Сварка высоколегированных сталей

 
                       СВАРКА ВЫСОКО ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

 

   Высоколегированными  сталями считают сплавы на  основе железа с суммарным

   содержанием  легирующих элементов свыше 10% при содержании железа в них

   более  45%. Если содержание железа меньше  этой величины, то материалы

   считаются  специальными сплавами. Основные  легирующие элементы сплавов  и

   сталей  этой группы - хром, никель, марганец, кремний, кобальт, вольфрам,

   ванадий,  молибден, титан, бор и др.

 

   Высоколегированные  стали и сплавы обладают специфическими свойствами:

   высокой  коррозийной стойкостью, хладостойкостью, жаропрочностью,

   жаростойкостью, сопротивлением ползучести при  нагреве и др. Жаростойкость

   (окалиностойкость) - свойство металлов и сплавов хорошо противостоять при

   высоких  температурах химическому воздействию,  в частности окислению на

   воздухе и в другой газовой среде. Жаропрочностью - способность материалов

   при  высоких температурах выдерживать  без разрушения химические нагрузки.

 

   Высоколегированные  стали и сплавы - важнейшие конструкционные  материалы,

   применяемые в производстве оборудования, работающего в широком диапазоне

   температур. Газовых или жидких средах, для химической промышленности, а

   также  авиации и энергетики.

 

   Свариваемость  сталей. В зависимости от содержания  основных легирующих

   элементов  стали различаются на хромистые, хромоникелевые,

   хромомарганцевые, хромомарганцевоазотистые и т. д. По структуре

   высоколегированные  стали разделяются на мартенситные,

   мартенситно-ферритные,  ферритные, аустенитно-мартенситные,

   аустенитно-ферритные  и аустенитные.

 

   Высоколегированные  сплавы делят на две группы: сплавы на железоникелевой

   (суммарное содержание железа и никеля более 65%) и никелевой (содержание

   никеля  более 55%) основах. Они имеют стабильную аустенитную структуру.

 

   Хромистые  стали имеют различную структуру  в зависимости от содержания

   хрома  и углерода. При содержании в  стали хрома 12…13% и углерода  более

   0,06…0,08% сталь относят к мартенситному  классу; при содержании хрома

   13…16% - мартенситно-ферритному; при содержании хрома более 16% - к

   ферритному  классу. Введение в стали других  элементов изменяет её структуру

   и может  привести к переходу из одного  класса в другой.

 

   Стали  с содержанием хрома 10,5…12% при  легировании молибденом, вольфрамом,

   ниобием  и ванадием обладают повышенным  сопротивлением высокотемпературной

   ползучести  и поэтому их используют как  жаропрочные при температурах  до

   6000С.  Термическая обработка и температуры  эксплуатации могут вызвать

   изменения  в структуре стали и сделать  её хрупкой. При некоторых видах

   термического  воздействия хромистые ферритные  стали приобретают склонность

   к межкристаллитной  коррозии. Охрупчивание и снижение коррозийной стойкости

   связано  с выделением карбида хрома  и других хрупких фаз по  границам зёрен

   и обеднением  хромом твёрдого раствора в  областях, прилегающих к границам

   зёрен.

 

   При  сварке сталей мартенистого и мартенситно-ферритного класса в металле

   сварного  соединения образуются закалочные  мартенситные структуры, имеющие

   высокую  твёрдость и малую пластичность. При определенных условиях это

   может  привести к появлению холодных  трещин. Образование трещин исключается

   предварительным  и сопутствующим подогревами  до температуры 200…4500С,

   снижением  в металле шва водорода и  применением последующего высокого

   отпуска.

 

   При  невозможности по каким-либо причинам  осуществить подогрев и

   последующую  термическую обработку применяют  сварочные материалы. Дающие

   металл  шва с аустенитной структурой.

 

   Проблема  сварки ферритных сталей - укрупнение  зерна в околошовной зоне и в

   металле сварного шва при повышении погонной энергии сварки и уменьшении

   концентрации  источника сварочной теплоты.  По этой причине становится

   нежелательным применение сопутствующего или предварительного прогрева и

   последующего  отпуска для предотвращения появления  холодных трещин. Сплавы

   и стали   классифицируют по системе легирования,  структурному классу,

   свойствам  и служебному назначению. По системе  легирования их делят на два

   основных типа: хромоникелевые и хромомагниевые. Существуют также

   хромоникельмолибденовые  и хромоникельмарганцевые стали. В зависимости от

   структуры, получаемой при охлаждении на воздухе, различают следующие

   классы  сталей: аустенитно-мартенситные, аустенитно-ферритные,  аустенитные.

   Сплавы  на железоникелевой (при содержании более 30%) и никелевой основах

   по  структуре являются стабильно  аустенитными и не имеют структурных

   изменений  при охлаждении на воздухе.  В настоящее время используют  также

   боридные аустенитные стали и сплавы, основная структура которых - аустенит

   с включениями  боридной фазы.

 

   При  сварке аустенитных сталей и сплавов в металле шва и околошовной зоне

   могут  возникнуть горячие трещины. Для  их предупреждения существуют

   несколько  способов. Один из них - создание  в шве двухфазной структуры,

   способствующей  измельчению зерна в металле  шва и уменьшению ликвации. В

   большинстве случаев для этого в структуре шва достаточно иметь 2…3%

   первичного d-феррита, что обеспечивается  легированием шва

   ферритообразующими элементами (титаном, молибденом, кремнием и др.).

 

   Двухфазная  структура в стабильно аустенитных сталях и сплавах может быть

   создана за счёт выделения в металле шва карбидов или боридов. Для

   получения  аустенитно-карбидной структуры  шов легирую углеродом и

   карбидообразующими  элементами - ниобием или титаном.  Однако углерод резко

   повышает  склонность швов к межкристаллической  коррозии. Поэтому этот

   способ  применим только при сварке  жаропрочных и жаростойких сталей.

   Получение  аустенитно-боридной структуры достигается легированием шва

   0,2…0,7% бора. При больших содержаниях  бора в швах могут появиться

   холодные  трещины, для предупреждения которых  требуется предварительный или

   сопутствующий  подогрев до температуры 250…3000С.

 

   При  сварке чисто аустенитных сплавов в них ограничивают содержание вредных

   примесей (серы, фосфора, висмута) и других  элементов, образующих

   легкоплавкие  эвтектики (кремния, титана, алюминия  и ниобия). Положительное

   действие  оказывают легирование этих сплавов  молибденом, вольфрамом,

   танталом  и замена части никеля марганцем.

 

   Измельчение  структуры швов высоколегированных  сталей и сплавов достигается

   также  использованием для сварки фторидных  флюсов и электродов с

   фторитсто-кальциевым покрытием. Большое внимание обращают на технику и

   режим  сварки, определяющие форму шва  и характер кристаллизации его

   металла.  Уменьшение коэффициента формы  шва, малые зазоры между кромками

   повышают  вероятность появления горячих  трещин. Сварка электродными

   проволоками  малого диаметра (до 2 мм) и умеренные  режимы сварки повышают

   стойкость  швов к горячи трещинам.

 

   От  состава и структуры и металлургического  способа получения стали зависит

   появление  трещин в околошовной зоне в процессе длительной эксплуатации при

   температурах 550…7700С (так называемых локальных разрушений).

 

   При  работе изделий в интервале  температур от 350 до 5000С в ферритных и

   аустенитно-ферритных  швах, содержащих 15…20% сложнолегированного феррита,

   может  появиться 475-градусная, или тепловая, хрупкость. Она не

   сопровождается  заметными структурными изменениями.  Предотвращение

   охрупчивания швов подобного типа достигается ограничением в металле

   феррита.  Выдержка аустенитных аустенитно-ферритных сталей при температурах

   550…8750С  приводит к охрупчиванию в результате выпадения s-фазы,

   представляющей  собой интерметаллид. Предупреждение того вида охрупчивания

   достигается  закалкой с температуры 1050…11000С,  а в двухфазных

   аустенитно-ферритных  сталях - ограничение содержания первичного феррита

   (менее  20%).

 

   Необходимо  отметить, что из-за высокого коэффициента  теплового расширения

   высоколегированных  сталей значительно возрастает  суммарная пластическая

   деформация  металла шва и околошовной зоны. В результате самонаклёпа

   жёстких  соединений (при сварке многослойных  швов) количество феррита в

   металле может повышаться. При длительной эксплуатации сварное соединение

   стареет  в результате выделения по  границам зёрен карбидов и

   интерметаллидов. Для уменьшения старения следует снижать содержание в

   металле углерода. Этому же служит термическая обработка с нагревом выше

   температура  распада карбидов и интерметаллидов (выше 900…9500С).

 

   Большинство  высоколегированных сталей и  сплавов широко используются  как

   корозийностойкие материалы. Однако под действием агрессивной среды в

   сварных  соединениях могут наблюдаться  различные виды коррозийного

   разрушения, связанные с перераспределением  хрома. Под действием хрома.  Под

   действием  критических температур (500…8000С)  по границам зёрен выделяются

   карбиды,  обогащённые хромом. Одновременно  происходит обеднение хромом

   приграничных  слоёв зёрен. Которое ведёт к потере стойкости к действию

   агрессивной  среды и проявлению межкристаллитной  коррозии. Межкристаллитная

   коррозия  наблюдается в металле шва,  околошовной зоны или в узкой зоне на

   границе  сплавления (ножевая коррозия). Появление  ножевой коррозии может

   быть  связано с условиями нагрева  при сварке или эксплуатации  изделия в

   интервале критических температур при сварке многослойных или

   перекрещивающихся  швов, при смене электрода и  т. д. снижает коррозийную

   стойкость  сварных соединений.

 

   Предупреждение  склонности сплавов к межкристаллитной  коррозии достигается:

 

   снижением  содержания углерода и легированием  сильными карбидообразующими

   элементами - титаном, ниобием, имеющими большее  сродство к углероду, чем

   хром. Обычно должны выдерживаться  соотношения Ti>5(C - 0.02) и Nb>10C;

 

   формирование  двухфазной аустенитно-ферритной  структуры с содержанием

   феррита  до 20…25%;

 

   Термической обработкой (закалка для сталей Х18Н10 с температуры

   1050…11000С  или стабилизирующий отжиг в  течение 2…3 ч при температурах

   700…7800С - для хромистых сталей). При нагреве под закалку карбиды

   растворяются, при быстром охлаждении углерод  фиксируется в твёрдом

   растворе (аустените). Однако повторный нагрев может снова вызвать

   межкристаллитную  коррозию шва. При стабилизирующем  отжиге происходит более

   полное  выпадение карбидов и выравнивание  концентрации хрома по объёму

   зерна.

 

   Предотвращение  ножевой коррозии обеспечивается  приёмами, снижающими

   перегрев металла в околошовной зоне (сварка короткой дугой, ускоренное

   охлаждение  и др.).

 

   Для  уменьшения общей коррозии следует  применять технику и технологию

   сварки, при которых металл шва не  отличается по химическому составу  от

   основного  металла.

 

   Коррозийное  растрескивание наблюдается в  сварных соединениях на

   аустенитных сталях при совместном действии агрессивной среды и

   растягивающих  напряжений. Снижение уровня остаточных растягивающих

   напряжений  и образование двухфазной аустенитно-ферритной или

   аустенитно-боридной структуры - главные способы борьбы с этим видом

   разрушения  сварных соединений.

 

   Высокая  коррозийная стойкость сталей  при повышенных температурах  в газовых

   средах (жаростойкость) определяется возможностью образования и сохранения

   на  их поверхности плотных и прочных  плёнок оксидов. Это достигается  их

   легированием  кремнием и алюминием. Требуемую  жаростойкость металла шва

   обычно  получают за счёт максимального  сближения химических составов  шва и

   основного  металла.

 

   Общие  технологические приёмы при сварке. Высоколегированные стали и сплавы

   сваривают  следующими способами сварки: ручной  дуговой покрытыми

   электродами,  дуговой под флюсом, в защитных газах плавящимся и не

   плавящимся  электродом, электрошлаковой сваркой.  Применяют также сварку

   лучом  лазера и электронно-лучевую сварку.

 

   Теплофизические  и химические свойства высоколегированных  сталей и сплавов

   определяют  следующие особенности их сварки: