Сварка разнородных сталей

Оптимальный состав сплава для металла шва сварных соединений разнородных сталей

Для предотвращения появления структурной неоднородности в зоне сплавления неаустенитного металла с аустенитным последний должен иметь высокое содержание никеля. Эта неоднородность, как показано рядом исследований, совершенно отсутствует при любых выдержках в условиях сколь угодно высоких температур, если в качестве аустенитного металла используется чистый техни­ческий никель; Однако чистый никель нельзя применить для со­

единения разнородных сталей, так как его механические свойства не удовлетворяют тем требованиям, которые предъявляются к кон­струкциям, комбинируемым из этих материалов. Для подтвержде­ния сказанного в табл. 8 приведены механические свойства техни­ческого никеля и механические свойства, которыми должны обла­дать сварные соединения сталей 15Х5М с Х18Н9Т и 12ХМФ с Х18Н12Т, широко распространенные в настоящее время (первое в нефтеперерабатывающих установках, второе — в энергетическом оборудовании).

Непригодными для сварки разнородных сталей оказались и известные высоконикелевые сплавы, обладающие достаточной проч­ностью. Обусловлено это прежде всего тем, что высоко­никелевые сплавы склонны к образованию трещин в ме­талле шва. Лишь некоторые из них позволяют получить сварные швы без трещин. Это сплавы типа инконель, допол­нительно легированные нио­бием и титаном. Получение таких сплавов в металле шва обеспечивает использование электродов, применяющихся при сварке всех жаропроч­ных металлов типа 15—60 и 20—80. В швах из указан­ных сплавов содержится до 3—5% ниобия и 0,5—1,0% титана.

Что касается сварки разнородных сталей, то наличие в высоко­никелевом аустенитном металле, сплавляемом с неаустенитным, та­ких больших количеств ниобия и титана недопустимо, так как ти­тан и ниобий являются наиболее сильными карбидообразующими элементами (известно, что все карбидообразующие элементы по степени химического сродства к углероду располагаются в поряд­ке возрастания в следующий ряд: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Zn, Nb, Ті). Поэтому в сварных соединениях разнородных сталей они будут в наибольшей степени способствовать образованию структур­ной неоднородности в зоне сплавления. В последнее время показано, что вообще нежелательно наличие титана и ниобия в сталях, пред­назначенных для конструкций, длительно эксплуатируемых в ус­ловиях высоких температур, так как в их присутствии повышается вероятность локального разрушения сварных соединений [48].

Согласно сложившемуся механизму образования структурной неоднородности из никелевых сплавов для сварки разнородных сталей наиболее приемлемыми должны быть сплавы, не содержа­щие карбидообразующих элементов. Однако проведенные автором совместно с В. В. Снисарем исследования показали, что ни за счет упрочнения твердого раствора (легирование медью, кобальтом,

5 1-189
а также кремнием и алюминием в пределах растворимости), ни за счет образования дисперсных частиц второй фазы (легирование кремнием и алюминием выше предела растворимости) получить сплавы с механическими свойствами, удовлетворяющими тем тре­бованиям, которые предъявляются к сварному соединению разно­родных сталей, пока невозможно. Подтверждается это данными по исследованию возможности повышения прочности железонике­левого наплавленного металла легированием его алюминием, кото­рый может образовывать интерметаллидную фазу типа Ni3AI, по­зволяющую повысить прочностные характеристики сплава 197]. Полученный при этом металл содержал 0,07% С, 0,19% Si и 0,26% Мп. Концентрации никеля и алюминия в нем приведены ниже:

Исследования автора и В. В. Снисаря показали, однако, что в железоникелевом металле шва совместным легированием алюми­нием и титаном нельзя получить нужных прочностных характерис­тик. Исследовали сплав с 2,5—3,1% алюминия (оптимальное, как показано выше, количество для железоникелевых сплавов), со­держащий 0,07% С, 0,19% Si и 0,26% Мп и дополнительно легиро­ванный титаном. В табл. 9 приведена концентрация никеля, алю­миния и титана в полученном при этом металле, а на рис. 70 — его механические свойства. По мере повышения содержания титана прочностные характеристики (от, ов) исследуемого сплава повы-

Шйются. Однако при этом, если содержание титана превышает 0,3%, существенно снижаются пластичность и вязкость (6, зр, а„). Кроме того, в наплавлен­ном металле с содержанием титана выше 1,0% появляются поры, количество которых увеличивается с повышением концентрации титана в сплаве.

Из изложенного следует, что высоконикелевый металл шва с требуемыми механическими свойствами нельзя получить без леги­рования его карбидообразующими элементами. Исходя из того, что такие элементы способствуют перемещению углерода и тем самым образованию в зоне сплавления с перлитным металлом структурной неоднородности, которая приводит к преждевременному разруше­нию сварного соединения, легировать металл шва следует элемен­тами, обладающими меньшим сродством к углероду. Поэтому за­служивают внимания марганцевоникелевые и хромоникелевые - сплавы.

Марганец содержится во всех никелевых сплавах. Повышение - концентрации этого элемента является, как уже указывалось ра­нее, одним из способов предотвращения появления горячих трещин - в аустенитном металле шва. Однако в сварном соединении разно­родных сталей повышенное содержание марганца в металле шва.

может привести к образованию в зоне сплавления с перлитной сталью структурной неоднородности. В связи с этим для сварки разнород­ных сталей более приемлемыми должны быть хромоникелевые сплавы.

Хром, как известно, является одним из основных элементов практически всех высоколегированных сталей и сплавов, в том числе и высоконикелевых, предназначенных для работы при высоких температурах. По эффективности карбидообразования хром зани­мает, как показано выше, всего лишь третье место в ряду всех карби­дообразующих элементов, расположенных по возрастающей сте­пени сродства к углероду. Кроме того, из рис. 52 следует, что обез-

углероживание низколегированной стали в зоне сплавления ее с высоколегированной наблюдается лишь при повышении содержа­ния хрома до 6%. Дальнейшее увеличение количества этого эле­мента оказывает относительно малое влияние на ширину обезугле­роженной зоны. Следовательно, желательное с целью упрочнения сплава повышение содержания хрома не должно ограничиваться исходя из возможности развития структурной неоднородности в зоне сплавления с низколегированным металлом.

Дополнительным обоснованием возможности использования для сварки разнородных сталей хромоникелевого сплава с высоким со­держанием никеля являются результаты выполненных автором совместно с В. В. Снисарем специальных экспериментов. Сущность их состоит в том, что на сталь марки Х5М опытной проволокой Х35Н40 была выполнена наплавка по схеме, приведенной нарис. 18 Затем соединения нагревали до 550° С и выдерживали при этой температуре в течение 500 ч. Из обработанных таким образом на­плавок изготовляли микрошлифы и исследовали структуру зоны сплавления. На рис. 71 представлены микроструктуры зоны сплав­ления этой наплавки до нагрева и после него. Как видно из рисун­ка, в случае высокого содержания никеля в металле шва даже при 35 % Сг после длительной выдержки при высокой температуре не

происходит существенных структурных изменении как в зоне сплавления с перлитной сталью, так и в самом шве.

Использование хрома в качестве элемента, легирующего высо­коникелевый сплав, позволяет получить требуемые механические

свойства. Сказанное подтверждается данными исследования влия­ния этого элемента на свойства высоконикелевого сплава (рис. 72), проведенного автором совместно с В. В. Снисарем. В табл. 10 при­веден химический состав исследованных двух серий сплавов? которые отличаются друг от друга содержанием никеля: примерно 40% — в одной и 60% — в другой.

Содержание остальных состав­ляющих исследованных сплавов (углерода, кремния, марганца, се­ры и др.) выбирали с учетом имею­щихся сведений о их влиянии на свойства жаропрочных и, в част­ности, высоконикелевых сплавов.

Из результатов исследования сле­дует, что для получения никель- хромовых сплавов с оптимальны­ми свойствами необходимо огра­ничить содержание серы, фосфо­ра, углерода и кремния, а также свести до минимума содержание свинца, сурьмы и других легко­плавких примесей. В таких сплавах концентрация углерода не должна превышать 0,1%, кремния —0,6%, серы — 0,015% и фос­фора — 0,03%. Что касается марганца, то его содержание до 5% не оказывает существенного влияния на прочностные и пластические характеристики никельхромовых сплавов.

Следует отметить, однако, что требуемые свойства высоконике­левого сплава, легированного только хромом, можно получить лишь

при высоком содержании этого элемента (более 20%). Для железо­никелевых сплавов такое содержание хрома принято считать не­желательным из-за возможности их сигматизации. Что касается высоконикелевых сплавов, то высокое содержание хрома для них вполне возможно [741. Сказанное подтверждается также рис.73, на котором приведена микротвердость на участке в зоне сплавле­ния стали Х5М со сплавом Х35Н40 в состоянии после сварки и

после выдержки в течение 500 ч при 550° С.

Известно, что высоко­никелевые сплавы весьма склонны к образованию трещин в сварном шве. По­этому окончательной оцен­кой пригодности сплавов, удовлетворяющих требова­ниям к механическим свой­ствам, должна быть стой­кость наплавляемого ме­талла против образования горячих трещин. Автором совместно с В. В. Снисарем проволоками, изготовлен­ными из выбранных спла­вов (табл.11)сваривались жесткие образцы (рис. 74). Сварка производилась под флюсом АН-15М. Как из­вестно, металл шва (в том числе и аустенитный), выполненный под этим флюсом, стоек против образования горячих трещин. Применялся режим сварки, который можно считать наиболее приемлемым для легированных сталей: /д = 450...470 А, £/д = 28...30 В и VCB = 18,5 н/ч.

Наличие трещин определялось на поверхности шва и по выре­занным из него макрошлифам. Полученные результаты показали, что во всех случаях в металле шва образуются трещины. Правда,

вероятность их образования уменьшается с повышением содержа­ния хрома в металле шва. В швах с высоким содержанием этого элемента (35 и 47%) трещины обнаруживаются только в макро­шлифах.

По сложившемуся в последнее время представлению горячие трещины в однофазных сплавах, кристаллизующихся в узком ин­тервале температур, образуются преимущественно по новым поли - гонизационным границам, которые возникают в уже закристаллизо­вавшемся металле при температуре, несколько ниже линии соли- дуса, в результате движения и группировки дислокаций и вакансий. Предотвратить образование трещин в металле шва из таких спла­вов можно, дополнительно легируя его элементами, которые умень­шают подвижность дислокаций и тем самым задерживают процесс полигонизации границ. Подвиж­ность дислокаций определяется, как известно, скоростью перемеще­ния атомов и вакансий в кристал­лической решетке. Поэтому она в значительной степени зависит от прочности межатомной связи спла­ва. Последняя характеризуется ве­личиной энергии активации диф­фузии.

Одним из элементов, увеличи­вающих энергию активации диф­фузии в высоконикелевых сплавах, является молибден [77]. В свя­зи с этим при легировании молибденом предотвращается образова­ние горячих трещин в металле сварного шва из высоконикелевого сплава. По эффективности предотвращения образования горячих трещин в чистых металлах и однофазных сплавах молибден усту­пает лишь танталу [77], использование которого при сварке огра­ничено в связи с его высокой стоимостью.

Молибден как элемент для дополнительного легирования высо­коникелевого сплава заслуживает внимания еще и потому, что он повышает прочностные характеристики такого сплава, и прежде всего жаропрочность, что объясняется увеличением устойчивости дисперсных частиц у'-фазы и температуры рекристаллизации твер­дого раствора [97|. Наконец, при легировании молибденом повы­шается стойкость высоколегированного металла против локальных разрушений в сварных соединениях, подвергаемых нагреву до вы­соких температур [48].

Следовательно, легирование высоконикелевого металла шва мо­либденом является вполне приемлемым для сварных соединений разнородных сталей. Единственным недостатком его является то, что он в ряду карбидообразующих элементов расположен на чет­вертом месте, в связи с чем может оказывать существенное влияние на перемещение углерода в зоне сплавления разнородных сталей
и тем самым вызывать образование в ней недопустимой структурной неоднородности. По этой причине, а также вследствие того, что молибден является дефицитным материалом, его содержание в ме­талле шва сварных соединений разнородных сталей желательно ограничивать.

Ограничивать содержание молибдена можно, дополнительно легируя сплав хромом. Вероятность образования трещин в высо­коникелевом металле шва уменьшается с повышением содержания в нем хрома. Известно, однако, что по мере повышения концентрации хрома ухудшается деформируемость высоконикелевого сплава в горячем состоянии, причем ухудшение это может быть настолько значительным, что существенно затруднит изготовление из него

сварочной проволоки. Это дает основание считать, что в сплаве, предназначенном для сварочной проволоки, содержание хрома не должно превышать предела его растворимости.

Оптимальное содержание хрома в высоконикелевом сплаве, предназначенном для сварки разнородных сталей, равно примерно 25%, так как предельная растворимость хрома в чистом никеле при комнатной температуре составляет 30%, а в сплавах никеля с другими металлами она несколько ниже [97].

Концентрация молибдена в высоконикелевом металле шва, как показали наши исследования, выполненные автором совместно с В. В. Снисарем по сварке жестких стыков, зависит от содержания никеля. Чем больше в сплаве никеля, тем больше в него необхо­димо ввести молибдена (рис. 75).

Содержание никеля в проволоке для сварки разнородных ста­лей зависит, как указывалось, от температуры, при которой должно эксплуатироваться сварное соединение. Оно должно составлять 12, 25, 40 и 60%. Сварка жестких стыков показывает, что при таких содержаниях никеля для надежного предупреждения горя­чих трещин в металле шва сварочная проволока должна иметь молибдена соответственно не менее 1, 3, 7 и 10%.

Таким образом, изложенное позволяет заключить, что оптималь­ный состав высоконикелевого сплава для сварки разнородных сталей, исключающий образование трещин в металле шва и обес­печивающий механические свойства, удовлетворяющие предъяв­ляемым требованиям, должен соответствовать данным, приведен­ным в табл. 12.