СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

АУСТЕНИТНЫЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ СТАЛИ (Липодаев В. Н.)

17.1. Состав, структура и назначение

К аустенитному классу коррозиониостойких сталей относятся стали, имею­щие после высокотемпературного нагрева преимущественно структуру аусте­нита; эти стали могут содержать до 10 % феррита. Состав и свойства 'кор­розиониостойких хромоникелевых сталей, известных в мировой прак­тике под наименованием стали типа 18-10 (содержание примерно 18% Сг и 10 % Ni), хромомарганцевых, хромомаргаиценикелевых, хромони - кельмолибденовых и высококремни­стых сталей приведены в табл. 17.1.

Хромоникелевые стали. Основ­ным элементом, обусловливающим высокую коррозионную стойкость сталей типа 18-10, является хром, обеспечивающий способность стали к пассивации. Присутствие хрома в стали в количестве 18 % делает сталь стойкой во многих средах окислительного характера, в том чи­сле в азотной кислоте в широком диапазоне концентраций и темпера­тур. Благодаря наличию в стали никеля в количестве 9—12 % обе­спечивается аустенитная структура, что гарантирует высокую техноло­гичность стали в сочетании с уни­кальным комплексом служебных свойств. Это дает возможность использовать стали типа 18-10 в качестве коррозионностойких, жаростойких, жаропрочных и криогенных материалов.

В сталях типа 18-10 в зависимости от температурно-временных условий обработки могут происходить следующие фазовые превращения; выделение избыточных карбидных фаз и a-фазы при иагреве в интервале 450—900 °С; образование в аустенитной основе б-феррита при высокотемпературном (бо­лее 1200 °С) нагреве; образование a-фазы маргенситного типа при охлажде­нии или холодной пластической деформации.

Ограничением содержания углерода (не более 0,02—0,03 %) либо легиро­ванием (стабилизацией) сильными карбидообразующими элементами (тита­ном или ниобием) достигается высокая стойкость сталей типа 18-10 против межкристаллитной коррозии (МКК).

Принципиальная схема термической обработки нестабилизированных (о) и стабилизированных (б) сталей типа 18-10 представлена на рнс 17 1 [1]. Нестабилизированиые стали подвергают закалке путем нагрева выше тем­пературы растворения карбидов хрома (Гр) и достаточно быстрого охлаж-
деиия в воде или на воздухе. Температура закалки Т3 определяется из рас­чета полного растворения карбидов хрома, снятия внутренних напряжений и предупреждения чрезмерного роста аустенитного зерна. Она составляет для сталей с различным содержанием С 900—1100 °С. Стабилизированные стали закаливают также от температуры выше Тр, однако в этом случае ее проводят из области у+МеС, где Me С — специальный карбид Ті или Nb.

Закалка является эффективным средством предупреждения МКК и при­дания стали оптимального сочетания механических н коррозионных свойств. Однако она не всегда выполнима. В этом случае часто применяют стабили­зирующий отжиг. Температуру отжига Т0 обычно выбирают в зоне актив­ного выделения специальных карбидов (850—950 °С).

Хромоникелевые стали в СССР и за рубежом широко используют в сварных конструкциях, работающих в контакте с азотной кислотой и дру­гими средствами окислительного характера, некоторых органических кисло­тах, органических растворителях, атмосферных условиях и т д.

Хромомарганцевые и хромомарганценикелевые стали. Мп в сталях иг­рает роль заменителя Ni. Поскольку он более слабый аустенизатор, чем Ni, стали дополнительно легируют Ni, N либо обоими элементами. Мп не­сколько снижает общую коррозионную стойкость сталей в окислительных средах, однако она сохраняется удовлетворительной при легировании Мп сталей вплоть до 13—14 %. Стали с 14 % Сг (10Х14Г14Н4Т) 'устойчивы против общей коррозии в атмосферных условиях, в 45 %-ной HNO3 до 60 °С, стали с 17 % Сг в 45 %-ной HNO3 до 100°С, а в 60 %-ной —до 60°С.

Ведущей избыточной фазой, выделяющейся в хромомарганцевых и хро - момарганценикелевых сталях, в том числе легированных N, является карбид 44е2зСб [1]. Мп увеличивает растворимость углерода в у-твердом растворе. Благодаря этому ударная вязкость сталей с ростом в них содержания Мп в состоянии после отпуска возрастает.

Мп увеличивает стабильность аустенита при охлаждении и холодной пластической деформации. Вместе с тем марганец сообщает сталям боль­шую склонность к наклепу при пластической деформации. Это свойство хромомарганцевых сталей необходимо учитывать при операциях, связанных с холодной пластической деформацией.

Термическая обработка аустенитных хромомарганцевых и хромомарган - ценикелевых сталей заключается обычно в закалке от 1000—1050 °С с ох­лаждением в воде илн на воздухе (для стабилизированных Ті нли Nb ста­лей). Закалка фиксирует состояние гомогенного твердого раствора, что обес­печивает оптимальное сочетание свойств.

Стали этой группы предназначены для изготовления разнообразного сварного оборудования, работающего в средах химических производств сла­бой агрессивности, криогенной техники до температуры —253 °С, а также их используют в качестве жаростойкого и жаропрочного материала до 600— 700 °С

Хромоникельмолибденовые стали. К этой группе относятся хромонике­левые стали, дополнительно легированные 2—4 % Мо. Молибден повышает коррозионную стойкость сталей в условиях воздействия фосфорной, муравьи­ной, уксусной кислот и других средах повышенной агрессивности. Повыше­ние содержания Ni по сравнению со сталями типа 18-10 сопряжено с умень­шением растворимости С и соответственно повышением его активности при образовании карбидных фаз. По этой причине стали этой группы часто стабилизируют Ті или Nb.

Сг, Мо и Si в хромрникельмолибденовых сталях способствуют выделению a-фазы при отпуске в диапазоне температур 600—-900 °С. Образование a-фазы по границам зерен может явиться причиной протекания МКК в кон­струкциях, эксплуатируемых, например, в производстве гидроксиламинсуль- фата.

Рекомендуемой термической обработкой для всех молибденсодержащих сталей является закалка с 1050—1120 °С в воде В этом состоянии стали имеют преимущественно аустенитную структуру. После высокотемпературного

Первый балл стойкости (укр до 0,1 мм/год) в 65 %-ной и 80 %-ной азотной кислоте при температурах соответственно до 85 н 65 °С; 100 %- ной серной кислоте при температуре до 70 °С; смеси азотной и серной ки­слот (25 % HN03, 70 % H2S04;

10 % HN03 + 60 % H2S04) при 60 °С, 40 % - ной фосфорной кислоты при 100 °С

Первый балл стойкости в ряде кислот невысокой концентрации и темпера­туры (5—10 %-ная азотная кислота до 80 °С, 58- и 65 %-ная азотная кислота при 20 °С, 10 %-ная уксус­ная кислота до 80 °С, 10 %-ная фос­форная кислота до 80 °С), моющих средствах, водопроводной воде при 85 °С и в ряде других сред

Первый балл стойкости в 50 %-ной лимонной кислоте при 7’кип; 10%- ной муравьиной кислоте до 100 °С; 5-, 10- и 25 %-ной серной кислоте до 75 °С; 50 % - ной уксусной кислоте до 100 °С и в других средах

Первый балл стойкости в азотной кислоте концентрацией свыше 90 % при температуре выше 100 °С (02Х8Н22С6) и до 50 °С (15Х18Н12С4ТЮ)

нагрева (1200—1250 °С) стали 08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 10X17H13M3T могут иметь в структуре некторое количество 6-ферита

Хромоникельмолибденовые стали в отечественной и зарубежной прак­тике применяют в сварных конструкциях, работающих в условиях воздей­ствия сред повышенной агрессивности (фосфорная, муравьиная, уксусная кислоты, синтез карбамида и др )

Высококремнистые стали Легирование хромоникелевых сталей 4—6 % Si сообщает им высокую коррозионную стойкость в кипящих концентриро­ванных растворах HN03

После оптимальной термической обработки, состоящей из закалки с 1050 °С в воде, сталь 02Х8Н22С6 имеет аустенитную структуру с отдель­ными нерастворившимнся выделениями эвтектической силнцидной фазы В условиях кратковременного нагрева при 600—700 °С в стали наблюдаются межзеренные дисперсные выделения карбидов и карбосилицидов, сообщаю­щие склонность к МКК Легирование стали 0,3—0,5 % Nb делает ее не­чувствительной к МКК

17.2. Свариваемость

17.2.1. Структура, свойства металла шва и зоны термического влияния

Металлу аустенитных сварных швов характерна ячеистая, денд­ритная или смешанная форма кристаллизации, что предопреде­ляет образование крупных столбчатых кристаллов с обогаще­нием междендритных участков примесями, образующими лег­коплавкие фазы [2, 3]. Высокие скорости кристаллизации сварных швов при дуговой сварке обусловливают в них сравни­тельно слабо развитую зональную и значительную микрохими­ческую дендритную неоднородность в результате ликвации в первую очередь таких элементов, как Р, S, С, Мо, Si, Ті и др.

Воздействие термодеформационного цикла сварки приводит к образованию в различных участках зоны термического влия­ния структур, существенно отличающихся от структур свари­ваемых сталей. Характерным для них является незавершен­ность полиморфных превращений (у-*~6 или а-*у) на стадии нагрева и образование отпускных структур на стадии охлаж­дения. Структура в зоне термического влияния отличается также неоднородностью в результате неравномерного нагрева, разви­тия субструктуры и высокотемпературного наклепа вследствие межзеренной и внутризеренной пластической деформации [7].

17.2.2. Трещины в сварных соединениях

17.2.2.1. Трещины при сварке. Различают три вида трещин, об­разующихся при сварке аустенитных сталей: кристаллизаци­онные, подсолидусные и холодные [4]. Первые два вида объеди­няют названием «горячие трещины». Природа трещин описана в гл. 6.

Применение методов, способствующих измельчению кристал­лов и устранению столбчатой структуры, повышает стойкость швов против образования горячих трещин. Одним из наиболее эффективных методов является получение швов, имеющих не­которое количество [~2—6% (объемн.)] первичного 6-фер­рита. Благодаря ферриту изменяется схема кристаллизации металла шва, возрастает растворимость в нем ликвирующих примесей, достигается измельчение и дезориентация структуры. Получение аустенитно-ферритных швов достигается дополни­тельным легированием их через электродную проволоку, по­крытие или керамический флюс элементами-ферритизаторами (Сг, Si, Мо, Nb, V).

Холодные трещины могут возникать как в процессе остыва­ния сварных соединений, например в интервале 500—700 СС, так и при комнатной температуре спустя некоторое время после окончания сварки. Причиной появления холодных трещин мо­гут явиться фазовые превращения, например, в результате об­разования в значительных количествах о-фазы, мартенситной составляющей либо другой охрупчивающей фазы [4]. Они могут наблюдаться также в швах и околошовной зоне материалов, не претерпевающих структурных превращений, но обладающих малым запасом пластичности из-за чрезмерно высокой степени упрочнения твердого раствора. Холодные трещины в отличие от горячих могут иметь внутрикристаллитный характер. Оча­гами их зарождения могут быть также горячие трещины.

17 2.3. Хрупкие разрушения при эксплуатации

17.2.2.2. Коррозионное растрескивание. Процесс коррозии под напряжением (КРН) является следствием циклического меха - ноэлектрохимического эффекта в агрессивных средах. В местах поверхностных дефектов и на участках концентрации напряже­ний в сварных соединениях происходит образование микротре­щин. Функционирует микрокоррозионная пара: вершина тре­щины (анод)—остальная поверхность под оксидной пленкой (катод). Накапливающиеся на аноде продукты коррозии заку­поривают трещину и расклинивают ее.

Связь между разрушающим напряжением (сг) и временем до разрушения для коррозионностойких сталей описывается за­висимостью, приведенной на рис. 17.2. Напряжение окр является пределом длительной коррозионной стойкости материалов.

Сварные соединения аустенитных сталей могут быть под­вержены КРН в водных растворах хлористых солей, растворах щелочей, некоторых азотнокислых солей и др., а также в паро­вой фазе [1].

В наибольшей степени склонны к КРН сварные соединения аустенитных хромоникелевых сталей типа 18-10, 17-13-2, а также
хромоникельмарганцевая сталь 10Х14Г14Н4Т, для которых ха­рактерно низкое отношение сгкр/сгв (0,25—0,4). Напротив, фер - ритные и аустенитно-ферритные коррозионностойкие стали и их

сварные соединения проявляют высо­кую стойкость против КРН (см. рис. 17.2). С ростом содержания никеля в аустенитных сталях также повыша­ется стойкость против КРН.

17.2.3.2. Хрупкие разрушения при криогенных температурах. К числу ос­новных требований, предъявляемых к сварным соединениям аустенитных сталей криогенного назначения, относя г определенный комплекс механических свойств, а именно — сочетание высокой исходной прочности (при 20°С), пла­стичности, вязкости при температурах до —269°С и малой чувствительности к концентрации напряжений. При свойств важно установить соотношение между характеристиками, используемыми для расчета конст­рукции и склонностью материала к концентраторам напряже­ний или хрупкому разрушению.

К категории сравнительных испытаний, отражающих чувст­вительность металла к концентраторам напряжений (хрупкому разрушению), относятся различные виды испытаний на ударную вяз­кость.

ГОСТ 9454—78 предусматри­вает испытания металлических ма­териалов на ударную вязкость на трех видах образцов: с надрезами радиусом 1,0 мм (KCU); 0,25 мм (КС) и трещиной (КСТ).

На рис. 17.3 приведены данные о соотношении предела текучести при 20 °С и ударной вязкости об­разцов с трещиной (КСТ) при —253 °С для четырех основных классов коррозионностойких ста­лей и сплавов в криогенной тех­нике. Эти данные дают ориентиро­вочное представление о свойствах аустенитных сталей (от до 500—550 МПа), сплавов на железной и никелевой основе с су до 700 МПа, в том числе дисперсионно- твердеющих, а также сталей аустенитно-мартенситного и мар - тенситного классов (от до 1150—1200 МПа).

17.3. Технология сварки и свойства соединений

17.3.1. Выбор сварочных материалов

Выбор сварочного материала определяется условиями получе­ния бездефектного металла шва, удовлетворяющего по своим свойствам требованиям, предъявляемым к нему условиями экс­плуатации конструкции. Вследствие повышенной склонности аустенитных швов к образованию горячих трещин, понижен­ной их коррозионной стойкости, трудности легирования легко - окисляющимися элементами (А1, Ті и другими) часто ориенти­руются на получение швов, по химическому составу отличаю­щихся от свариваемого металла. В табл. 17.2 приведены рекомендации по выбору материалов для сварки различными способами коррозионностойких сталей.

При сварке сталей с большим запасом аустенитности, осо­бенно толщиной более 14—16 мм, высокая трещиноустойчи - вость достигается при легировании швов дополнительно Мп, Мо, N, ограничении содержания S (до 0,010%), Р (до 0,01 %), Si (до 0,2—0,3%), исключении'в них Ті, Nb, А1, а в ряде слу­чаев использовании композитного по составу и структуре мно­гослойного металла шва [13]. В последнем случае 70—80 % сечения шва («несущие» слои) выполняются с использованием сварочных материалов, отличных по химическому составу от свариваемой стали и обеспечивающих аустенитно-ферритную структуру. Остальная часть шва, обращенная в сторону агрес­сивной среды, выполняется материалами близкого химического состава свариваемой стали.

17.3.2. Выбор режимов сварки

Специфическими особенностями физических свойств высоколеги­рованных сталей являются пониженные температура из плавле­ния и теплопроводность, высокие электросопротивление и коэф­фициент линейного расширения. Эти особенности и предопреде­ляют поведение аустенитных сталей при сварке.

Ток при дуговой сварке коррозионностойких сталей и спла­вов снижают (на 10—30%) по сравнению со сваркой углеро­дистых сталей. При его назначении необходимо учитывать тип соединения, наличие разделки кромок, качество сборки, наличие или отсутствие подкладки, положение шва в пространстве и т. д.

При контактной точечной и шовной сварке, напротив, при­меняют более жесткие режимы сварки (в меньшей мере по току и в большей по усилию на электродах).

РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СВАРОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ

Марка стали

Э-07Х20Н9 (ОЗЛ-8)

Э-08Х20Н9Г2Б (ОЗЛ-7,

ПЛ-11), Э-08Х19Н10Г2Б (ЦТ-15), Э-02Х19Н9Б (АНВ-13)

Э-02Х19Н9Б (АНВ-13) Э-02Х21Н10Г2 (ОЗЛ-22) Э-07Х20Н9 (ОЗЛ-8)

Э-04Х20Н9 (ОЗЛ-14А)

Э-09Х19Н10Г2М2Б (НЖ—13) Э-07Х19Н11МЗГ2Ф (ЭА-400/10У)

Э-02X19Н18Г5АМЧ (АНВ-17) Э-02 X19Н18Г5 АМЗ (АНВ-17)

Э-02Х20Н14Г2М2 (03Л-20)

02Х25Н24МЗАГЗД

(АНВ-42),

Э-02Х19Н18Г5АМЗ

(АНВ-17)

02Х17Н14С5 (ОЗЛ-24), 02Х12Н11С6 (АНВ-47)

17.3.3. Выбор послесварочной термообработки

В большинстве случаев не требуется послесварочной термо­обработки изделий. Ее применяют тогда, когда в состоянии после сварки соединения проявляют склонность к межкристал - литной, ножевой коррозии либо предназначены для работы в условиях, вызывающих коррозионное растрескивание.

Основной термической обработкой сварных соединений кор­розионностойких сталей является закалка (нагрев до темпе­ратуры 1050—1100 °С, выдержка 1—1,5 мин на 1 мм стали с последующим охлаждением в воде или на воздухе). При этом достигается получение однородного твердого раствора. Стаби­лизирующий отжиг (нагрев до температуры 850—920 °С, вы­держка 2—4 ч и последующее охлаждение на воздухе) прово­дят для предотвращения склонности сварных соединений из стабилизированных сталей к ножевой межкристаллитной корро-

зии, если изделия эксплуатируются при температуре выше 350 °С, либо в средах, вызывающих коррозионное растрески­вание. В последнем случае применяют медленное охлаждение.

17.3.4. Коррозионная стойкость

Коррозия сварных соединений может быть равномерной и со­средоточенной. К сосредоточенной относятся: межкристаллит - ная, структурно-избирательная, ножевая, точечная. Межкри - сталлитная коррозия — наиболее опасный вид коррозионного разрушения. Применяют следующие способы повышения стой­кости сварных соединений аустенитных сталей против этого вида коррозии:

1) уменьшение содержания углерода (^0,03%) в стали и швах (применение низкоуглеродистых конструкционных ста­лей и соответствующих сварочных материалов);

2) стабилизация карбидообразоватеЛями (легирование ме­талла шва Ti, Nb или V);

3) создание двухфазной аустенитно-ферритной структуры (делегирования металла шва элементами-ферритизаторами);

4) применение высоких скоростей охлаждения металла в об­ласти критических температур (500—800 °С) при сварке (огра­ничение сварочного тока, ниточные валики, принудительное ох­лаждение и др.);

5) введение гомогенизирующей термообработки (закалки) или стабилизирующего отжига.