СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫЕ СТАЛИ

(Зубченко А. С.)

14.1. Состав и свойства сталей

14 1 1 Структура сталей

С точки зрения коррозионной стойкости оптимальное содержание Сг в стали составляет 12—14 % Такой уровень легирования Сг обеспечивает легкую пассивацию поверхности во многих агрессивных средах, связанных с произ­водством нефтехимических продуктов, а также в воде высоких параметров с борным регулированием При повышении содержания хрома более 12 % коррозионная стойкость практически не увеличивается Вместе с тем в этом случае имеет место проявление склонности стали к охрупчиванию и сни­жению прочности в связи с формированием в структуре значительного ко­личества ферритной составляющей 13—14 %-кые хромистые стали с час­тичным у-»-а (М)-превращением относят к мартеиситно-ферритным По структуре мартенситно феррнтные стали соответствуют сплавам Fe — Сг, при охлаждении которых полиморфные превращения соответствуют реакции б->у+б-^-а(Л4) +6 Количество 6-феррнта в сталях повышается с увеличе­нием содержания Сг и снижением концентрации С С введением С границы существования области у-твердых растворов сдвигаются в сторону более высокого содержания Сг У 13 %-ных хромистых сталей с <0,25% С тер­мокинетическая диаграмма распада аустенита состоит из двух областей превращения При температурах выше 600 °С в случае достаточно низкой скорости охлаждения возможно образование ферритной составляющей структуры Ниже 400 °С при более быстром охлаждении наблюдается без - диффузионное превращение аустенита в мартенсит Количество образовав­шегося мартенсита в каждом из указанных температурных интервалов за­висит, главным образом, от скорости охлаждения и содержания углерода в стали

14.1 2. Назначение и марки сталей

Несмотря на отрицательное влияние 6-феррита на пластичность и ударную вязкость, мартенситно ферритные стали марок 08X13, 12X13, 20X13, 08Х14МФ и др находят довольно широкое применение при изготовлении химических аппаратов и энергетического оборудования (табл 14 1 и 14 2) Наиболее широкое применение в машиностроении имеют стали марок 08X13 и

08Х14МФ е пониженным содержанием углерода

Сталь 08X13 используют как в виде однородного листа и труб, так и кор-

розиоиностойкого слоя биметалла. Сваренные детали из стали 08X13 при­меняют в основном для изготовления внутренних устройств химических ап­паратов и энергетического оборудования, не подлежащих контролю надзор­ных органов за безопасной эксплуатацией. Биметалл с плакирующим слоем из стали 08X13 используют для изготовления нефтехимического оборудо­вания, работающего под давлением при температурах от —40 до 560 °С.

Сталь 08X14МФ применяется на предприятиях энергетического маши­ностроения, в основном в виде труб для изготовления теплообмеиного обо­рудования, работающего при температурах до 350 °С. Стали 12X13 и 20X13 с повышенным содержанием углерода используют для изготовления деталей различных турбни и насосов с температурой эксплуатации до 500 °С.

Сталь марки 14Х17Н2 со значительно большим содержанием Сг, но име­ющая мартенситно-феррнткую структуру благодаря дополнительному леги­рованию Ni, отличается высокой коррозионной стойкостью, не склонна к МКК. Применяется для внутренних устройств оборудования АЭС.

14.1.3. Механические свойства сталей

Механические свойства мартенситио-ферритиых сталей регламентируют в за­висимости от толщины и вида проката В табл. 14.3 приведены основные требования к механическим свойствам. В связи с возможностью формирова­ния структуры с большим количеством ферритной составляющей, способ­ствующей охрупчиванию, нормативными документами, как правило, не пре­дусматриваются требования по величине ударной вязкости. Лишь для отдельных видов проката сталей марок 08X13 и 12X13 регламентирована ве­личина ударной вязкости.

14.2. Свариваемость сталей

14.2.1. Фазовые и структурные превращения при сварке

У стали марки 08X13 с содержанием углерода менее 0,08% термокинетическая диаграмма распада аустенита имеет две области превращения: в интервале 600—930 °С, соответствую­щем образованию ферритно-карбидной структуры, и 120— 420 °С — мартенситной (рис. 14.1). Количество превращенного аустенита в каждом из указанных температурных интервалов зависит главным образом от скорости охлаждения. Например, при охлаждении со средней скоростью 0,025 °С/с превращение аустенита происходит преимущественно в верхней области с образованием феррита и карбидов. Лишь 10 % аустенита в этом случае превращается в мартенсит в процессе охлажде­ния от 420 °С. Повышение скорости охлаждения стали до 10 °С/с способствует переохлаждению аустенита до темпера­туры начала мартенситного превращения (420 °С) и полному его бездиффузионному превращению. Изменения в структуре,

обусловленные увеличением скорости охлаждения, сказыва­ются и на механических свойствах сварных соединений. С воз­растанием доли мартенсита наблюдается снижение ударной вязкости.

Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в об­ласть более низких температур границы превращения у->-(а + + К) и у-*-(а + .М). У сталей с содержанием углерода 0,10— 0,25 % в результате этого полное мартенситное превращение

имеет место после охлаждения со скоростью ~ 1 °С/с.

14.2.2. Сопротивляемость XT и хрупкому разрушению

С точки зрения свариваемости" мартенситно-ферритные стали яв­ляются «неудобным» материалом. В связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях этих с-талей возможно образова­ние холодных трещин. Склонность к образованию трещин при сварке зависит от характера распада аустенита в процессе охлаждения.

В случае формирования мар - тенситной структуры ударная вяз­кость сварных соединений 13%-ных хромистых сталей сни­жается до 0,05—0,10 МДж/м2. Последующий отпуск при 650— 700°С приводит к распаду струк­туры закалки, выделению карбидов, в результате чего тетраго - нальность мартенсита уменьшается. После отпуска ударная вяз­кость возрастает до —1 МДж/м2. С учетом такой возможности восстановления ударной вязкости большинство марок хроми­стых сталей имеет повышенное содержание углерода для пред­отвращения образования значительного количества феррита в структуре. Таким путем удается избежать охрупчивания стали. Однако при этом наблюдают ухудшение свариваемости вследствие склонности сварных соединений к холодным трещи­нам из-за высокой хрупкости околошовного металла со структу­рой пластинчатого мартенсита.

Формирование значительного количества 6-феррита в струк­туре околошовного металла резко уменьшает склонность свар­ных соединений к образованию холодных трещин. Образование большого количества 6-феррита характерно для 13 %-ных хро­мистых сталей с содержанием С<0,1 %. Количество 6-феррита

в структуре околошовного металла зависит от уровня темпера­туры нагрева. В участках, нагреваемых до температур, близких к Тсолидуса, количество 6-феррита в структуре может стать по­давляющим. Такая структура характерна для участка зоны термического влияния, примыкающего к линии сплавления со швом и подвергающегося при сварке влиянию наиболее высо­ких температур. Ширина этого участка мало зависит от тем­пературы подогрева, но возрастает с погонной энергией сварки. Поэтому для сталей 08X13 и 08Х14МФ с увеличением ширины участка с большим количеством б-феррита отрицательное вли­яние его на вязкость сварных соединений возрастает.

14.2.3. Выбор теплового режима сварки

В соответствии с табл. 14.4 сварка мартенситно-ферритных сталей производится в основном с предварительным и сопут­ствующим подогревом.

Даже для узлов и деталей из стали марки 08X13 с наибо­лее низким содержанием углерода при сварке рекомендуется подогрев до 150—250 °С с последующей термической обработ­кой. Подогрев не производится только при сварке плакирую­щего слоя биметалла.

Дополнительное легирование стали 08Х14МФ карбидообра­зующими элементами снижает «эффективное» содержание С и устойчивость аустенита в процессе охлаждения, способствуя его распаду уже при 300 °С. Тетрагональность мартенсита уменьшается, что благоприятно сказывается на свариваемости. Сталь 08Х14МФ, легированная дополнительно Мо и V, свари­вается в результате этого без подогрева.

Сварное

соединение

14.3. Технология сварки и свойства соединений

14.3.1. Способы сварки и сварочные материалы

Для стали 08X13 применяют различные способы сварки: руч­ная штучными электродами и в защитных газах, автоматиче­ская под флюсом. Разнообразны также применяемые свароч­ные материалы. Их марки регламентированы в ОСТ 26-01-77, РТМ 108.940.08—85 и отраслевых инструкциях (табл. 14.5). Среди них наибольшее распространение имеют сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие получение аустенит - ного наплавленного металла (электроды типа Э-10Х25Н13Г2, проволока Св-07Х25Н12Г2Т).

Присадочные материалы для ручной дуговой сварки (элек­троды типа Э-10Х18Н2), аргонодуговой и автоматической сварки под флюсом (проволока Св-08Х18Н2ГТ и Св-08Х14ГНТ)

стали 14Х17Н2 по химическому составу близки к основному металлу. Для деталей и узлов из стали 14Х17Н2 находит также применение способ электронно-лучевой сварки.

14.3.2. Термическая обработка

Из-за опасности образования холодных трещин и просто хруп­кого разрушения вследствие резкого снижения ударной вязко­сти околошовного металла сварные соединения мартенситно - ферритных сталей должны быть подвергнуты термическому от­пуску для «смягчения» структур закалки и снятия остаточных напряжений. Режим термической обработки приведен в табл. 14.4.

14.3.3. Механические и служебные свойства соединений

Так как для сталей 08X13, 08Х14МФ, 12X13 и 20X13 приме­няют в основном аустенитные сварочные материалы, то проч­ностные свойства их сварных соединений ниже по сравнению с основным металлом. Равнопрочность достигается при исполь­зовании для сварки электродов и проволок, обеспечивающих получение металла швов с мартенситной структурой (электро­дов АНВ-1, АНВ-2, ЦЛ-51) (табл. 14.5).

К сварным соединениям стали 14Х17Н2 предъявляют тре­бования стойкости против МКК. Эта стойкость обеспечивается рекомендуемой в табл. 14.4 термообработкой.