МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ ЖАРОПРОЧНЫЕ И ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ

Жаропрочные стали и сплавы — это вид конструкци­онных материалов, эксплуатирующихся при высоких температурах (Траб > 550—580 "С) в течение длительного времени (tpa6 > Ю ООО...100 ООО ч) в условиях сложнона­пряженного состояния. Основной их характеристикой, определяющей надежность и работоспособность конст­рукций, является жаропрочность.

Составляющими понятия жаропрочности являются:

1) величина напряжений, вызывающая деформации, не приводящие к разрушению материала или кон­струкции при рабочей температуре за заданный отрезок времени Если оговариваются напряжение и время, то такая характеристика называется пре­делам длительной прочности, если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая харак­теристика называется пределом ползучести;

2) запас пластичности, определяемый при испытани­ях на длительную прочность и ударную вязкость после длительного старения, определяющий чув­ствительность материала к надрезу;

3) значение прочности ов, пластичности 5 при нор­мальной температуре и сопротивление усталости ст_, при высоких температурах,

4) технологические свойства, обеспечивающие воз­можность обработки заготовок с использованием обычных операций штамповки, ковки, механичес­кой обработки и сварки.

Наиболее важными составляющими жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность.

Как известно [3], уровень ползучести определяется со­противлением деформации кристаллической решетки при заданной температуре, зависящим от легирования, субструктуры металла в исходном состоянии и субструк­туры, формирующейся в процессе высокотемпературно­го скольжения, а также выделении второй фазы из твер­дого раствора и состояния границ зерен (межзеренное проскальзывание). Как правило, чем выше уровень ле­гирования твердого раствора, тем выше его сопротивле­ние деформации ползучести при Т = const. Существен­но повышают сопротивление ползучести Сг, Mo, W. В то же время с ростом температуры при постоянной ве­личине деформации прочность крист аттической решет­ки может снижаться из-за увеличивающейся диффузии элементов и ослабления межатомных связей.

Таким образом, сопротивление ползучести определя­ется природой металла, его структурой и температурой. Установлено, что при рабочей температуре до Тр = 0,5Та1 прочность металла и сопротивление ползучести опреде­ляются стабильностью его дислокационной структуры. При Тр > 0,5Т11Л устойчивость дислокаций снижается, степень их закрепления структурными и концентраци­онными дефектами ослабевает из-за усиления диффу­зии, а основную роль в сопротивлении ползучести иг­рают силы межатомной связи. Как правило, чем выше

Тщ, и Трекр элемента, составляющего основу сплава (на­пример, Fe или Со), тем выше сопротивление ползуче­сти. Из структурных факторов наиболее заметно на уро­вень ползучести влияют состояние (дефектность) границ зерен и свойства упрочняющих (вторичных) дис­персных фаз.

Пределом ползучести называют напряжение, вызыва­ющее величину пластической остаточной деформации при заданной температуре, не приводящей к разрушению

металла. Например, <^/1000о означает величину напря­жения, которое при рабочей температуре Т = 500 °С вы­зывает 1% остаточной (пластической) деформации за 10 ООО ч эксплуатации.

В стандартах эта характеристика оговорена для каж­дой марки жаропрочной или теплостойкой стали [8].

При экспериментальном определении уровня жаро­прочности удобнее использовать значение скорости ползучести при данной температуре и напряжении, ко­торая соответствует определенному удлинению (величи­не деформации).

Под пределом длительной прочности понимают напря­жение, вызывающее разрушение материала за заданный срок при температуре эксплуатации. Однозначно дока­зано, что гетерогенные сплавы обладают большей длитель­ной прочностью, чем гомогенные сплавы. Лучшие результа­ты получаются, если легирующий элемент (например, Mo, Nb, W и т. п.) и растворяется в твердом растворе (упрочняет матрицу), и образует вторую фазу.

По степени легирования жаропрочные стали можно разделить на низколегированные (Сг, Mo, V < 3%), ра­ботающие до Т < 500—580 °С (теплостойкие), и высоко­легированные, содержащие Cr, Mo, V и другие легиру­ющие элементы в количестве до 30—40% и длительно работающие при Т > 580...600 “С. О них пойдет речь в этой главе.

Жаропрочные стали по типу легирования и характе­ру упрочнения классифицируют на две группы:

1. Гомогенные аустенитные стали, неупрочняемые термической обработкой. Жаропрочные свойства у них достигаются введением в железо повышен­ного количества углерода и комплексным легиро­ванием матрицы Ni, Сг, Мп, Mo, V и Nb с тем, чтобы получить стабильное во всем температурном интервале эксплуатации аустенитное состояние. Эти свойства обеспечиваются также и субмикроско­пически тонкой структурой, образующейся при вы­делении карбидной фазы. К таким сталям относят­ся 06Х14Н6Б, 08Х18Н12Т, 20Х23Н18, 07XI6H9M2. Они применяются для паропроводов, камер сго­рания и других узлов энергетического оборудова­ния, длительно работающих при высоких темпе­ратурах.

2. Гетерогенные стали упрочняются термообработ­кой (закалка и старение), в результате которой в аустенитных сталях образуется достаточное коли­чество карбидных, карбонитридных и интерметал - лидных фаз, упрочняющих границы матрицы и обеспечивающие им требуемую жаропрочность (ползучесть) при более высоких температурах (до 700-750 "С). Эти фазы не растворяются при дли­тельном высокотемпературном нагреве и, создавая барьеры для движения дислокации, снижают ин­тенсивность пограничной диффузии элементов, повышая температуру рекристаллизации, а следо­вательно, и длительную прочность при высоких температурах.

Наиболее стабильными упрочняющими фазами яв­ляются фазы Лавеса Fe2W, Fe2Mo, Fe2Ti. Они, например, обеспечивают требуемый уровень жаропрочности сталей марок 10Х12Н20ТЗР, 40Х18Н25С2, 10Х15Н35ВТР и др. Из этих сталей изготовляют роторы паровых турбин, па­ропроводы, лопатки турбин, автоклавы и др.

Все указанные стали обладают также жаростойкостью.

Характеристика свариваемости

Свариваемость гомогенных жаропрочных сталей оп­ределяется формирующейся структурой и свойствами шва и зоны термического влияния. В стабильно аусте­нитных сталях с соотношением Cr. JKB/Ni3KH < 1,3 кристал­лизация шва протекает путем выделения из жидкой фазы твердого раствора аустенита и небольшого коли­чества 5-феррита. Однако в условиях ускоренного ох­лаждения швы в этом случае состоят по существу из одного аустенита, формирующегося в виде крупных столбчатых кристаллитов со значительно развитой меж - дендритной ликвацией. При Cr3KB/NiJiaj >1,3 ведущей фа­зой при кристаллизации является феррит, что приводит к измельчению зерна аустенита и упрочнению структу­ры шва. Содержание феррита в этих сталях может дос­тигать 5...6%. Для придания таким сталям однофазного состояния с мелким зерном шов и сварное соединение в целом должны быть подвергнуты аустенизации (закал­ке с J 050 .1100 С), так как аустенитная (или с неболь­шим количеством феррита) крупнозернистая структура шва с высоким уровнем междендритной ликвации по­вышает склонность его к горячим трещинам.

Важной для характеристики свариваемости является схема кристаллизации шва. Наиболее благоприятной с точки зрения сопротивляемости горячим трещинам яв-

172

ляется кристаллизация с изгибом кристаллитов, при котором угол срастания их в центре шва близок к нулю (см. рис. 8.2). При многослойной сварке последующий шов создает условия для появления транскристаллиза­ции металла шва, что в свою очередь повышает склон­ность к горячим трещинам.

В околошовной зоне соединений из указанных двух ірупп сталей происходят следующие изменения:

• выделение сегрегатов S, Р, РЬ и карбидной эвтекти­ки с возможностью образования трещин-надрывов;

• расплавление по линии сплавления неметаллических включений;

• образование первичного d-феррита в высоконаг - реваемых зонах, что повышает склонность к ох­рупчиванию;

• коагуляция и растворение избыточных упрочняю­щих фаз, способствущие охрупчиванию тела зерна;

• рост зерна в участках нагрева выше 1000 “С, осо­бенно в гомогенных сталях, находившихся перед сваркой в состоянии наклепа на 5..Л5% (листы, профили).

Таким образом, характер кристаллизации сварных швов и изменения состояния металла в ЗТВ снижают пластичность металла в температурном интервале хруп­кости, что приводит к горячим кристаллизационным тре­щинам, а при Т = 1450... 1000 “С — к горячим подсолидус- ным трещинам, образующимся в результате межзеренной высокотемпературной деформации.

В сварных швах и ЗТВ из этих сталей образуются так­же ликвационные горячие трещины (по строчкам неметал - лических включений), особенно при сварке на мягких режимах (малые скорости сварки) и при многослойной сварке (повторный нагрев). Этот вид трещин наиболее характерен при сварке деталей из литых жаропрочных сталей.

Свариваемость гетерогенных жаропрочных сталей, содержащих феррита до 8...10% и подвергающихся пос - лесварочной термообработке (закалка+старение), харак­теризуется возникновением трещин в интервале темпе­ратур Т — 600...800 °С как результат чрезмерного роста зерна и формирования плоских (надрезы) включений карбидов по их границам. Трещины чаще возникают в жестких сварных узлах, имеющих концентраторы на­пряжений (иепровары, подрезы). Стали, легированные Ті и Nb (12Х18Н9Б, 10X15H35B3T, 12Х18Н9ТР), наибо­лее склонны к подобному трещинообразованию.

При длительной эксплуатации сварных соединений в интервале 300...500 °С, в металле швов, содержащих

8.. . 10% феррита, наблюдается охрупчивание («475-гра­дусная» хрупкость) из-за дополнительного выделения карбидов хрома. При Т = 650...900 °С охрупчивание со­единений происходит вследствие выделения хрупкой ст - фазы, что создает опасность локальных разрушений. Гомогенизация сварных соединении из сталей этой группы устраняет оба вида охрупчивания и восстанав­ливает необходимую пластичность сварных соединений. Швы, легированные бором, как правило, более стойки к образованию трещин.

Для жаропрочных сталей характерно радиационное охрупчивание из-за образования в решетке твердого ра­створа атомов водорода и гелия под действием нейтрон­ного облучения. Длительная прочность таких сталей и сварных соединений снижается и практически не вос­станавливается. Исключение составляют стали типа 25- 20, легированные ниобием (Nb>10%).

Технологические рекомендации по сварке

Технология сварки жаропрочных гомогенных сталей аус - тенитного класса, длительно эксплуатирующихся при Т > 600 °С, должна обеспечивать в шве за счет легирую­щих сварочных материалов наличие не более 1...2% фер- ритной фазы с целью обеспечения пластичности и пре­дупреждения охрупчивания шва.

При ручной дуговой сварке это достигается за счет выбора типов и марок электродов.

При сварке под флюсом и в защитных газах необхо­димо учитывать повышенную долю участия основного металла в шве, существенно влияющую на состав шва, и варьировать как марками электродной проволоки, так и режимами сварки, особенно при выполнении корне­вых и облицовочных швов. Охрупчивание таких швов практически исключается, если содержание 5-феррита в шве не более 4%.

Для сварки жаропрочных гетерогенных сталей реко­мендуется применять сварочные материалы аустенитно - карбидного, аустенитно-боридного или глубоко аусте - нитного классов. Стойкость против горячих трещин также повышается за счет снижения содержания приме­сей в сталях и сварочных материалах, достигающаяся при специальной технологии их выплавки (вакуумно­луговая, электрошлаковая и т. д.). Некоторые примеры по выбору сварочных материалов для сварки гомоген­ных и гетерогенных сталей приведены в табл. 14.1.

Для сталей обоих групп при автоматических спосо­бах сварки используют безокислительные флюсы ФЦ— 17, ФЦ—18, АНФ—5, 48-ОФ—6М или инертные защит­ные газы (Аг, Не).

Сварочные материалы для сварки сталей аустенитного, аустенитно-ферритного и аустенитно-карбидного классов

Тепловые режимы сварки, определяющие формиро­вание геометрических размеров швов, существенно вли­яют на образование горячих трещин. Сварочный ток вы­бирается (рассчитывается) так, чтобы его величина была на 25...30% меньше, чем для углеродистых сталей соот­ветствующей толщины.

Наиболее удобно регулировать гепловложение за счет скорости сварки, при этом косвенным критерием опти­мальной скорости является большая кривизна чешуек на поверхности шва. Предпочтительно избегать малых диаметров электродов и проволок.

Перемешивание сварочной ванны механическим или электромагнитным путем, введение холодной присадки в ванну, интенсивное охлаждение свариваемого изделия повышают стойкость швов против горячих и полугоря - чих трещин.

Из дуговых способов сварки лучшие результаты дос­тигаются при аргонодуговой сварке.

При всех способах сварки необходимы тщательная зачистка кромок, их обезжиривание, а в отдельных слу­чаях травление. Необходимо стремиться к минимально­му количеству прихваток, а требуемая точность сборки должна обеспечиваться за счет использования сбороч­но-сварочных приспособлений.

Термообработку сварных конструкций, работающих при Т < 500 “С, проводят только для снятия остаточных напряжений (отжиг при Т = 900 °С в течение 10 ч). Для эксплуатации соединений при Т > 500 °С необходима аустенизация сварных соединений при Т = 1100... 1150 °С, приводящая к полному растворению карбидов в теле зерна и последующему их измельчению. Иногда проводят двойную аустенизацию.

Более подробную информацию о сварке жаропроч­ных и жаростойких сталей можно получить в литерату­ре [7, 8].