СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

МАРТЕНСИТНЫЕ СТАЛИ (Зубченко А. С.)

13.1. Состав и свойства сталей

13.1.1. Назначение и марки сталей

В большинстве случаев высокохромистые мартенситные стали имеют повы­шенное содержание углерода, некоторые из них дополнительно легированы никелем (табл. 13.1). Углерод, никель и другие аустенитообразующие эле­менты расширяют область у и способствуют практически полному у-'-а(М)- превращению в процессе охлаждения. Применение для закаленной стали отжига при температурах ниже точки Л3 способствует отпуску структур за -

калкн и возможности получения весьма благоприятного сочетания механи­ческих свойств — одновременно высоких значений прочности, пластичности н ударной вязкости. Феррнтообразующие элементы (Мо, W, V, Nb) вводят для повышения жаропрочности сталей. Если обычные 12%-ные хромистые стали имеют достаточно высокие механические свойства при температурах до 500 °С, то сложнолегированные на этой основе стали обладают высокими характеристиками до 650 °С и используются для изготовления рабочих и направляющих лопаток, дисков паровых турбин и газотурбинных установок различного назначения (табл. 13.2).

43.1.2. Структура сталей, легированных хромом

Железо образует с хромом непрерывный ряд а(б)-твердых растворов с объемноцентрированной кубической решеткой (рис. 13.1). У сплавов с вы­соким содержанием железа имеется замкнутая область у-твердых раство-

Рис. 13.1. Структурная диаграмма же - Рис. 13.2. Влияние хрома иа положе - лезо — хром иие критических точек фазовых пре­

вращений в сплавах с железом

ров. На диаграмме Fe — Сг область у ограничена справа двумя линиями, замыкающими гетерогенный участок а,(6)+у. Хром оказывает сильное влияние на положение критических точек, отмечающих у-нх-превращение. Вначале увеличение содержания хрома приводит к понижению точки Л3. При концентрации до 8 % хром может быть отнесен к элементам, способ­ствующим устойчивости аустенита и расширению его температурной об­ласти (рис. 13.2). Большие концентрации хрома повышают точку Л3. У сплавов с у-»-а-превращением легирование хромом значительно снижает также критические скорости охлаждения. В результате этого при низком содержании углерода легирование до 12 % Сг приводит к формированию в стали однофазной мартенситной структуры даже при весьма замедлен­ном охлаждении от 800 °С, например со скоростью менее 1 °С/с.

При содержании хрома более 12 % в процессе нагрева у сплавов не­возможно полное превращение а-»-у В соответствии с образующейся после охлаждения структурой такие сплавы относят к мартенсисио-ферритному или ферритному классу.

Связывая углерод в карбиды, ферригообразующне элементы способствуют в процессе охлаждения формированию в структуре 11—12 %-ных хромистых сталей наряду с мартенситом некоторого количества 6-феррита. В связи с этим рассматриваемые в этом разделе некоторые марки высоколегирован-

ных термоупрочняемых сталей условно отнесены к мартенситным Принятая градация сталей по структуре сделана в основном с учетом содержания Сг. В результате этого все марки сталей с 11—12% Сг отнесены к мартеисит - ным (табл 13 1), с 13—14 % хрома—к мартенситно-феррнтным

13.1.3. Механические свойства

Механические свойства высокохромистых мартенситных сталей и их свар­ных соединений определяются фактическим химическим составом и режи­мом термической обработки, с помощью которой можно регулировать как свойства самой мартенситной матрицы, так и конечный фазовый состав и структуру сталей Существенное влияние на механические свойства оказы­вают также количество, величина и геометрическая форма б-феррита, в об­щем случае способствующего снижению пластичности и ударной вязкости без существенного влияния на пределы прочности и текучести (табл 13.3).

13.2. Свариваемость сталей

13.2.1 Склонность к образованию XT

Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому раз­рушению в состоянии закалки усложняет технологию их сварки. При содержании углерода более 0,10 % мартенситные стали склонны к образованию холодных трещин при сварке из-за вы­сокой степени тетрагональности кристаллической решетки мар­тенсита. При снижении содержания углерода вязкость мартен­сита повышается, однако образующийся при этом структурно свободный 6-феррит в свою очередь сообщает им высокую хрупкость. Поэтому в сварных соединениях мартенситных ста­лей трещины могут наблюдаться в процессе непрерывного охлаждения при температурах ниже Тм. н, а также в процессе выдержки при нормальной температуре (замедленное разру­шение).

Для высокохромистых сталей температура начала мартен - ситного превращения не превышает 360 °С, а окончания 240 °С. С увеличением содержания углерода точки Тм „ и Гм к еще бо­лее понижаются, что приводит к возрастанию твердости мартен­сита и его хрупкости. Учитывая это, а также необходимость обеспечения сварным соединениям высокой пластичности и

ударной вязкости для безопасной эксплуатации ответственных энергетических установок, содержание углерода в хромистых мартенситных сталях ограничивают до 0,20 %.

13.2.2. Выбор теплового режима сварки

Предотвращение образования холодных трещин является од­ной из задач при сварке 11—12 %-ных хромистых сталей. В связи с этим применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200—450 °С. Температура подогрева тем выше, чем

выше склонность стали к закалке, В то же время температура подогрева не должна быть чрезмерно высокой, так как это мо­жет привести к отпускной хрупкости вследствие снижения ско-

хэнб

Рис. 1Э. З. Структурная диаграмма низкоуглеродистых нержавеющих сталей, предло­женная Я М Потаком и Е А Сагалевич

рости охлаждения металла в околошовной зоне в интервале температур карбидообразования. Кроме того, высокий подогрев, как и сварка с высокой погонной энергией, обеспечивает дли­тельный перегрев околошовного металла, результатом чего яв­ляется рост зерна, сегрегация примесей на границах зерен и, как следствие, снижение пластичности и вязкости сварных со­единений.

Лучшие свойства сварных соединений достигаются в случае предварительного подогрева в интервале Тм. н — Тм, к, а также когда после сварки производится подстуживание до Тм. к, но не ниже 100 °С. Рекомендации по тепловому режиму сварки приведены в табл. 13.4.

13.2.3. Улучшение свариваемости сталей

Многие из отмеченных выше недостатков в свариваемости мар­тенситных сталей не присущи малоуглеродистым хромистым сталям, дополнительно легированным никелем. Мартенсит, об­разующийся при закалке хромоникелевых сталей, отличается вследствие низкого содержания углерода высокой пластично­стью и вязкостью, не склонен к образованию холодных тре­щин при сварке.

Высокие пластические свойства малоуглеродистого мартен­сита повышают надежность получения качественных сварных соединений. Однако чувствительность металла швов к водород­ной хрупкости вызывает необходимость при их сварке предва­рительного и сопутствующего подогрева до 100—200 °С. Улуч­шению свариваемости этих сталей способствует также остаточ­ный аустенит. Количество остаточного аустенита закалки зависит в основном от химического состава стали и может быть при­мерно оценено с помощью структурной диаграммы низкоуглеро­дистых нержавеющих сталей, предложенной Я. М. Потаком и Е. А. Сагалевич для литого и наплавленного при сварке ме­талла (рис. 13.3). Количество остаточного аустенита отпуска определяется режимом термической обработки.

13.3. Технология сварки и свойства сварных соединений

13.3.1. Способы сварки и сварочные материалы

Среди дуговых методов сварки для деталей из высоколегиро­ванных мартенситных сталей применяют в основном способ ручной дуговой сварки штучными электродами, обеспечиваю­щими получение сварных швов, однородных по химическому составу с основным металлом (табл. 13.5). Это электроды ма­рок КТИ-9, ЦЛ-32 с наплавленным металлом, содержащие 10—12% Сг, — 0,8 % Ni и ~ 1 % Мо. В связи с применением

электродов марки ЦЛ-32 для сварки конструкций/работающих при температурах до 600 °С, они содержат также ~ 1 % W. Пониженное содержание углерода (0,02—0,08 %) приводит к существенному повышению вязкости металла швов, до хими­ческому составу «однородных» с Сг—Ni мартенситными ста­лями.

Наряду с «однородными» электродами имеет место также применение аустенитных электродов марок ЗиО-8 и ЭА-395/9 (в основном для обварки лопаток при изготовлении Диаф­рагм). Для автоматической сварки используется проволока Св-15Х12НМВФБ и Св-15Х12ГНМБФ и флюсы АН-17 и ОФ-6.

При изготовлении лопаточного аппарата турбин большое распространение получил способ электронно-лучевой сварки.

13.3.2 Термическая обработка сварных соединений

Независимо от толщины изделий сварные соединения высоко­хромистых мартенситных сталей, как правило, подвергают тер­мической обработке для снятия остаточных напряжений, рас­пада закалочных структур и формирования механических свойств Пролеживание перед термической обработкой допуска­ется только для сварных соединений стали марки 12Х11В2МФ. Во всех остальных случаях сварные соединения подвергают не­медленному (без охлаждения ниже температуры подогрева) термическому отпуску. В некоторых случаях перед отпуском производится подстуживание до 100 °С для завершения у->-а(М)-превращения. Температура отпуска выбирается не выше значений критической точки Асі.

13 3.3. Свойства сварных соединений

В табл. 13.5 приведены механические свойства сварных соеди­нений высоколегированных мартенситных сталей в состоянии после термической обработки, указанной в табл. 13.4. Проч­ность сварных соединений определяется свойствами применяе­мых для сварки присадочных материалов. В случае однород­ных с основным металлом швов свойства сварных соединений близки к основному металлу. Использование сварочных элек­тродов КТИ-9, КТИ-10 и ЦЛ-32 обеспечивает сварным соеди­нениям сталей 15X11МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х11МНФБ и 13Х11Н2В2МФ длительную прочность за 10® ч при максималь­ной температуре эксплуатации (табл. 13.1) не менее 120 МПа.