СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ (Лазько В. Е.)

20.1. Состав, структура сталей и их назначение

Мартенситно-стареющие стали отличает особый механизм упрочнения, осно­ванный иа выделениях иитерметаллидов типа Ni (Ті, Ai), Ni3Ti, Ni3Mo при нагреве 400—550 °С твердых рартворов железа с никелем и добавками раз­личных элементов замещения При этом обеспечивается ств= 1500-4-2000 МПа, а для ряда композиций до 2800 МПа. Максимальное упрочнение при старе­нии достигается в безуглеродистых сплавах как необходимом условии пре­дотвращения связывания легирующих элементов в карбиды. Поэтому обра­зующийся при закалке таких сталей мартенсит сравнительно мягок (ств = 700—1100 МПа) и пластичен.

Основной системой легирования мартеиситно-стареющей стали, обеспе­чивающей максимальный уровень прочности, является железоникелевый сплав (18—25% Ni), содержащий добавки Мо, Со, Ті и Al (Н18К9М5Т, Н18К8М5ТЮ, Н18К12М5Т и др.). Другой распространенной системой, обес­печивающей уровень прочности сГв=£Д600 МПа, является железохромонике­левый сплав (10—13% Сг и 5—10% Ni) с добавками Мо, Со, Ті и А1 (Х11Н10М2ТЮ, Х12Н9К4МВТ, 03Х12К14Н5М5Т и др.). В структуре этих сталей может быть 10—40 % остаточного аустенита Третьей системой леги­рования мартенситио-стареющих сталей, обеспечивающей уровень прочности Ов<Д500 МПа, является сплав Fe с 12% Ni и дополнительным легирова­нием Си, Мп, V и другими элементами, вызывающими умеренное старение (Н12М2Д2ТЮ, 03H12X5M3, Н8Г4ФЗД2 и др.). Четвертой системой леги­рования - является железоиикелькобальтовый сплав (9% Ni — 4% Со) с до­бавками карбидообразующих элементов и содержанием С 0,2—0,4 %. Смешанный карбидно-интерметаллидный механизм упрочнения обеспечивает уровень прочности Ств= 1300-г-2000 МПа. Химический состав некоторых мар - тенситно-стареющих сталей и их свойства приведены в табл. 20.1

Микроструктура типичных мартенситио-стареющих сталей представляет так называемый «массивный» мартенсит в виде пакетов ферритных пластин, разделенных малоугловыми границами. Высокая плотность дислокаций и границ в объеме мартенсита обеспечивает однородное распределение вы­деляющихся при старении частиц с расстоянием между ними 0,2—0,5 мкм.

Мартеиситно-стареющие стали изготавливаются в виде поковок, штам­повок, листов, отливок, прутков и проволоки, в том числе и сварочной Для стабилизации значений пластических характеристик, увеличения уста­лостной прочности и предотвращения водородного охрупчивания применя­ется вакуумный переплав металла, повышающий чистоту по содержанию неметаллических включений, газов и примесей Цветных металлов. Для умень­шения содержания углерода и азота в некоторых случаях применяют элек­тронно-лучевой переплав.

Относительно высокая стоимость мартенситио-стареющих сталей огра­ничивает применение конструкциями, где на первый план выдвигается необ­ходимость обеспечения повышенной удельной прочности, в том числе и при сварке закаленных элементов, при низкой чувствительности к наличию над-

резов и трещииоподобиых дефектов Типичные области применения: оболочки летательных аппаратов, корпуса двигателей, сосуды высокого давлення, из­делия криогенного назначения и др. [1].

20.2. Свариваемость сталей

20.2.1. Фазовые и структурные превращения

По свариваемости мартенситно-стареющие стали превосходят широко используемые углеродистые легированные стали. Они мало чувствительны к образованию горячих и холодных тре­щин; обеспечивают повышенный уровень механических свойств сварных соединений в нетермообработанном состоянии и воз­можность достижения равнопрочности основному металлу про­ведением после сварки старения.

Высокая прокаливаемость мартенситно-стареющих сталей предопределяет получение мартенситной структуры независимо от скорости охлаждения после аустенитизации. Повышенное со­держание легирующих элементов может сместить температуру окончания мартенситного превращения ниже комнатной, что обусловит наличие в структуре определенного количества оста­точного аустенита. Другой причиной его появления является нагрев закаленной стали на температуру, близкую к 600 °С, что приводит к обратному а—у-превращению.

Как при сварке в термоупрочненном, так и отожженном со­стоянии старение в зоне термического влияния происходит там, где нагрев достигал температур 480—540 °С. В тех случаях ЗТВ, где температура была 650 °С, мартенсит распадается на феррит и обогащенный никелем и, следовательно, стабильный аустенит. При охлаждении до комнатной температуры эти структурные составляющие сохраняются и не претерпевают из­менений в результате старения после сварки.

20.2.2. Сопротивляемость ГТ

Благодаря низкому содержанию углерода в большинстве марок мартенситио-стареющих сталей сопротивляемость ГТ находится на высоком уровне (табл. 20.2). Случаи поражения сварных швов горячими трещинами наблюдались при содержании С 0,1—0,2 % или наличии в сварочной проволоке редкоземельных элементов свыше 0,03 %. Согласно [1], сварочная проволока не должна также содержать Са, В и Zr. Легирование Со до 5 % приводит к увеличению сопротивляемости трещинам [2].

20.2.3. Сопротивляемость ХТ

Безуглеродистые и малоуглеродистые мартенситно-стареющие стали проявляют чувствительность к образованию ХТ только в ' присутствии Н. Неравномерность распределения водорода по зонам сварного соединения предопределяет места преиму­щественного зарождения трещин по центру сварного шва, ли­нии сплавления и карбидной сетке в зоне термического влия­ния. Особенно неблагоприятна многопроходная сварка, при ко­торой увеличение продолжительности пребывания металла в температурном интервале выпадения карбидов и интерметал­лидов приводит к росту размеров включений, повышению ло­кального напряженного состояния и концентрации Н, облег­чающих зарождение трещин. Предотвращение образования ХТ достигается при наличии в структуре свыше 20 % остаточного аустенита. Действие легирующих элементов обусловлено в ос­новном влиянием двух факторов: изменения растворимости Н и содержания остаточного аустенита в металле шва. При мар­тенситной структуре повышение содержания Мо и Ni ухудшает, а Мп и Со увеличивает сопротивление холодным трещинам в соответствии с изменением растворимости Н. В то же время Ni и Мо могут играть положительную роль, если при легиро­вании образуется остаточный аустенит.

20.2.4. Структурные и технологические дефекты сварных соединений

Низкий уровень содержания элементов-раскислителей (С, Si и Мп) в мартенситио-стареющих сталях обусловливает опреде­ленные трудности с предотвращением образования пористости, несплавлений и загрязненности неметаллическими включениями металла шва. Развитие указанных явлений в существенной мере зависит от содержания А1 и Ті, определяющих также и уровень прочности соединения. Типичное содержание А1 и Ті в свароч­ных проволоках вызывает неравномерное окисление легирую­щих элементов в зоие сварки и, как следствие, нестабильность

состава и свойств металла шва. Окисление титана, кроме того, приводит при сварке малых толщин к образованию на поверх­ности металла шва местных утолщений в виде пленки окислов, а также криволинейной форме соединения вследствие повышен­ного эффекта блуждания дуги (перемещения анодного пятна на участок металла, свободного от шлаков).

Специфический дефект сварных швов—дендритный излом, сопровождаемый резким ухудшением ударной вязкости и уста­лостной прочности металла шва. В первую очередь этому спо­собствует укрупнение размера зерна в металле шва с более вы­соким содержанием Ni при чрезвычайной устойчивости возник­шей крупнозернистой структуры к различного вида термической обработке (структурная наследственность). Другая причина связана с высокой химической неоднородностью распределения элементов, в частности Ті и Мо, способствующих неравномер­ному распаду твердого раствора при старении с образованием скоплений грубых частиц по границам крупнозернистого ме­талла. Обычно применяемая для предотвращения грубокри - сталл'итной структуры металла шва регламентация 1,5—4 % б-феррита, препятствующего прорастанию дендритов через не­сколько слоев, ограничена только группой нержавеющих мар - тенситно-стареющих сталей, где возможно добиться необходи­мого соотношения между феррито - и аустенитообразующими элементами.

20.3. Технология сварки и свойства сварных соединений

20.3.1. Способы сварки плавлением

Мартенситно-стареющие стали могут свариваться всеми видами сварки. Благодаря специфическому механизму упрочнения тех­нология изготовления различных изделий из этих сталей отли­чается простотой и надежностью. Это связано как с возмож­ностью сваривать без подогрева и последующего немедленного отпуска, так и обеспечить близкие к основному металлу свой­ства применением после сварки простой операции старения.

Наиболее распространенными способами сварки мартенсит - но-стареющих сталей являются ЭЛС и аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом: импульсная, с поперечными коле­баниями электрода, со сканирующей дугой (для малых тол­щин) и в щелевую разделку (для больших толщин). Указанные способы сварки обеспечивают мелкозернистое строение металла шва, малый перегрев околошовной зоны и близкие к основному металлу механические свойства. Для устранения глубоко зале­гающих дефектов применяют вращающийся неплавящийся электрод при осевой подаче присадочной проволоки. Используе­мые присадочные проволоки обычно имеют близкий к основ­ному металлу состав (табл. 20.2). Для компенсации потерь упрочняющих элементов при выгорании их содержание может быть увеличено по сравнению со свариваемой сталью [1].

К достаточно распространенным способам дуговой сварки следует отнести ручную штучными электродами с покрытием и/ автоматическую под слоем флюса. Имеется ряд работ о возч можности получения качественных сварных соединений при ис/ пользовании самозащитной порошковой проволоки или сварке в углекислом газе [3, 4].

Весьма перспективно применение лазерной сварки, позво­ляющей получить соединения с большей стойкостью против коррозионного растрескивания, чем при ЭЛС и АДС.

20.3.2. Способы сварки давлением

Контактная стыковая сварка Сопротивлением весьма подходит для соединения мартенситио-стареющих сталей. Этот способ с успехом применяется, когда необходимо получить более или менее одинаковые сварные детали, и он очень удобен при про­ведении предварительных опытов по нахождению оптимальных условий сварки.

Наиболее широко распространена контактная точечная сварка. Сравнительно мягкий и пластичный мартенсит предот­вращает преждевременное разрушение по присущему этому типу соединений концентратору напряжений, что наблюдается при сварке обычной высокопрочной стали.

Для изготовления единичных деталей применяется диффузи­онная сварка и сварка взрывом. Для определенных деталей перспективна сварка трением.

20.3.3. Меры предотвращения дефектов

Для предотвращения пористости при сварке все материалы и агрегаты должны быть скрупулезно чистыми. Детали, изготов­ленные резанием с использованием СОЖ, необходимо обезжи­рить, а затем промыть горячей водой для удаления натрийсо­держащих веществ на свариваемых кромках, вызывающих пористость н интенсивное разбрызгивание. Для снижения кон­центрации растворенных элементов и получения более глад­кого сварного шва кромки листа должны быть по возможности скошены.

Особое внимание следует уделять закреплению и установке свариваемого изделия в приспособлении. При некачественной подгонке сварочных стыков, когда зазоры в корневой части со­ставляют около 1,6 мм, предотвращение горячих трещин пред­ставляет серьезную проблему. Особо подвержены растрескива­нию при кристаллизации угловые швы, поскольку проплавление более тонкой пластины увеличивает ширину зазора между сва­рочными кромками, тем самым задерживая кристаллизацию центральной части шва. Сопротивляемость горячим трещинам і можно повысить увеличением коэффициента формы шва, что (достигается переходом от однопроходной к двухпроходной сварке, увеличением угла разделки кромок и изменением со­става защитного газа. Сварка на пониженных токах также спо­собствует устранению трещин вследствие перехода от швов с во­гнутой формой к выпуклой.

I Для предупреждения формирования по высоте сварного шва оревого столба кристаллитов и возникновения древовидного из­лома при многопроходной сварке следует стремиться к щеле­вой разделке кромок. Целесообразно также менять от слоя к слою направление сварки, что дезориентирует структуру ме­талла шва, снижая чувствительность к горячим трещинам и об­разованию дендритного излома. Этим же целям служит и сварка на оптимальных скоростях, приводящая к смене ячеи­стой на дендритную структуру металла шва.

Для предотвращения холодных трещин следует ограничи­вать содержание Н в соединении менее 0,5—0,8 см3/100 г. Это достигают как проведением-обезводороживающего отжига ос­новного металла и сварочной проволоки, так и отпуска или старения после сварки в интервале 300—540 °С. Следует тща­тельно контролировать проведение многопроходной сварки, до­биваясь отсутствия мартенситного превращения в нижележа­щих слоях перед выполнением последующих слоев (сварка с предварительным и сопутствующим подогревом, регулирова­ние термического цикла сварки и др.). Это уменьшает уровень максимальных напряжений I и II рода и предотвращает кар­бидные выделения в корне шва, являющиеся местами аккуму­ляции водорода и зарождения холодных трещин.

Для гомогенизации и измельчения структуры металла шва перед окончательной термообработкой целесообразно прово­дить нормализацию с температур 1000—1050 °С. Это позволяет получать соединения с близкими к основному металлу пласти­ческими и вязкими свойствами.

20.3.4. Механические свойства сварных соединений

Проведение после сварки упрочняющей термообработки делает сварное соединение равнопрочным основному металлу в случае идентичности химического состава. Однако небольшое сниже­ние пластичности и вязкости металла шва может определить возникновение хрупкого разрушения, когда в условиях высоко­прочного состояния уровень данных показателей для основного металла близок к минимально допустимым. Поэтому уровень прочности металла шва обычно не стремятся повысить сверх

Ов-1700 МПа. В тех случаях, когда для обеспечения работоспо­собности конструкции важна ударная вязкость, применяют сварку без последующей термообработки. При этом предел і прочности соединений близок Ов-1000 МПа при KCU = / = 1 МДж/м2. При многослойной сварке применяют подогрев,/ предотвращающий охлаждение наплавленных слоев ниже тем 1 ператур у—a-превращения с явлением подстаривания. В про/ тивном случае старение мартенсита нижних слоев сопровожда­ется возрастанием прочности и твердости и снижением вязкости металла шва. При этом достигается комплекс механических свойств, промежуточный между свойствами закаленного и тер­моупрочненного состояния. Для ряда мартенситио-стареющих сталей повышения надежности сварных соединений достигают отказом от проведения старения после сварки или применяют подстаривание при более низкой температуре (~350 °С) для ограничения уровня прочности металла шва и околошовной зоны.

20.3.5. Служебные свойства сварных соединений

Температура эксплуатации мартенситио-стареющих сталей не превосходит 400 °С в связи с явлениями старения н перестари - вания. Высокая хладностойкость позволяет успешно эксплуати­ровать сварные изделия до температур —70-------------------------- 100 °С, а из от­

дельных марок стали и при криогенных температурах. Важней­шее свойство сварных изделий — высокая несущая способность при приложении статических нагрузок, в том числе и при нали­чии концентраторов напряжений. Это не касается конструкций, работающих в условиях вибрационных нагрузок, где преиму­ществ по сравнению с высокопрочными низколегированными сталями не наблюдалось. При о0,2^1400 МПа в ряде случаев отмечалось ускоренное развитие трещин в сварных соединениях. Другим перспективным направлением использования мартенсит - но-стареющих сталей является износостойкая наплавка.