СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ФЕРРИТНЫЕ СТАЛ И (Зубченко А. С.)

Состав и свойства сталей

15.1.1. Структура сталей

сплавы - ие претерпевают превращений. Стали, структура которых соответ­ствует этой области диаграммы Fe —Сг, относят к ферритным. Граница об­ласти у-твердых растворов изменяется в зависимости от содержания С (рнс. 15.1). Чистые железохромистые сплавы становятся однофазными фер­ритными при введении 13 % Сг. В присутствии С сплавы с большим содер­жанием Сг могут еще иметь у-»-а-превращение. Перемещение границы ■у-области в сторону больших концентраций Сг прн введении С связано также с уменьшением растворенного Сг вследствие образования стабильных его карбидов. В связи с этим ферритиые стали с обычным содержанием С, выплавляемые в открытых электропечах, легированы Сг в количестве не менее 16 %.

15.1.2. Марки и назначение сталей

Высокохромистые ферритные стали являются перспективным конструкцион­ным материалом. По сопротивляемости коррозии ферритные стали 08X17Т, 15Х25Т, ЭП882-ВИ и другие не уступают хромоникелевым аустенитным сталям, значительно превосходят их по стойкости к коррозионному растрески­ванию. При дополнительном легирова­нии А1 и Si хромистые ферритные стали 08Х23С2Ю (сихромаль-12) и ЭП904-ВИ могут быть использованы для изготовления оборудования, рабо­тающего в условиях окисления при температурах до 1200 °С. Широкое применение ферритных сталей позво­лило бы решить проблему дефицита никеля путем замены ими распростра­ненных в настоящее время аустенит­ных сталей (табл. 15.1, 15.2).

Применению широко освоенных в металлургическом производстве фер­ритных сталей с обычным содержанием С и N препятствуют весьма частые случаи хрупкого разрушения конструкций как в процессе изготовления, так и при транспортировке и эксплуатации. Высокая чувствительность к надрезу при нормальной температуре затрудняет их применение для изготовления оборудования, работающего в условиях ударных и знакопеременных нагру­зок. Такие ферритные стали используют, как правило, для изготовления оборудования, не подлежащего контролю Госгортехнадзора СССР,—деталей внутренних устройств химических аппаратов, змеевиков пиролиза с незначи­тельным внутренним давлением и т. п.

Резкое повышение пластичности и вязкости хромистых ферритных ста­лей возможно путем ограничения в их составе примесей внедрения. Эта

ТАБЛИЦА 15.1

возможность стала реальной после ввода в эксплуатацию крупнотоннаж­ных вакуумных печей и освоения технологии плавки с продувкой расплава аргоном илй аргоиокислородиой смесью. Новые хромистые феррнтные стали с низким содержанием примесей внедрения (до 0,015—0,020 % в сумме) от­личаются высокой пластичностью и ударной вязкостью. Среди них следует отметить стали ЭП882-ВИ и ЭП904-ВИ, начинающие находить применение в энергетическом машиностроении.

Сталь ЭП882-ВИ разработана в качестве заменителя хромоникелевых аустенитиых сталей марок 08Х18Н10Т, 12Х18Н20Т и др. для изготовления теплообменного оборудования химических производств, энергетического обо­рудования тепловых и атомных электростанций. Сталь не склонна к хлорид - иому коррозионному растрескиванию, питтинговой коррозии.

Применительно к оборудованию, работающему в условиях окисления при высоких температурах, разработана хорошо свариваемая сталь ЭП904-ВИ. Сталь отличается высокой жаростойкостью до 1300 °С. Приме­нение ее весьма эффективно для элементов крепления поверхностей нагрева энергетических котлоагрегатов, особенно в случаях работы на высокосер - иистом топливе.

15.1.3. Механические свойства сталей

В связи с высокой хрупкостью при нормальной температуре к хромистым ферритным сталям, произведенным в открытых печах, практически не предъ­являют требований по ударной вязкости, а оговаривают в основном мини­мально допустимые значения прочности и пластичности (табл. 15.3).

Хрупкость ферритных сталей ранее представлялась непреодолимой Ее связывали в основном с грубозернистой структурой, обусловленной интен­сивным ростом зерна даже в процессе охлаждения заготовок после про­катки. Для измельчения структуры предложили легирование сталей Ті, об­разующим слабо диссоциирующие карбиды. Располагаясь на границах зереи, карбиды могут уменьшить рост зерна при нагреве. Наиболее распро­страненные в настоящее время хромистые феррнтные стали марок 08Х17Т и 15Х25Т содержат до 0,80 и 0,90 % Ті.

Для измельчения грубозернистой структуры прокатку листов из сталей 08Х17Т, 15Х25Т и 25Х28НА завершают при пониженных температурах, до

820—850 °С. Низкотемпературная прокатка способствует повышению удар­ной вязкости указанных сталей до 0,8 МДж/м2 и пластичности 65 до 25 %. С учетом этих возможностей в ГОСТ 7350—77 внесены требования по мини­мально допустимым значениям KCU стали 15X25 до 0,2 МДж/м2 (рис. 15.2). У стали 15Х25Т, произведенной по модернизированной технологии прокатки листов, ударная вязкость при нормальной температуре достигает 0,8 МДж/м2, у стали 08Х23С2Ю не превышает 0,1 МДж/м2. Это связано прежде всего с тем, что значения температуры перехода сталей в хрупкое состояние су­щественно отличаются. У стали 15Х25Т Ткр находится на уровне 10 °С, у стали 08Х23С2Ю — на уровне 100 °С.

15.2. Свариваемость сталей

15.2.1. Охрупчивание сталей при нагреве

Особенностью высокохромистых сталей ферритного класса яв­ляется их склонность к дополнительному резкому охрупчива­нию под воздействием сварочного нагрева. Ударная вязкость и
пластичность металла в зоне термического влияния сварных соединений приближаются к нулю. Высокую хрупкость свар­ных соединений связывали с образованием в околошовной ме­талле пересыщенного С и N твердого раствора, так как при нагреве выше 1150 °С происходит диссоциация карбонитридов хрома.

Однако хромистые стали 08Х17Т и 15Х25Т, легированные Ті до 0,80 и 0,90 % соответственно, который способствует образо­ванию значительно более стойких карбидов, не имеют преиму-

О

О 200 400 600 800 Т °С 400 600 800 Т,°С

Рис. 15.3. Влияние температуры на - Рис. 15.4. Влияние температуры «закалки» на

грева иа пластичность стали 15Х25Т пластичность 65 (/) н ударную вязкость KCU

(I — 6s, 2 — W) (2) стали I5X25T, охрупченной после нагрева

прн 475 °С

ществ с точки зрения свариваемости по отношению к другим ферритным сталям. И у этих сталей не удается предотвратить интенсивный рост зерна при сварке плавлением. Наиболее крупные зерна следует ожидать на участке перегрева сварных соединений, где температура; нагрева максимальна и достигает ТСал - Здесь величина зерна в сечении достигает 1 мм. Протя­женность охрупченного при сварке околошовного участка рас­пространяется на 2—3 слоя зерен (~2,5—3 мм), непосред­ственно примыкающих к линии сплавления и подверженных нагреву выше 1000 °С.

Усовершенствованная технология производства — прокатка при пониженных температурах не улучшает свариваемости ста­лей. Под воздействием термического цикла сварки и других операций, связанных с высокотемпературным нагревом, пла­стичность ферритных сталей с исходной мелкозернистой струк­турой резко снижается, приобретается весьма высокая склон­ность к хрупкому разрушению. В результате воздействия тер­

мического цикла сварки значения Ткр исследованных плавок сталей 15Х25Т и 08Х23С2Ю повышаются соответственно до 120 и 300 °С, то есть существенно выше нормальной темпера­туры.

Охрупчивание ферритных сталей возможно также после вы­держки в интервалах температур, способствующих образова­нию а-фазы (550—850 °С) и явлению «хрупкости» при 475 °С (400—550 °С) (рис. 15.3). Хрупкость при 475 °С получает раз­витие уже при коротких выдержках, даже в процессе охлаж­дения в интервале 400—550 °С после тепловой обработки. Ударная вязкость стали после кратковременного нагрева при 475 °С снижается до 0,3 против 0,9 МДж/м2.

Отрицательное влияние хрупкости при 475 °С может быть устранено нагревом при более высоких температурах. На рис.

15.4 представлено влияние температуры «закалки»'на ударную вязкость и относительное удлинение образцов из стали 15X25, охрупченной после нагрева в течение 0,5 ч при 475 °С. В соот­ветствии с этими данными, нагрев при 750—760 °С практиче­ски полностью восстанавливает исходный уровень пластичности и вязкости стали. Более вы. сокие температуры нагрева значи­тельно менее эффективны, так как способствуют росту феррит - ного зерна, особенно заметно при 1000 °С. Хрупкость при 475° сменется на хладноломкость при нормальной температуре вследствие формирования грубозернистой структуры.

15.2.2. Сопротивляемость ХТ

Образование трещин в сварных соединениях ферритных ста­лей не имеет ничего общего с замедленным разрушением, ха­рактерным для сварных соединений закаливающихся сталей. Показатели трещиностойкости ферритных сталей формируются непосредственно в процессе сварочного нагрева и в дальней­шем остаются неизменными. - Это упрощает исследования сва­риваемости сталей ферритного класса, так как в данном слу­чае испытания образцов не обязательно проводить сразу после их сварки. Технологические свойства ферритных сталей при сварке могут быть оценены по степени влияния сварочного на­грева на значение температуры перехода околошовного ме­талла в хрупкое состояние. Количественная оценка склонности сварных соединений к растрескиванию мюжет быть произведена с использованием способов механики разрушения — по уровню напряженного состояния и размерам дефекта (иепровара, острых шлаковых включений, скоплений пор, подрезов и че­шуек на поверхности швов).

15.2.3. Выбор теплового режима сварки

Для сталей ферритного класса подогрев следует назначать, ис­ходя из значения ГкВ исходном состоянии и после воздействия термического цикла сварки. С учетом этого во избежание об­разования трещин сварку, гибку, правку и все операции, свя­занные с ударными нагрузками, при изготовлении узлов хими­ческого оборудования из сталей 08X17Т и 15Х25Т в ОСТ 26- 01-82—77 рекомендуется проводить с подогревом до 150— 200 °С (табл. 15.4).

Однако подогрев может оказать отрицательное влияние на пластичность и ударную вязкость околошовного металла с фер - ритиой структурой, так как способствует уменьшению скорости охлаждения и увеличению продолжительности нагрева в ин­тервале температур, близких к 475 °С. Не влияя на уровень ударной вязкости, ускоренное охлаждение повышает пластич­ность стали 15Х25Т со структурой перегрева. Например, отно­сительное удлинение образцов из стали 15Х25Т, подвергнутой нагреву до 1400 °С с последующим быстрым охлаждением со скоростью ~ 100 °С/с, составило 8 % против 0—2 % в случае медленного охлаждения (2 и 10 °С/с).

Ускоренное охлаждение наиболее существенно повышает пластичность стали с низким содержанием примесей внедре­ния. Например, у стали типа 01X30, содержащей 0,008 % С и 0,022 % N, после высокотемпературного сварочного нагрева и быстрого охлаждения 6>25%, ан> 2,8 МДж/м2.

15.3. Технология сварки и свойства соединений

15.3.1. Способы сварки и сварочные материалы

В качестве присадочных материалов для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом и в защитных га­зах Преимущественно применяют хромоникелевые сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие получение наплавлен­ного металла типа Х25Н13 с аустенитной структурой (табл. 15.5).

При наличии требований по МКК для сварных соединений применяют присадочные материалы, легированные Nb или Ті и АІ. Несмотря на высокую хрупкость металла шва, для сварки

узлов из стали 08X17Т в химическом машиностроении приме­няют иногда электроды типа Э-10Х17Т (УОНИ/10Х17Т), изго­тавливаемые на проволоке Св-10Х17Т. Эту же проволоку ис­пользуют при аргонодуговой сварке, а также автоматической сварке под флюсом. Ударная вязкость металла шва в таких случаях составляет не более 0,05 МДж/м2. Деформация. свар­ных соединений без нагрева невозможна в связи с растрески­ванием металла шва и околошовной зоны.

15.3.2. Термическая обработка

В связи с невозможностью измельчения структуры ферритных сталей методами термической обработки хрупкость их сварных соединений является необратимой. Термическая обработка, применяемая для сварных соединений сталей ферритного класса, положительно сказывается в основном на снижении уровня остаточных напряжений. Отжиг при 760 °С является универсальным для сталей ферритного класса. При этой тем­пературе практически полностью релаксируют остаточные на­пряжения. Этот режим целесообразен также для устранения восприимчивости к межкристаллитной коррозии. Нагрев при 760 °С значительно увеличивает деформационную способность сварных соединений сталей 08Х17Т и 15Х25Т. В частности, по­сле термообработки при 760 °С длительностью 2 ч возможен изгиб сварных соединений стали 08X17Т на 120°, что необхо­димо при испытаниях на межкристаллитную коррозию по ГОСТ 6032—75.

15.3.3. Механические и служебные свойства соединений

В табл. 15.5 приведены механические свойства сварных соеди­нений хромистых ферритных сталей с обычным и низким со­держанием С и N. В случае применения аустенитных электро­дов и проволок металл шва сварных соединений обычных и «чистых» по примесям сталей отличается высокой пластично­стью и ударной вязкостью. Если для сварки применены одно­родные электроды и проволоки с обычным содержанием при­месей, то пластичность и ударная вязкость металла шва крайне низкие и какие-либо требования к этим характеристикам не предъявляются. Лишь в случае низкого содержания примесей, что обеспечивается, например, при аргонодуговой сварке ста­лей ЭП882-ВИ и ЭП904-ВИ с присадочной проволокой марок Св-02Х18М2Б-ВИ и Св-02Х19ЮЗБ-ВИ, у металла шва могут быть достигнуты высокие значения пластичности (05^22%) и ударной вязкости (KCU^0,5 МДж/м2). Ударная вязкость око-

лошовного металла сварных соединений сталей ЭП882-ВИ и ЭП904-ВИ также составляет не менее 0,5 МДж/м2.

Для сварных соединений сталей с обычным содержанием примесей величина ударной вязкости не регламентируется.

Сварные соединения всех хромистых ферритных сталей от­личаются высокой коррозионной стойкостью в различных аг­рессивных средах. Легирование основного металла и шва ста­билизирующими элементами (Ті, Nb) обеспечивает стойкость сварных соединений против МКК как в исходном состоянии, так и после термической обработки.