Конспект, страница 4

В первом случае металл шва близок по химическому составу к основному. Термообработка заключается в закалке с высоким отпуском, иногда проводится лишь высокий отпуск – для получения более равновесных структур и полного снятия сварочных напряжений. Повышается пластичность и ударная вязкость.

Если сварные соединения работают при температуре выше 450^оС, когда при эксплуатации по линии сплавления возможно развитие диффузионных процессов, в частности миграции углерода, для сварки используются присадочные материалы, близкие по составу к свариваемой стали. Так, при ручной дуговой сварке применяют электроды марки ЦЛ-17 (тип Э-10Х5МФ), а при автоматической под флюсом АН-15 - сварочную проволоку Св-10Х5М. В этом случае для предотвращения образования холодных трещин сварку выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом свариваемых изделий до 300 – 350^оС, а сварочные материалы подвергают высокотемпературной прокалке перед сваркой (для удаления углерода). После окончания сварки необходимо использовать отпуск сварных соединений при температуре 750 -–760^оС со скоростью охлаждения не более 50^оС/час для снятия остаточных сварочных напряжений, стабилизации структуры твёрдости и других механических свойств.

Термообработка после сварки не проводится, если для сварки применяли аустенитные присадочные материалы. Металл шва получается с аустенитной структурой. Шов отличается высокой пластичностью и ударной вязкостью. Для равнопрочности с основным металлом увеличивают сечение шва. В этом случае металл шва, отличаясь по химическому составу от О. М., сохраняет высокую деформационную способность и имеет повышенную стойкость околошовной зоны к образованию холодных трещин.

Если температура эксплуатации сварных соединений ниже 450^оС, а толщина свариваемых элементов менее 20 мм, появляется возможность отказа от подогрева свариваемых изделий и термической обработки сварных соединений за счёт применения аустенитных присадочных материалов, обеспечивающих получение пластичного металла шва. В этом случае для ручной дуговой сварки используются электроды марок ЦЛ-9, ОЗ-6 или другие типы Э-10Х25Н13Г2Б, а для автоматической сварки под флюсом АН-22 - проволока Св-Х20Н9Г7Т.

Серьёзной проблемой свариваемости является пониженная сопротивляемость горячим трещинам. Элементы, обусловливающие образование горячих трещин – сера, углерод, фосфор, кремний, медь, никель. Элементы, повышающие стойкость и нейтрализующие действие серы – Mn, O₂, Ti, Cr, V. Меры предупреждения трещин – технологические и металлургические.

Тема 4. Сварка высоколегированных сталей и сплавов.

Особыми физическими свойствами (коррозионной стойкостью, жаростойкостью, жаропрочностью и т. д.) обладают высоколегированные стали и сплавы на железной, железоникелевой и никелевой основах.

Высоколегированные стали – это сплавы на железной основе, содержащие от 5 до 55% легирующих элементов. Сплавы на никелевой основе содержат Ni >= 55%.

Высоколегированные стали и сплавы широко используются в химической и нефтехимической промышленности, в авиационной и ракетной технике, в атомном и энергетическом машиностроении, при изготовлении печного оборудования и пищевой аппаратуры.

В зависимости от основных свойств высоколегированные стали подразделяются на следующие группы:

Коррозионно-стойкие – стойкость против электрохимической, межкристаллитной и т. д. коррозии.

Жаростойкие (окалиностойкие) – стойкость против химического разрушения поверхности в газовых средах при температурах выше 550^оС, работающие в ненагруженном состоянии.

Жаропрочные – работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение времени.

Заданные основные свойства и соответствующая работоспособность зависят от химического состава и системы легирования. В соответствии с хим. составом стали подразделяются на следующие структурные классы.

1. Мартенситные – структура мартенсит.

2. Мартенситно-ферритные – структура мартенсит + не менее 5 – 10% феррита.

3. Ферритные – структура феррит.

4. Аустенитно-мартенситные.

5. Аустенитно-ферритные.

6. Аустенитные.

Cтруктура стали и сварных швов определяется соотношением содержащихся в ней аустенизирующих (Ni, C, N, Mn,Cu) элементов и ферритизирующих (Cr, Al, V, Ti, Si, Nb, Mo, W). Диаграмма Шеффлера – применяется для определения структуры швов. Увеличение того или другого легирующего компонента расширяет или сужает ту или иную структурную область, изменяя при этом свойства стали, сварных швов, их работоспособность. Например, введение в 11 – 13%-ные хромистые стали 1 – 2% никеля, т. е. аустенизатора, улучшает их прокаливаемость и предотвращает получение структурно свободного феррита, вследствие чего повышаются прочность и пластичность закалённого и отпущенного металла.

4.1. Сварка жаропрочных мартенситных сталей типа 15Х11В2МФ.

Жаропрочные 12%-ные хромистые стали, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием, обладают по сравнению с низколегированными теплоустойчивыми сталями повышенной жаростойкостью и жаропрочностью. Так, предел длительной прочности сталей 15Х11МФ, 15Х11В2МФ и 15Х12ВНМФ при температурах 50 – 610^оС за 100.000 часов изменяется в пределах 10 – 16 кгс/мм².

Применение этих сталей вместо перлитных позволяет повысить рабочие температуры и давление пара в котлотурбинных установках без значительного увеличения толщины сечения рабочих элементов.

Вследствие дополнительного легирования молибденом, вольфрамом в структуре стали, наряду с мартенситом, может содержаться до 20 – 40% феррита, независимого от температуры закалки. Установлено, что лучшими характеристиками жаропрочности обладают стали, содержащие не более 15 – 20% структурно свободного феррита. Более высокий процент обуславливает резкое разупрочнение стали при высоких температурах, нестабильность свойств, снижение пластичности. Для снижения феррита их легируют никелем и марганцем или повышают содержание в них углерода. Т. е. эти элементы сужают область существования -фазы. Наличие -фазы и % её содержания в М. М. и зоне сплавления зависит от системы легирования.

С целью предотвращения развития диффузионных процессов в зоне сплавления при эксплуатации сварных соединений химический состав швов стремятся приблизить к химическому составу свариваемой стали. При этом содержание -феррита в швах стремятся ограничить 10%, т. к. при большем содержании -феррита снижается как длительная прочность, так и ударная вязкость швов. Последнее достигается введением повышенного содержания углерода в швы (0,10 – 0,14%) и дополнительным легированием их никелем (0,6 – 1,0%). Так, для сварки стали 15Х11МФ рекомендуются электроды КТН-9 (тип Э-12Х11НМФ), а для стали 15Х11В2МФ электроды ЦЛ-32 (тип Э-12Х11НВМФ) и при сварке под окислительным флюсом АН-17 проволока ЭП-390 (Св-15Х11ГНВМФ).

Сварка сталей обусловлена рядом трудностей.

1. Из-за низкой теплопроводности стали в зоне сварки возникает высокий градиент температур и, вследствие этого, повышенный уровень временных и остаточных сварочных напряжений.

2. Мартенситное превращение в этих сталях отрицательно влияет на образование холодных трещин в металле шва и ЗТВ. В ЗТВ обязательно образуется мартенсит, т. к. мартенситный распад происходит при пониженных температурах (~ 150^оС) и этим исключается протекание самоотпуска. Образующийся мартенсит в этих условиях имеет повышенный уровень микронапряжений и повышенную хрупкость.

3. В связи с тем, что мартенситные стали являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска (структура сорбит), участки ЗТВ, нагревавшиеся при сварке до температуры, близкой к А₁ (723^оС), разупрочняются. Такое разупрочнение отрицательно влияет на жаропрочность. Разупрочнённые участки ЗТВ не могут быть ликвидированы последующей после сварки простой термообработкой – отпуском - и требуют сложной, двойной термообработки – нормализация с отпуском.

Высокохромистые стали можно сваривать различными способами сварки. Общим условием является использование технологии с наименее интенсивным тепловым воздействием сварочного источника теплоты на участки ЗТВ. Это уменьшает размеры мартенситной зоны. Для устранения градиента температур и уменьшения сварочных напряжений стали перед сваркой подогревают.

Повышенная склонность свариваемого металла и металла шва к образованию мартенсита и других закалочных структур требует применения высокого подогрева при сварке. Так, при толщине свариваемых элементов свыше 30 мм необходимая температура их подогрева составляет 350 – 400^оС.

Распад мартенсита протекает в более благоприятных условиях. Подогрев может быть недостаточным для предотвращения холодных трещин, они могут возникнуть сразу после сварки или в процессе охлаждения. Для их предупреждения после окончания сварки рекомендуется задержание охлаждения сварного соединения при 100 – 150^оС для распада остаточного аустенита в мартенсит с последующим высоким отпуском сварных соединений при температуре 740 – 760^оС в течение 5 –7 часов. Время выдержки зависит от содержания в стали углерода и толщины свариваемого изделия.

Такой термический режим сварки и режим термической обработки обеспечивает сорбитообразующую структуру и наиболее оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств. В связи с высоким уровнем легирования 12%-ные хромистые жаропрочные стали являются структурно-стабильными (отпускоустойчивыми) и в сравнительно малой степени подвержены разупрочнению при сварке. Длительная прочность сварных соединений составляет 85 – 95% от длительной прочности основного металла.

Мартенситные жаропрочные стали сваривают с присадочными материалами, обеспечивающими металл шва, по составу и свойствам близкий к основному. В этом случае должны соблюдаться все отмеченные выше условия сварки.

Иногда для монтажных или ремонтных условий, где проведение термообработки связано с большими трудностями, для сварки можно применять аустенитные присадочные материалы.

4.2. Сварка ферритных сталей типа 12Х17, 15Х25Ю5.

Стали, содержащие от 15 до 30% хрома, являются коррозионно-стойкими. Легирование их титаном или ниобием повышает сопротивление межкристаллитной коррозии, а легирование алюминием увеличивает жаростойкость (сопротивление окислению при высоких температурах).

Стали ферритного класса – однофазные, но они не закаливаются, т. к. не подвержены структурным превращениям при нагреве и охлаждении.

Ухудшение свариваемости сталей связано с тремя причинами:

1. Повышенной склонностью к росту ферритного зерна, неустраняемое термической обработкой.

2. Склонностью металла к охрупчиванию.

1. Возможностью межкристаллитной коррозии.

Склонность к росту зерна. Отсутствие в этих сталях фазовых или структурных превращений делает последующее измельчение зерна в процессе охлаждения невозможным.

В результате роста зерна снижается прочность, ударная вязкость и пластичность при комнатных (и более низких) температурах.

Однако пластичность околошовной зоны и металла шва резко возрастает с повышением температуры до 100 – 200^оС, что связано с переходом через порог хладноломкости. Так, если при 20^оС ударная вязкость зоны термического влияния стали 08Х17Т толщиной 10 мм составляет около 10 дх/см² (1 кгс/см²), то при 160^оС она достигает 200 дх/см² (20 кгс/см²).

Для предупреждения роста зерна следует создавать тепловой режим сварки, исключающий перегрев металла. Выгодны режимы с малой погонной энергией и высокой плотностью мощности, а также специальные технологические приёмы (сварка короткими участками, валиками малых сечений, с перерывами и т. д.).

Для измельчения зерна целесообразно применять сварочные материалы, содержащие элементы – модификаторы (Al; Ti и т.д.).

Склонность металла к охрупчиванию –

потеря пластичности при нагреве металла шва и О.М.З. до высоких температур.

Известны два основных вида охрупчивания металла при сварке сталей ферритного класса.

1. Тепловое охрупчивание (475 – градусная хрупкость). Появляется при нагреве металла в интервале температур 350 – 500^оС. Способствуют такие элементы как Cr,V, Si, Nb, в меньшей мере – Ti, Al. Точные причины не установлены, предполагают, что причиной тепловой хрупкости может быть выпадение субмикроскопических частиц по границам зёрен феррита.

2. Снижение пластичности металла вследствие выпадения вторичных карбидов хрома по границам зёрен. Карбиды не могут противостоять возникающим в металле напряжениям, результатом чего становится охрупчивание металла и возможность образования холодных трещин.

Чтобы предупредить охрупчивание второго вида и возникновение холодных трещин, при сварке используют предварительный и сопутствующий подогрев свариваемых изделий выше температурного интервала хрупкости (150 – 180^оС). Второй мерой, ослабляющей эффект охрупчивания М. М. служит уменьшение содержания углерода и азота.

3. Межкристаллитная коррозия металла – протекает преимущественно по границам зёрен после нагрева до температуры выше 900^оС.

Межкристаллитная коррозия связана с образованием по границам зёрен карбидов хрома и обеднением в связи с этим пограничных участков зёрен хромом. Пониженное содержание хрома по границам зёрен приводит к их повышенному поражению коррозией.

Под влиянием окружающей среды (кислорода) зёрна феррита, содержащие большое количество хрома, и обогащённые хромом карбиды приобретут положительный потенциал. Периферийные участки зёрен, обеднённые хромом, приобретут отрицательный потенциал. Создаётся большое количество микрогальванопар, где катодом являются зерно феррита и карбиды, а анодом – обеднённые хромом участки зерна. Возникающий коррозионный ток достигает значительной величины и процесс межкристаллитной коррозии активно развивается. Напряжённое состояние участков повышает эффективность процесса.

Склонность к межкристаллитной коррозии устраняется введением в металл титана в количестве, в 5 раз большем, чем содержание углерода для связывания углерода и предотвращения образования карбидов хрома по границам зёрен.