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-

Содержаине элементов,

Сіаль, марка

гост, ТУ

С

s;

Мп

S

15X1ІМФ

15Х12ВНМФ

18Х11МНФБ

13Х11Н2В2МФ

12Х11В2МФ

10Х12НД

06X12НЗД

ГОСТ 5632—72 ГОСТ 5632—72 ГОСТ 5632—72 ГОСТ 5632—72 ТУ 14-3-450—75 ТУ 108-976—80 ТУ 108-923—80

0,12—0,19

0,12—0,18

0,15—0,21

0,10—0,16

0,10—0,15

<0,10

<0,06

<0,5

<0,4

<0,6

<0,6

<0,50

<0,30

<0,30

<0,7 0,5—0,9 0,6—1,0 <0,6 0,50—0,80 <0,60 <0,60

<0,025

<0,025

<0,025

<0,025

<0,025

<0,025

<0,025

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).

МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

% (по массе)

Р

Сг

Ni

Мо

Y

прочие

s=0,030 <0,030 <0,030 <0,030 <0,025 <0,025 <0,025

10.0— 11,5

11.0— 13,0

10.0— 11,5 10,5—12,0

10.0— 12,0

12.0— 13,5

12.0— 13,5

0,4—0,8 0,5—1,0 1,50—1,80 0,60 2,8—3,2 2,80—3,20

0,6—0,8 0,5—0,7 0,8—1,1 0,35—0,50 0,60—0,90 0,8—1,1

0,25—0,40 0,15—0,30 0,20—0,40 0,18—0,30 0,15—0,30

W 0,7—1,1 Nb 0,20—0,45 W 1,60—2,00 W 1,70—2,20 Си 0,8—1,0 Си 0,80—1,10

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

ТАБЛИЦА 13 2

НАЗНАЧЕНИЕ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

Максималь­

Сталь, марка

ная темпе­

Примеры использования

ратура эк­сплуатации, 0 С

15ХПМФ, 15Х11МФ-Ш,

Корпуса цилиндров паровых и

550—580

15Х12ВНМФ, 15Х12ВНМФ-Ш,

газовых турбин, горячие опоры

500

18Х11МНФБ-Ш,

каркасов, рабочие и направ­

13Х11Н2В2МФ,

ляющие лопаткн и бандажные

13Х11Н2В2МФ-Ш

ленты диафрагм, диски и ро­торы газовых турбин и ком­

12X11В2МФ

прессоров [6, 7]

Поверхности нагрева котлов,

550

10Х12НД

трубопроводы

Ободы диафрагм паровых тур­бин [6], детали рабочих колес

350

06X12НЗД

гидротурбин

Ободы и другие детали диа­

350

06X12НЗД

фрагм паровых турбии [6]

Детали рабочих колес гидро­

350

06X12НЗД

турбин

Корпуса главных циркуляцион­ных насосов АЭС

350

Сталь» марка

0О, 2. МПа

0в,

МПа

65, %

%

KCU,

МДж/м2

не меиее

15X11МФ

490

690

15

55

0,6

15Х12ВНМФ

590

740

15

45

0,6

18Х11МНФБ

590—735

740

15

50

0,6

13Х11Н2В2МФ

735

880

15

55

0,9

12Х1ІВ2МФ

392

588

18

10Х12НД

500

650

14

30

0,3

06X12НЗД

500—700

700

14

30

0,5

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

ТА БЛИЦА 13 4

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СВАРКИ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ

Сталь марка

Т, °С, подогрева

Время пролежи - вания до терми­ческой обработки, ч

Термическая обработка

15ХММФ, 15Х12ВНМФ, 18Х11МНФБ, 13X11Н2В2МФ

300

Не

допускается

Отпуск при 700—720 °С (без ох­лаждения ниже температуры подогрева). При толщине более 30 мм перед термообработкой рекомендуется «подстужива - ние» до 100 °С

12Х11В2МФ

250—300

72

Отпуск прн 715—745 °С (пред­варительный, и 735—765 С (окончательный)

10Х12НД

>100

Не

допускается

Отпуск при 650 °С (с предвари­тельным «подстуживанием»)

06X12НЗД

>200

То же

Отпуск при 610—630 °С (пред­варительный) и 625—650 °С (окончательный)

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-

Сг.

хэнб

I

і

I

+

еэ

$

к

4-

сх

Ч

&

4-

«/Э

ч

2Х10Н9

О

-20

Аустенит

охюню

о

^-70

^-70

хюно

о

Аустенит + (реррит

Х17Н7Ю —А

1Х/5Н4АМзТ°.

Х15Н5Д2Т

о

1Х21Н5Т

Х15Н5713

?е5,%

0 ^ Х18О10Г «

хтзг

Следы И {мартенсита) 0

ч

tv."

1-х

5%.

70%N

40 %

£-Л7

50%

70%

^ 'в

Ч

k-f

ч

^-4

>■

т.

° - г s?

§ <7

и

I

1

1

й-

65%

35%71

8

!

I

і

тгнгвпФ

Кф-К"

Нартенеит

0,05 0,15 0,25 (С+Н),%

І_______ I___ |____

/

к

60

40

20

г

§

о

10

12

14 Сг

Хромовый знВиВалент ферритооВразования - %Cr-l,5x%Ni->-2x%si-0,75x %Нп - - Кфх{°/Л+ % N) + %Г10 +4* %А + 4*% 14 + 1,5х %Ч+0,5Х %V4+0,9x%Wl-0,6х %С0-

-0,5Х% Си

Партенсит* феррит о

2X13

/

/

о

1X13

ЗАІ

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

Металл шва

Сварное

соединение

Сталь, марка

Способ сварки. Сварочные материалы

Я

С

£

О

О

я

С

£

«

о

X

иЭ

«О

4

Ъ

гГ*

иЧ

Х£

СО

С

£

в

о

а

а-*

UCC

угол

загиба,

15Х11МФ,

15Х12ВНМФ,

18Х11МНФБ

РДС;

электроды

Э-12Х11НМФ

(КТИ-9);

588

735

15

56

0,5

690

0,5

13Х11Н2В2МФ

Э-12Х11НВМФ

(КТИ-10);

588

735

15

55

0,5

735

0,5

15X11МФ, 15Х12ВНМФ, 18X11МНФБ,

Э-11X15Н25М6АГ2 (ЭА-395/9);

363

588

13

15

0,4

588

0,4

15Х11Н2В2МФ

Э-10Х25Н13Г2

(ЗиО);

294

539

13

15

0,5

539

0,5

12X11В2МФ 12X11В2МФ

электроды

Э-14Х11НВМФ

(ЦЛ-32)

АДС:

569

735

12

0,4

588

0,4

проволока Св-15Х12НМБФ флюс АН-17; ОФ-6;

710

784

15

40

0,5

588

0,4

12X11В2МФ

проволока Св-15Х12ГНМВФ флюс АН-17, ОФ-6;

588

784

15

50

0,7

588

0,4

10Х12НД

РДС: электроды Э-06Х13Н (ЦЛ-41)

490

637

16

0,5

637

0,3

40

эшс-

проволока Св-12X13 флюс АН-8

440

580

12

0,5

580

0,5

40

06Х12НЗД

РДС: электроды ЦЛ-51

490

637

12

35

0,5

637

0,5

40

АДС: проволока Св-01 Х12Н2-ВМ (ЭП-762-ВИ) флюс ФЦ-19

470

600

12

35

0,5

600

0,5

40

АрДС:

проволока

Св-01Х12Н2-ВИ

(ЭП-792-ВИ)

490

637

12

35

0,5

637

0,5

40

ЭШС:

проволока Св-01Х12Н2-ВИ (ЭП-792) флюс АН-45

440

590

12

35

0,5

590

0,5

40

ТАБЛИЦА 13.5 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ (НЕ МЕНЕЕ)

Примечание. РДС — ручная дуговая сварка; АрДС — аргонодуговая сварка; ЭШС — электрошлаковая.

граді

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.

СВАРКА И СВАРИВАЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ОСНОВЕ (Третьяков А. Ф.)

39.1. Классификация пористых материалов Пористые материалы (ПМ) на металлической основе применяются в каче­стве фильтроэлемеитов, смесителей, газовых линз, глушителей шума и др ПМ классифицируются по назначению, химическому составу и типу струк­турообразующих …

КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ (Чернышова Т. А.)

38.1. Классификация Композиционные материалы — это материалы, армированные наполнителями, определенным образом расположенными в матрице Наполнителями чаще всего являются вещества с высокой энергией межатомных связей, высо­копрочные и высокомодульиые, однако в сочетании …

ПЛАСТМАССЫ (Зайцев К. И.)

37.1. Состав и свойства 37.1.1. Получение пластмасс Пластмассы — это материалы, полученные на основе синтетических нли ес­тественных полимеров (смол). Синтезируются полимеры путем полимериза­ции или поликондеисацни мономеров в присутствии катализаторов при …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.