МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Хромоникелевые стали

Основным элементом, обеспечивающим коррозион­ную стойкость в этих сталях, также является хром. Ни­кель обеспечивает сталям высокую технологичное! ь при обработке, что позволяет получить сталям уникальный комплекс служебных свойств и использовать их как кор­розионностойкие, жаростойкие, жаропрочные и крио­генные. Железоникелевые сплавы не имеют особых пре­имуществ перед хромистыми, поэтому практическое применение нашли коррозионностойкие стали системы Fe-Cr-Ni без дополнительных присадок или с присад­ками Ti, Nb, Мо, Си и др. Введение никеля в систему Fe-Cr расширяет область существования аустенита и снижает критическую скорость охлаждения его распа­да. Он становится устойчивым как при высоких и нор­мальных, так и при низких температурах. Кроме того, хром в тройной системе также расширяет область у - фазы. Из диаграммы (рис. 13.2) следует, что для полу­чения однофазной структуры аустенита при повышен­ны* температурах нельзя увеличивать содержание хрома свыше 20%. Как видно из диаграммы, в системе Fe-Cr - Ni в широком диапазоне концентраций по хрому и ни­келю при Т = 800...950 °С также образуется с-фаза (FeCr). Легирование сталей Ті, А1 и другими феррити- заторами способствует снижению температуры образо­вания с-фазы до 600...650 °С, а легирование аустениза - торами (N, С и др.) тормозит ее образование.

Анализ рассмотренной диаграммы показывает, что содержание в сплаве 18... 19% Сг и 8... 10% Ni (при С < 0,08...0,1%) является оптимальным составом дтя сохра­нения структуры аустенита. При этом сталь, представ­ляя собой практически однородный твердый раствор углерода в у-железе, получает оптимальные характери-

Т, *С

1600

1200

800

Рис. 13.2. ПссвлоСншарный разрез диаграммы состояния

сплавов 75% Fe-Cr-Ni

Стики пластичности и вязкости, требуемый уровень кор- р<>зионной стойкости и хорошие технологические свой - сіва (например, свариваемость).

Такая сталь значительно превосходит по коррозион­ном стойкости высокохромистые стали ферригного и ночуферритного классов. Однако аустенитная структу­ра такой стали (типа 18—8) не всегда является стабиль­ной и зависит от колебаний содержания углерода и теп - ювого режима технологической обработки. С ростом готержания углерода в структуре появляется феррит, і при нагреве до Т = 450...850 °С выпадают карбиды типа і г, С6. При холодной пластической деформации в ней оорл іустея мартенсит, упрочняющий структуру и повы­шающий ее чувствительность к концентраторам напря­жении. Избежать таких изменений можно снижением

• о к-ржаиия углсро іа до 0,008...0,01%. Технологически

• и» ни всегда оправдывается, поэтому в подавляющем

большинстве структуры сталей этого типа являются аус - тснитно-ферритными с тем или иным количеством кар­бидной фазы. Стали аустенитно-ферритного класса бо­лее склонны к межкристаллитной коррозии (МКК) и это ограничивает их применение для некоторых агрес­сивных сред или температур эксплуатации. Такие леги­рующие элементы как N, Si, Со способствуют появле­нию карбидов хрома, a Mn, Mo, Ті, Nb, W и V, образуя собственные карбиды, уменьшают количество карбидов хрома и, следовательно, уровень межкристаллитной коррозии.

Температурный интервал Ттах — Ттіп образования кар­бидов и минимальное время tmin, обеднения зерна хро­мом, называется сенсибилизацией (см. гл. 12.1).

Значительным недостатком хромоникелевых сталей, ограничивающим их использование в качестве коррози­онностойких, является склонность к коррозионному ра­стрескиванию в растворах хлоридов. Напомним, что пороговые напряжения этих сталей составляют апор =

— (0,2...0,4) стт, что существенно ограничивает допуска - мые нагрузки при наличии коррозионной среды.

Указанные хромоникелевые стали в зависимости от состава и структуры можно разделить на следующие группы:

1. Аустенитные стал и марок 08Х18Н10, 08Х18 Н1 ОТ, | 12Х18Н12Т. Они содержат З...6% феррита и ис­пользуются для агрессивных сред типа HN03 раз­личных концентраций и температур, серной кис - I лоты H2S04 100% концентрации при Траб < 70 °С, I а также в атмосферных условиях. Эти стали неред­ко могут использоваться как теплостойкие, жаро прочные и хладостойкие.

2. Аустенитно-ферритные стали марок 08Х22Н6Т, 12X21Н5Т, 03Х23Н6, содержащие ферритной фазы

до 40% и использующиеся в производстве хими­ческой и пищевой аппаратуры, эксплуатируемой в интервале температур до Траб < 350 "С.

3. Аустенитно-мартенситные стали марок 07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, 10Х15Н4АМЗ используются как вы­сокопрочные для изделий, работающих в атмос­ферных условиях, в уксуснокислых и солевых ра­створах, а также в узлах криогенной техники.

К группе сталей, обладающих более высокой стойко­стью к агрессивным средам по сравнению с хромонике­левыми, относятся также хромомарганцевоникелевыс (например, 10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7АН5) и хромоникель - молибденовыс (08Х21Н6М2Т, 08Х17Н13М2Т, и т. д.). Введение Мп и Мо в хромоникелевые стали способству­ет их упрочнению, сохранению ударной вязкости, стаби­лизации структуры. Используя термическую обработку, можно в этих сталях добиться полностью аустенитной или аустенитно-ферритной структуры с низким содер­жанием феррита (З...6%).

В заключение характеристики хромистых и хромо - никелевых сталей следует указать на их достаточно вы­сокие механические свойства. Их средние численные шлчения (ав = 550...650 МПа, от = 350...400 МПа, б = 15 .40 и KCU = 55...60 Дж/см2) в широком диапазоне іемпсратур позволяют использовать стали для широкой номенклатуры изделий в химической, нефтехимической н энергетической промышленности.

Характеристики свариваемости

Рассмотрение вопроса начнем со свариваемости высо кохромисгых сталей ферритного класса (08Х17Т, 15X28). Основной проблемой свариваемости является их склон­ность к резкому охрупчиванию под действием свароч-

155

ного нагрева (значения KCU в околошовной зоне ста­новятся недопустимо низкими). Охрупчивание объясня­ется как образованием твердого раствора, пересыщен­ного С и N (из-за диссоциации карбонитридов при Т > 1150 °С), так и интенсивным ростом зерна аустенита. Наибольший рост зерна при сварке происходит на уча­стке перегрева при Ттах < Тсол, т. е. вблизи линии сплав­ления. Ширина охрупченного участка может достигать

1,5.. .3,0 мм и практически никакой термообработкой не устраняется. Повышение хрупкости происходит также при длительной эксплуатации сварных соединений при Т > 550...850 °С из-за выпадения в зоне термического влияния a-фазы и из-за так называемой «475-й хрупко­сти^. Поэтому основным критерием свариваемости фер - ритных хромистых сталей (08X17Т, 15Х25Т и т. д.) явля­ется значение температуры перехода в хрупкое состояние (Ткр). Определение Ткр производится при сварке техно­логических проб, выполняемых на различных режимах сварки, с использованием различных по химсоставу сва­рочных материалов (электродов, проволок). Подогрев металла при сварке зависит от химического состава шва и составляет Тпод = 150...200 °С. При сварке необходи­мо обеспечивать достаточно высокие скорости охлажде­ния (100 °С/с) сварного соединения. Это обстоятельство ограничивает области применяемых тепловых режимов сварки (погонных энергий).

Повышение чистоты исходного металла и шва (сни­жение вредных примесей, подготовка поверхности кро­мок, достаточное раскисление, защита ванны), повыше­ние содержания углерода существенно снижают значение Ткри трешинообразование.

Ферри гно-мартенситные хромистые стали (08X13, 12X13, 08Х14МФ и т. д.) характеризуются меньшей склонностью к охрупчиванию и образованию холодных трещин при скоростях охлаждения сварного соединения соохл > 10 сС/с. Степень склонности к закалке зависит от режимов сварки и оценивается по технологическим про­бам на свариваемость. Как правило, эти стали сварива­ются без предварительного и сопутствующего подогрева. Он применяется лишь при сварке элементов толщиной более 10 мм (Тпод = 150...250 °С). После сварки необхо­дима термообработка (улучшение). Положительное вли­яние на снижение трещинообразования швов оказыва­ет легирование этих сталей карбидообразующими элементами (V, Мо). Они «забирают» часть углерода, образуя собственные карбиды, и снижают устойчивость аустенита, способствуя его распаду при Т « 300LC Это значительно уменьшает количество образующегося мар­тенсита и, как правило, не требует послесварочной тер­мообработки.

Мартенситные хромистые стали (20X13, 15Х11МФ, 12X11В2МФ и др.) весьма склонны к холодным трещи­нам при любых способах сварки, погонных энергиях и скоростях охлаждения. При содержании в сити углеро­та С > 0,1% мартенсит обладает высокой степенью тет - рлгональности (искажение а-решетки) и поэтому очень хрупок. Снижение содержания углерода, с одной сторо­ны, повышает вязкость мартенсита, а с другой — при­водит к образованию высокотемпературного 5-феррита, что, в свою очередь, также повышает хрупкость в про­цессе непрерывного охлаждения или в процессе выдер­жки после сварочного нагрева. Поэтому содержание уг - ісрода в швах из этих сталей не должно превышать 0,2%.

І Іредотвраіцение образования холодных трещин в сварных соединениях из этих сталей достигается предварительным и сопутствующим подогревом до Тпцд = 200...450 “С и ілвисит от степени легирования шва. Положительное влияние на стойкость против холодных трещин оказы­вает подогрев после сварки до Т = 150...200 °С («отдых»). Кроме того, легирование сварных швов из мартенситных сталей небольшим количеством никеля (15Х12ВНМФ) повышает их пластичность, а это позволяет снизить тем­пературу подогрева до 100... 150 С.

Итак, хромистые коррозионностойкие стали всех структурных классов склонны к охрупчиванию и улуч­шение свойств сварных соединений может достигаться приближением состава шва к основному металлу ис­пользованием предварительного и сопутствующего по­догрева и послесварочной термической обработкой (высокий отпуск при Т = 650...720 СС), а при невозмож­ности ее проведения аустенизацией шва за счет его ле­гирования электродными материалами.

Проблемы свариваемости хромоникелевых сталей ха растеризуются: образованием крупных столбчатых кри­сталлитов, наличием в междепдритньтх участках приме­сей, легкоплавких фаз (эвтектики), ростом зерна и микрохимической неоднородностью металла из-за по­вышенной ликвации Р, S, С, Si, особенно у линии сплав­ления.

Свариваемость аустенитных сталей осложняется их склонностью к горячим кристаллизационным трещинам в шве и по линии сплавления (подсолидусные). Оцен­ка свариваемости производится сваркой технологичес­ких проб или расчетным способом по соотношению Cr3KJJ / Ni3KB. Устранение столбчатой структуры шва и изменение схемы его кристаллизации, получение мел­кой аустенитно-ферритной структуры способствуют ре­шению проблемы горячих трещин.

Другой проблемой свариваемости хромоникелевых аустенитных сталей является появление межкристаллит­ной коррозии в шве и зоне термического влияния (см. гл. 12).

Следующим фактором, ограничивающим сваривае­мость, также является склонность сварных соединений к коррозионному растрескиванию, по существу опреде­ляющую низкую долговечность сварных конструкций.

Хрупкие разрушения при криогенных температурах (Граб <—100 - С) также ограничивают свариваемость и использование этих сталей в сварных соединениях. Кри­терием применимости сталей является сочетание высо кой исходной прочности при Т = 20 °С, пластичности, вязкости при рабочих температурах с низкой чувстви­тельностью к концентрации напряжений.

В связи с указанным, аустенитные стали рекоменду - еіся сваривать так, чтобы шов, как правило, отличался по химическому составу от основного металла. Рекоменда­ции по выбору сварочных материалов для сварки хроми - CI ыхи хромоникелевых сталей приведены в табл. 13.1.

Аустепитно-ферритные стали (08Х22Н6Т, 03Х23Н6 и т. д.) отличаются от аустенитных повышенной склонно - с гью к росту ферритного зерна в зоне термического вли - яния, возрастанием количества 5-феррита в шве и ши­рокой зоной перегрева, вследствие чего наблюдается снижение ударной вязкости и пластичности околошов - ной зоны. Стали, содержащие Nb вместо Ті, менее чув­ствительны к термическому циклу. Охрупчивание свар­ного соединения наблюдается в интервале температур

400.. .450 °С и 650...800 °С, что требует строгого соблю­дения тепловых режимов сварки и повышенной скоро­сти охлаждения сварных соединений.

При равном соотношении аустенита и феррита в структуре шва он одинаково стойкий к межкристаллит - иой и избирательной коррозии. Поэтому состав элект­родных материалов (см. табл. 13.1) и режимы сварки должны назначаться, исходя из требуемого по услови­ям эксплуатации соотношения количества аустенитной и ферритной фаз.

Сварочные материалы для сварки коррозионностойких сталей

Основными проблемами свариваемости аустенит - но-мартенситных сталей (07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ, 09X15Н8Ю и т. д.) являются структурные превращения в зоне термического влияния в интервале температур

650.. .750 °С (о-фаза) и интенсивное выпадение карби­дов при температурах 550...900 °С, приводящие к сни­жению пластичности, ударной вязкости и высокой чувствительности к концентраторам напряжений в этой зоне. Особенно резкое охрупчивание происходит при понижении температур эксплуатации до — 196 °С, что объясняется повышением содержания мартенси­та в структуре соединения. Как правило, средством повышения пластичности и ударной вязкости соеди­нений являются их полная термическая обработка (за­калка, обработка холодом) и устранение концентрато­ров напряжений.