.
При данном содержании углерода в стали тетрагональность решетки мартенсита определяется температурой мартенситного превращения. Чем ниже температура, при которой совершается мар - тенситное превращение, тем выше степень тетрагональности решетки и, следовательно, тем больше вероятность образования трещин. Известно, что опасность возникновения закалочных трещин при мартенситном превращении уменьшается с повышением температуры, при которой совершается такое превращение [27, 76]. Это объясняется тем, что при более высоких температурах (выше 150° С и особенно выше 200° С) мартенситное превращение происходит с самоотпуском, т. е. образующийся мартенсит быстро отпускается, теряет свою твердость и приобретает способность к некоторой пластической деформации, достаточной для уменьшения пиковых значений структурных напряжений [76]. К этому следует добавить еще и тот общеизвестный факт, что с повышением температуры мартенситного превращения количество остаточного аус - тенита увеличивается, что также способствует релаксации напряжений.
Основным фактором, определяющим температуру мартенситного превращения, является, как известно, температура его начала, т. е. мартенситная точка (Мн) стали. Чем выше мартенситная точка, тем меньшая доля превращения останется на область более низких температур [27]. Из всех факторов, определяющих мартен - ситную точку, решающим является химический состав стали: мартенситная точка тем выше, чем меньше содержится в стали углерода, марганца, хрома, никеля и молибдена, причем основное влияние оказывает содержание углерода. Следовательно, с понижением содержания углерода склонность стали к образованию трещин должна уменьшаться, что и соответствует действительности.
I la температуру мартенситного превращения существенное влияние оказывает также напряженное состояние металла и его пластическая деформация. Давление по трем осям повышает устойчивость аустенита и снижает температуру его распада [68]. Давление но одной или двум осям, вызывающее пластическую деформацию, смещает мартенситное превращение в область более высоких температур [58].
Таким образом, в околошовной зоне сварного соединения закаливающихся сталей температура мартенситного превращения и, следовательно, образование трещин должны в значительной степени определяться собственными напряжениями первого рода, выминаемыми сваркой.
Сварка, как правило, вызывает объемные (трехосные) напряжения. Однако в зависимости от величины отдельных составляющих них напряжений различают линейное, плоскостное и объемное напряженные состояния. При сварке стыковых швов с увеличением толщины свариваемого металла создаются условия для появления объемных напряжений, что у закаливающихся сталей способствует сдвигу мартенситного превращения в область более низких температур. Склонность закаливающихся сталей к образованию трещин в околошовной зоне с увеличением толщины возрастает. И случае наплавки отдельного валика или облицовки кромок закаливающихся сталей возникают двухосные напряжения, которые способствуют протеканию мартенситного превращения в области более высоких температур. В этом случае отколы в закаливающихся сталях не наблюдаются.
С позиции отмеченного эффекта превращения мартенсита в области более высоких температур (верхняя область мартенситного превращения) получает более строгое толкование физическая сущность и принцип выбора оптимальной температуры предварительного или сопутствующего подогрева. При сварке с подогревом металл околошовной зоны охлаждается медленно, особенно в области мартенситного превращения. В результате основной объем этого превращения происходит в области температур, при которых оно сопровождается самоотпуском. Отсюда следует, что целесообразнее подогрев до температур, близких к мартенситной точке свариваемой стали.
Положительное действие смещения мартенситного превращения в область более высоких температур позволило более строго,"чем при водородной гипотезе, объяснить установленную практикой и ставшую широко известной возможность сварки закаливающихся сталей без подогрева путем применения сварочных материалов, обеспечивающих получение металла шва аустенитного класса. При аустенитном шве в сварном соединении создается иное, чем в соединении с феррито-перлитным швом, распределение сварочных напряжений. При аустенитном шве в околошовной зоне возникает напряженное состояние, которое протекающее здесь мартенситное превращение смещает в область более высоких температур, в силу
чего происходит оно с самоотпуском. При этом из твердого раствора выделяется углерод, вследствие чего уменьшаются тетрагональность решетки мартенсита и, следовательно, ее искажение, вызванное превращением аустенита в мартенсит. В результате мартенсит, образующийся в околошовной зоне, при аустенитном шве имеет меньшую твердость и вызывает меньшие напряжения второго рода, чем при феррито-перлитном, что и увеличивает стойкость околошовной зоны против образования трещин.
Таким образом, для предотвращения отколов при сварке закаливающихся сталей необходимы следующие условия: применение технологии, способствующей развитию происходящего в околошовной зоне мартенситного превращения в области температур, близких к мартенситной точке свариваемой стали, и исключение условий, способствующих насыщению сварочной ванны и, следовательно, металла шва водородом. Мартенситному превращению в области температур, близких к мартенситной точке, содействуют медленное охлаждение сварного соединения ниже мартенситной точки (замедлить охлаждение здесь можно с помощью предварительного или сопутствующего подогрева), а также устранение или снижение объемных напряжений, вызываемых сваркой (существенным здесь является повышение пластичности металла шва —■ сварка аусте - нитными электродами — или применение предварительной облицовки свариваемых кромок).
Все эти требования удовлетворяются используемыми в настоящее время способами сварки закаливающихся сталей — сваркой перлитными электродами с подогревом и сваркой аустенитными электродами без подогрева. Следует отметить, однако, что оба способа не обеспечивают полного решения проблемы сварки закаливающихся сталей, особенно в современном сварочном производстве: в перлитном шве часто образуются трещины, в аустенитном— нельзя получить высокий предел текучести.
Изложенное современное представление о причинах образования околошовных трещин позволяет наметить новый способ сварки закаливающихся сталей. Поскольку аустенитный металл шва оказывает положительное влияние на предотвращение околошовных трещин, сварку закаливающихся сталей можно производить с использованием сварочных материалов, обеспечивающих получение металла шва с задержанным распадом аустенита в нем до температур 200° С и ниже. В этом случае околошовная зона свариваемой закаливающейся стали по условиям происходящего в ней мартенситного превращения будет близка к околошовной зоне сварного соединения, выполненного аустенитными сварочными материалами. А это значит, что сварку закаливающихся сталей материалами, обеспечивающими получение металла шва с указанным распадом аустенита, можно производить без подогрева.
Если при этом применить сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва, аустенитная структура которого распадается с образованием структуры, придающей металлу высокую прочность, то новый способ сварки позволит получить металл шва с высокими прочностными характеристиками.
Практическим осуществлением нового способа сварки закаливающихся сталей может быть использование сварочных материалов, обеспечивающих в металле шва химический сост ав и структуру низкоуглеродистых мартенситных сплавов (мартенситные стали) или сплавов переходного класса (аустенито-мартенситные стали). Как известно, аустенито-мартенситные и малоуглеродистые мартенситные стали получают свою структуру только при температурах 100—160° С (мартенсито-стареющие стали) и даже при 20—60° С (аустенито-мартенситные стали). До этих температур в них сохраняется структура аустенита. Следовательно, металл шва аустенито- мартенситного или мартенситного класса в период происходящего в околошовной зоне мартенситного превращения сохраняет физикомеханические свойства, присущие аустенитному металлу. В результате основной объем этого превращения должен происходить в верхней его области и поэтому оно будет протекать с образованием благоприятных продуктов, что и исключает надобность подогрева при сварке.
В металле шва мартенситного или аустенито-мартенситного класса распад аустенитной структуры происходит с образованием мар - тенситной или аустенито-мартенситной структуры, которые придают металлу высокую прочность при достаточных в большинстве случаев пластических и вязких характеристиках. При традиционных способах сварки закаливающихся сталей такую прочность металла шва можно получить только при сварке с подогревом, который, как отмечалось, существенно усложняет условия работы сварщика и не всегда может быть осуществлен.
В современном сварочном производстве применение материалов, обеспечивающих металл шва из сталей аустенито-мартенситного или мартенситного класса, следует считать основным способом сварки закаливающихся сталей. Обусловлено это тем, что в настоящее время для изготовления сварных конструкций все чаще применяются закаливающиеся высокопрочные стали. При сварке таких сталей необходимо не только исключить образование околошовных трещин, но и обеспечить довольно высокие механические свойства металла шва. Использование здесь традиционного способа сварки закаливающихся сталей, заключающегося в применении материалов, обеспечивающих получение металла шва аустенитного класса, не позволяет получить требуемое сварное соединение из-за недостаточных прочностных свойств этого металла. Не всегда представляется возможным получить требуемое соединение таких сталей и вторым традиционным способом сварки закаливающихся сталей, который состоит в применении предварительного или сопутствующего подогрева и сварочных материалов, обеспечивающих получение металла шва из низко - или среднелегированной стали. В ряде случаев для сварки этих сталей требуется такое легирование металла, при котором в нем возникают либо холодные, либо кристаллизационные (горячие) трещины. Как показали исследования автора, выполненные совместно с В. В. Снисарем, А. Л. Купоревым и
Э. Л. Демченко, применение материалов, обеспечивающих металл шва с аустенито-мартенситной структурой или со структурой высоколегированного безуглеродистого мартенсита, позволяет современные закаливающиеся высокопрочные стали успешно сваривать без подогрева, получая при этом требуемые сварные соединения.
Горячие трещины в металле шва являются весьма распространенным дефектом высоколегированного металла шва, особенно аустенитного. Образование их в настоящее время связывают с наличием в нем прослоек незакристаллизовавшейся жидкости. Вероятность образования этих трещин определяется соотношением величины растягивающих напряжений, возникающих в результате неравномерного нагрева свариваемого металла, а также кристаллизации сварочной ванны и охлаждения сварного соединения, и пластическими свойствами металла шва в так называемом эффективном интервале кристаллизации. Под этим интервалом понимают часть интервала кристаллизации, в котором металл шва находится в двухфазном твердо-жидком состоянии. Началом' его (верхней границей) является срастание дендритов в общий каркас, концом (нижней границей) — полное затвердевание металла шва, т. е. температура реального солидуса. Полагают, что металлу в твердожидком состоянии присуща высокая хрупкость, поэтому эффективный интервал кристаллизации называют также температурным интервалом хрупкости (ТИХ). По мнению автора, этот термин более приемлем, но, как будет показано далее, нижнюю границу температурного интервала хрупкости следует ограничивать не линией солидуса, как это принято сейчас, а несколько (порядка 50— 100° С) ниже.
Как видно из изложенного, образование горячих трещин в металле шва связывается с его первичной кристаллизацией, в результате чего эти трещины часто называют кристаллизационными.
Согласно существующему представлению, горячие трещины в металле шва образуются в том случае, если в температурном интервале хрупкости величина деформации превысит пластичность, которую приобретает к этому времени затвердевший металл. Если же деформация затвердевшего металла в этом интервале не достигнет его пластичности, трещины не образуются.
Предполагается, что наличие жидких прослоек ослабляет сечение затвердевшего металла и тем самым способствует его разрушению. В связи с этим принято считать, что если к моменту возникновения ощутимых растягивающих напряжений металл шва успел полностью затвердеть, образование горячих трещин в нем исключено.
Образование горячих трещин в металле шва, по мнению автора, не следует связывать только с наличием в нем жидких прослоек. Трещины могут возникать и после полного его затвердевания.
Основанием для такого утверждения является тот факт, что во всех материалах при температурах, близких к солидусу, существует так называемый интервал хрупкого разрушения, в котором материал находится в твердом состоянии, но пластичность его приближается к нулю [38]. Эго обстоятельство, а также то, что к моменту полного затвердевания металла шва возникают ощутимые растягивающие напряжения, позволяет считать, что именно в этот момент наиболее вероятно образование трещин. Кроме того, появились жспериментальные данные [95], которые показывают, что горячие трещины в металле шва возникают именно после полного его затвердевания. Сказанное и явилось основанием считать температурный интервал хрупкости, с которым принято связывать образование горячих трещин, более широким, чем эффективный интервал кристаллизации.
Из изложенного следует, что стойкость металла шва против образования горячих трещин, или, как ее еще называют, технологическая прочность металла шва, зависит от его хрупкости и пластичности в этом интервале, а также интенсивности нарастания растягивающих напряжений (темпа деформации). Чем шире указанный интервал и ниже пластичность, тем ниже стойкость металла шва против образования трещин.
Ширина температурного интервала хрупкости металла шва определяется его химическим составом. Весьма важное значение имеет содержание элементов, образующих легкоплавкие соединения и эвтектики, которые, затвердевая последними, располагаются по границам столбчатых кристаллитов, в силу чего вероятность появления трещин увеличивается.
Легкоплавкую эвтектику, особенно в высоколегированных сталях, которые в большинстве случаев содержат никель, образует прежде всего сера. Сернистоникелевая эвтектика (Ni—NiS) обладает весьма низкой температурой плавления (645° С) и поэтому располагается по границам зерен (столбчатых кристаллов) металла шва. Следовательно, для предотвращения горячих трещин в металле шва необходимо прежде всего уменьшить содержание серы. Кроме серы, ликвирующими элементами, образующими относительно легкоплавкие интерметаллидные соединения или эвтектики и тем самым способствующими образованию горячих трещин в аустенит - пом металле шва, являются углерод, фосфор, кремний, ниобий. Поэтому содержание их также следует снижать.
Другим способом предотвращения появления горячих трещин в металле шва путем выбора соответствующего его состава является легирование элементами, улучшающими механические свойства, и прежде всего пластичность межкристаллических прослоек. В аустенитном металле шва с двухфазной структурой это достигается легированием элементами, образующими неаустенитную фазу (6-феррит, карбиды, нитриды и др.), располагающуюся по границам кристаллов [45, 51]. Получение металла шва с двухфазной, особенно аустенито-ферритной (у + 6-феррит) структурой в настоящее время яи.'пи'п’и основным способом предотвращения появления горичпч ірі-щнн при сварке аустенитных сталей.
К пі п і по тегированных однофазных сплавах (чистоаустенитный міч і і і шил) горячие трещины образуются по полигонизационным ip. inim. iM, появляющимся в закристаллизовавшемся металле при пмперагуре несколько ниже линии солидуса в результате движения и і руппировки дислокаций и вакансий [55]. Установлено, что пред - огнратить в таком металле появление трещины можно, легировав его элементами, которые уменьшают подвижность дислокаций и тем самым смещают температурный интервал полигонизации в область более низких температур, что частично или полностью тормозит выделение полигонизационных границ. Для сплавов аустенит - ного класса на никелевой и железной основе такими элементами являются молибден, вольфрам, тантал, рений и др. [55].
Сварке разнородных сталей присущи также специфические трудности. Одна из них вызвана возможностью образования в металле шва так называемых холодных трещин, которые возникают в остывшем уже сварном соединении даже спустя 10—20 ч после сварки.
Основная специфическая трудность сварки разнородных сталей, как свидетельствуют многочисленные исследования [15, 82], обусловлена тем, что в зоне их сплавления[1] может происходить значительное изменение структуры сплавляемых металлов[2]. В результате здесь образуются прослойки разупрочненного или охруп - ченного металла. Разупрочнение или охрупчивание в зоне сплавления разнородных сталей может быть настолько сильным, что происходит преждевременное (аварийное) разрушение сварного соединения. В практике эксплуатации сварных соединений разнородных сталей известно немало случаев хрупких разрушений по зоне сплавления, хотя каждый из свариваемых металлов в отдельности имеет высокую вязкость. Такое изменение структуры металла в зоне сплавления разнородных сталей условно названо образованием структурной неоднородности.
Специфической трудностью сварки разнородных сталей, особенно аустенитных с неаустенитными, с точки зрения получения надежно работающего соединения, является неизбежное наличие в нем остаточных напряжений, которые во многих случаях достигают значительных величин и имеют неблагоприятное распределение. Последующая термическая обработка, с помощью которой
обычно устраняются сварочные напряжения в так называемых однородных соединениях, в соединениях разнородных сталей только ухудшает их распределение и поэтому не может быть признана целесообразной.
Таким образом, для получения качественных и надежно работающих сварных соединений необходимо применить технологию сварки, которая исключает образование околошовных трещин при использовании в свариваемой конструкции закаливающихся сталей; обеспечивает получение металла шва без горячих трещин; не вывываетчрезмерного разбавления высоколегированного металла менее легированным; исключает образование структурной неоднородности в зоне сплавления как в процессе получения сварного соединения, так и при последующем его нагреве (термообработка, эксплуатация в условиях высоких температур); обеспечивает получение сварного соединения, в котором сплавляемые металлы имеют близкие коэффициенты линейного расширения.
Сварные соединения разнородных сталей, полученные с применением технологии, разработанной с учетом указанных требований, являются вполне приемлемыми как по результатам различного рода испытаний в лабораторных условиях, так и по данным их работы в реальных конструкциях.