МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

ЛЕГИРОВАННЫЕ ТЕПЛОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Теплостойкими или теплоустойчивыми называют стали, эксплуатирующиеся при температурах до Тэксп =

500.. .580 °С в течение t — Ю4...^ ч. По степени легиро­вания к теплоустойчивым сталям в основном относят­ся низко - и среднелетированные перлитные стали. Со­держание углерода в этих сталях составляет 0,08...0,17%. В соответствии с условиями эксплуатации теплоустой­чивые стали должны обладать сопротивлением ползучес­ти, длительной прочностью и жаростойкостью. Обеспе­чение перечисленных свойств в интервале температур эксплуатации достигается путем легирования сталей хромом (0,5...2,0%), молибденом (0,2...1,0%), ванадием (0,1...0,3%), добавками W, Ті, Si и соответствующей тер­мообработкой (улучшением).

Известны два основных направления получения тре­буемого уровня теплостойкости.

Первый путь — обеспечение теплостойкости за счет структурного упрочнения твердого раствора хромом и молибденом, что повышает температуру рекристаллиза­ции железоуглеродистого сплава и снижает интенсив­ность диффузионных процессов (разупрочнение) при

высокотемпературной эксплуатации. Кроме того, в про­цессе длительной эксплуатации при Т = 450...600 °С мо­либден образует с железом интерметаллид Fe2Mo (фазу Лавеса), что повышает длительную прочность стали за счет дисперсионного твердения, т. е. созданием на грани­цах зерен препятствий для движения дислокации. Оп­тимальным содержанием Мо в стали является 0,4... 1,3%.

Второй путь структурного упрочнения стали — это введение в сталь сильных карбидообразующих — вана­дия и ниобия. Эти элементы, находясь в металле в виде высокодисперсных карбидов VC и NbC, растворенных в зернах, также повышают длительную прочность ста­ли. Такие теплоустойчивые стали с карбидным упроч­нением подвергают полной термической обработке: закалке на мартенсит и высокому отпуску. Во время пос­леднего и образуются мелкодисперсные карбиды VC и NbC. Однако длительная эксплуатация изделий при Т = 550...600 °С приводит к коагуляции этих карбидов и их расположению вблизи границ зерен, что ведет к возможности межзеренного разрушения (охрупчива­нию) и снижению теплостойкости сталей.

Поэтому для сварных соединений предпочтительным является первый путь структурного упрочнения сталей, так как он позволяет получать более пластичный металл шва по сравнению с карбидным упрочнением и обеспе­чивает большую стабильность структуры в процессе длительной эксплуатации.

Разработаны и используется большое число марок сталей, в которых для упрочнения применяются оба указанных механизма.

Теплостойкие стали используются для изготовления сварных узлов парогенераторов, трубопроводных систем энергетических и нефтехимических установок, атомных реакторов и т. д. Наиболее известными являются марки сталей 12ХМ, 12МХ, 15ХМ, 20ХМЛ (Траб = 450...550 °С)

122

и 12Х1МФ, 15Х1МФ, 20ХМФЛ, 12Х2МФЛ и др. (Т, мб=

550.. .580 °С) Химическим состав и свойства сталей рег­ламентированы ГОСТ 20072—74 и указаны в литературе [12]. Оптимальные механические свойства и их стабиль­ность в течение 100 000 ч (10 лет) обеспечиваются струк­турой перлита, получаемой после закалки с последую­щим высоким отпуском или после нормализации.

Характеристика свариваемости и рекомендации по сварке

Физическая свариваемость теплоустойчивых сталей, определяемая отношением металла к плавлению, метал­лургической обработке и последующей кристаллизации, не вызывает существенных осложнений, что при совре­менных сварочных материалах и уровне технологии по­зволяет обеспечить необходимую стойкость металла швов против образования горячих трещин и высокие ха­рактеристики их работоспособности.

Технологическая (иногда называемая тепловой) сварива­емость осложняется охрупчиванием металла в результате образования метастабильных (неустойчивых) структур в участках соединения, нагревавшихся выше температу­ры Асз, и разупрочнением в участках, нагревавшихся в интервале температуры — температура отпуска ста­ли. Образование хрупких структур (мартенсита) и сум­мирование сварочных и эксплуатационных напряжений могут исчерпать пластичность металла и вызвать разру­шение конструкции из-за образования холодных тре­щин как сразу после сварки, так и в течение определен­ного времени после ее окончания.

Образование закалочных структур во многом опреде­ляется системой легирования сталей и швов: хромомо- либденованадиевые стали более склонны к холодным

123

трещинам по сравнению с хромомолибденовыми. По­явлению «замедленных» холодных трещин способству­ет диффузионно подвижный водород.

Улучшение свариваемости (предотвращение холод­ных трещин) достигается местным или общим сопут­ствующим подогревом изделия. Подогрев уменьшает скорость охлаждения металла, снижает напряжения пер­вого рода, что способствует уменьшению количества об­разующегося мартенсита. Кроме того, подогрев метал­ла в процессе сварки способствует эвакуации водорода из сварного соединения и тем самым увеличивает его деформационную способность. Однако температура подогрева соединений должна быть ограничена как по нижнему, так и по верхнему пределу. Слишком малый подогрев не устраняет закалочных структур, а боль­шой — способствует образованию грубой ферритно - перлитной структуры, что снижает ударную вязкость и длительную прочность соединений. В некоторых случа­ях (при больших толщинах) предотвращение образова­ния холодных трешин и хрупких разрушений сварных соединений достигается выдержкой их после сварки при Т = 150...200 °С в течение нескольких часов, необходи­мых для завершения превращения остаточного аустсни - та и снижения концентрации водорода в шве и ЗТВ.

Как указывалось, технологическую свариваемость ос­ложняет также разупрочнение зоны термического вли­яния в участке отпуска. Это происходит потому, что за­готовки из теплоустойчивых сталей поступают на сварку, как правило, в термически упрочненном состоянии (нормализация или закалка с отпуском), а нагрев ука­занного участка при сварке снимает упрочнение. Сте­пень разупрочнения определяется уровнем легирования и тепловым режимом сварки. Чем больше погонная энергия (большой ток, малая скорость сварки), тем

шире зона и степень разупрочнения. Мягкая разупроч - ненная ферритная прослойка в зоне термического вли­яния может явиться причиной локальных разрушений жестких соединений в процессе эксплуатации.

Устранения разупрочнения можно добиться термооб­работкой (нормализация + отпуск при Т = 700 °С) пос­іє сварки.

Появлению локальных хрупких разрушений в про­цессе длительной эксплуатации при Т = 450 ..600 °С может способствовать изменение свойств металла в зоне сплавления из-за интенсивного развития диффузионных процессов между основным металлом и металлом шва. Это относится, в первую очередь, к диффузии углерода. Миграция углерода из стали в шов или наоборот наблю­дается даже при небольшом различии в легировании их карбидообразующими элементами, часть из которых «удерживает» около себя углерод и «вытягивает» его из зон, где концентрация карбидообразующих элементов меньшая. Это приводит к образованию в процессе экс­плуатации обезуг/іероженной (ферритной) прослойки с одной стороны линии сплавления и карбидной гряды с другой, что существенно снижает пластичность соеди­нения в целом и ведет к его разрушению (пример: сталь 12Х1МФ — шов 10ХЗМ1БФ — со стороны шва по ли­нии сплавления формируются карбиды, а со стороны стали — обезуглероженная зона). Указанные обстоятель­ства требуют, чтобы сварочные материалы обеспечива­ли состав шва, близкий к химическому составу основ­ного металла, либо чтобы шов был более аустенитным (пластичным), чем свариваемый металл.

Общими рекомендациями по всем способам дуговой сварки являются: обязательная и тщательная зачистка и подготовка поверхности свариваемых кромок, постоян­ство тепловых режимов, надежная защита зоны сварки и жесткое соблюдение режимов подогрева и термообра­ботки сварных соединений.

Разделка кромок осуществляется механически или плазменно-дуговой резкой. Сварку проводят при темпе­ратуре окружающего воздуха не ниже О °С с предвари­тельным и сопутствующим местным или общим подо­гревом (табл. 11.1).

Таблица 111

Как правило, сварные соединения толщиной менее 10 мм можно не подвергать послесварочной термообра­ботке. Во всех других случаях она необходима, так как из - за структурной неоднородности соединения и высоко­го уровня сварочных напряжений сварные соединения весьма склонны к трешинообразованию.

Для ручной дуговой сварки используются электроды с основным (фтористо-кальциевым) покрытием, изго ­товленные из низкоуглеродистой сварочной проволоки с введением в покрытие легирующих элементов. Покры­тие такого типа обеспечивает повышенную раскислен - ность металла шва и низкое содержание водорода. Од - нлко их применение требует тща гельной очистки повер­хности свариваемых кромок от окалины, ржавчины, масел, прокалки и просушки электродов перед сваркой, ведения процесса на предельно короткой дуге. Рекомен­дации по применению электродов представлены в табл.

11. 2. Сварка осуществляется на постоянном токе обрат­ной полярности, а ток выбирается в зависимости от ди­аметра электрода и положения шва в пространстве.

Зазор между свариваемыми кромками заполняется узкими валиками без поперечных колебаний электрода с тщательной заваркой кратеров. Если после сварки тер­мообработка не предусматривается, то для указанных сталей используются электроды на никелевой основе (например, ЦТ—36).

При сварке в защитных газах используются неплавя - щиеся (вольфрамовые) и плавящиеся электроды в сре­де инертных газов (аргон, гелий). Аргонодуговая свар­ка, как правило, используется для выполнения корневых швов при многослойной сварке стыков трубных элемен - I о в. Сварка в углекислом газе из-за опасности образо­вания окисных включений в шве применяется только і ія однопроходных швов или заварки дефектов литья с использованием проволок Св-08ХГСМА и Св— 08ХГСМФА.

Автоматическую сварку пол флюсом используют для кольцевых (поворотных) и продольных стыков трубе проводов, коллекторов, корпусов аппаратов нефтехими­ческой и атомной промышленности и других изделий с толщиной стенок более 12...20 мм. При этом использу­ют проволоки Св—08ХМ, Св—08ХМФА и др. С целью снижения количества оксидов в швах применяют низ­коактивные по Si и Мп флюсы типа ФЦ— 11, ФЦ—16, ФЦ—22. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности на минимальных погонных энергиях. При этом скорость сварки не должна превышать 40...45 м/ч, чтобы предупредить образование холодных трещин.

При всех способах дуговой сварки необходимо обес­печить максимальное приближение химического соста­ва шва к основному металлу.

Другим «слабым» местом соединения из теплоустой­чивых сталей являются участки охрупчивания (зоны ро­ста зерна и закалки). Такие участки всегда присутствуют в сварном соединении, но их ширина и степень охруп­чивания (оцениваемая по значению KCU или Ткр) в не­которой степени могут регулироваться за счет выбора способа и режимов сварки. В большей степени охруп­чивание зависит от качества исходного металла (чисто­та по примесям, вид улучшающей термообработки). Действенным средством улучшения свойств всего свар­ного соединения является своевременно проведенный высокий отпуск (Тотл = 670...710 °С).