Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

ты (например, дуговая сварка предпочтительнее газовой) и малой погонной энергией.

Особо высокую склонность к межкристаллитной коррозии ферритные стали приобретают после быстрого охлаждения. Для восстановления стойкости к межкристаллитной коррозии возможно применение высокого отпуска, причем его температура и длительность для различных сталей различны.

8.3. ВЫБОР ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА СВАРКИ

Сварку высокохромистых ферритных сталей следует выполнять при умеренных режимах, так как уменьшение погонной энергии способствует снижению порога хладноломкости ферритных сталей. Рекомендуется после наложения каждого валика охлаждать металл околошовной зоны соединения до температуры ниже 100 °С, что обеспечивает минимальный рост зерен.

Иногда для сталей ферритного класса рекомендуют проводить сварку с предварительным подогревом (табл. 8.4). Подогрев следует назначать исходя из значения температуры перехода в хрупкое состояние в исходном состоянии и после воздействия термического цикла сварки. С учетом этого во избежание образования трещин сварку, гибку, правку и все операции, связанные

Таблица 8 . 4 Особенности теплового режима сварки ферритных сталей

151

с ударными нагрузками, при изготовлении узлов химического оборудования из сталей 08X17Т и 15Х25Т в ОСТ 26-01-82–77 рекомендуется проводить с подогревом до 150–200 °С.

Однако подогрев может оказать отрицательное влияние на пластичность и ударную вязкость околошовного металла с ферритной структурой, так как способствует уменьшению скорости охлаждения и увеличению продолжительности нагрева в интервале температур, близких к 475 °С. Не влияя на уровень ударной вязкости, ускоренное охлаждение повышает пластичность стали 15Х25Т со структурой перегрева. Например, относительное удлинение образцов из стали 15Х25Т, подвергнутой нагреву до 1400 °С с последующим быстрым охлаждением со скоростью ~100 град/с, составило 8 % против 0–2 % в случае медленного охлаждения (2 и 10 град/с).

8.4. ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ И СВОЙСТВА СОЕДИНЕНИЙ

При выборе электродов для сварки высокохромистых сталей ферритного класса необходим различный подход в зависимости от содержания в сталях хрома. Для сварки конструкций из ферритных сталей, содержащих 17 % хрома, к которым предъявляются требования по коррозионной стойкости в жидких окислительных средах или по жаростойкости при температуре до 800 °С, ГОСТ 10052–75 регламентирует электроды типа Э-10Х17Т (марки ЦЛ-10, ВИ-12-6 и др.), обеспечивающие наплавленный металл, который удовлетворяет указанным требованиям.

Применение электродов, однородных по химическому составу с ферритными сталями, содержащими 25–30 % хрома, не рекомендуется, так как сварные швы с таким содержанием хрома имеют низкую пластичность и, особенно, ударную вязкость, а также высокую склонность к межкристаллитной коррозии. ГОСТ 10052–75 не предусматривает применение электродов ферритного класса для сталей такого типа, поэтому для сварки ферритных сталей, содержащих 25 % хрома и более, рекомендуются хромоникелевые

152

феррито-аустенитные электроды типа Э-08Х24Н6ТАФМ, обеспечивающие после отпуска наплавленный металл с высокой пластичностью и ударной вязкостью, а также стойкий к межкристаллитной коррозии. В качестве присадочных материалов для ручной дуговой сварки, автоматической сварки под флюсом и в защитных газах преимущественно применяют хромоникелевые сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие получение наплавленного металла типа Х25Н13 с аустенитной структурой (табл. 8.5).

Таблица 8 . 5 Механические свойства сварных соединений ферритных сталей

*Для всех видов электродов КСU = 0,5 МДж/м2, угол загиба 90°.

**Для Св-02Х19Ю36-ВН KCV = 0,5 МДж/М2, угол загиба 90°.

153

При наличии требований по межкристаллитной коррозии для сварных соединений применяют присадочные материалы, легированные Nb или Ті и Аl. Несмотря на высокую хрупкость металла шва, для сварки узлов из стали 08X17Т в химическом машиностроении применяют иногда электроды типа Э-10Х17Т (УОНИ/10Х17Т), изготавливаемые на проволоке Св-10Х17Т. Эту же проволоку используют при аргонодуговой сварке, а также автоматической сварке под флюсом. Ударная вязкость металла шва в таких случаях составляет не более 0,05 МДж/м2. Деформация сварных соединений без нагрева невозможна в связи с растрескиванием металла шва и околошовной зоны.

Всвязи с невозможностью измельчения структуры ферритных сталей методами термической обработки хрупкость сварных соединений является необратимой. Термическая обработка, применяемая для сварных соединений сталей ферритного класса, положительно сказывается в основном на снижении уровня остаточных напряжений. Отжиг при 760 °С является универсальным для сталей ферритного класса. При этой температуре практически полностью релаксируют остаточные напряжения. Этот режим целесообразен также для устранения восприимчивости к межкристаллитной коррозии. Нагрев при 760 °С значительно увеличивает деформационную способность сварных соединений сталей 08Х17Т и 15Х25Т.

Вчастности, после термообработки при 760 °С длительностью 2 часа возможен изгиб сварных соединений стали 08X17Т на 120°, что необходимо при испытаниях на межкристаллитную коррозию по ГОСТ 6032–75.

Втабл. 8.5 также приведены механические свойства сварных соединений хромистых ферритных сталей с обычным и низким содержанием С и N. В случае применения аустенитных элек-

тродов и проволок металл шва сварных соединений обычных и «чистых» по примесям сталей отличается высокой пластичностью и ударной вязкостью. Если для сварки применены однородные электроды и проволоки с обычным содержанием примесей,

154

то пластичность и ударная вязкость металла шва крайне низкие

икакие-либо требования к этим характеристикам не предъявляются. Лишь в случае низкого содержания примесей, что обеспечивается, например, при аргонодуговой сварке сталей ЭП882-ВИ

иЭП904-ВИ с присадочной проволокой марок Св-02Х18М2Б-ВИ

иСв-02Х19ЮЗБ-ВИ, у металла шва могут быть достигнуты вы-

сокие значения пластичности (δ5 ≥ 22 %) и ударной вязкости (KCU ≥ 0,5 МДж/м2). Ударная вязкость околошовного металла сварных соединений сталей ЭП882-ВИ и ЭП904-ВИ также составляет не менее 0,5 МДж/м2.

Для сварных соединений сталей с обычным содержанием примесей величина ударной вязкости не регламентируется. Сварные соединения всех хромистых ферритных сталей отличаются высокой коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах. Легирование основного металла и шва стабилизирующими элементами (Ті, Nb) обеспечивает стойкость сварных соединений к межкристаллитной коррозии как в исходном состоянии, так и после термической обработки.

155

9. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ АУСТЕНИТНОГО КЛАССА

9.1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И КЛАССИФИКАЦИЯ

Совместное легирование железа никелем и хромом в различных соотношениях их концентраций позволяет получать большую группу хромоникелевых аустенитных сталей и сплавов, обладающих рядом особых свойств, определяющих области их применения.

Хромоникелевые стали могут образовываться как при отношении Cr/Ni > 1, так и при Cr/Ni < 1. К первой группе относятся широко распространенные стали типа 18–8, 25–12, 25–20, ко второй – стали типа 15–15, 15–26, 15–35 и др. К аустенитным сплавам относят железоникелевые сплавы с содержанием железа и никеля более 65 % при отношении Ni/Fe = 1/1,5 и никелевые сплавы с содержанием никеля не менее 55 %.

Аустенитные стали и сплавы классифицируют по системе легирования, структурному классу, свойствам и служебному назначению. Высоколегированные стали и сплавы являются важнейшими материалами, широко применяемыми в машиностроении, химической, нефтяной, энергетической и других отраслях промышленности, для изготовления конструкций, работающих в широком диапазоне температур. Благодаря высоким механическим свойствам при отрицательных температурах высоколегированные стали и сплавы применяют в ряде случаев и как хладостойкие. Соответствующий подбор легирующих элементов определяет свойства и основное служебное назначение этих сталей и сплавов.

Одна и та же марка высоколегированной аустенитной стали может быть использована для изготовления изделий различного назначения как коррозионно-стойкая, хладостойкая, жаропрочная или жаростойкая сталь. В связи с этим и требования к свойствам сварных соединений будут различными. Это определит и различную

156

технологию сварки (сварочные материалы, режимы сварки, необходимость последующей термообработки и т.д.), направленную на получение сварного соединения с необходимыми свойствами, определяемыми составом металла шва и его структурой.

9.2. КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Коррозионно-стойкие стали – это стали, которые после высокотемпературного нагрева и охлаждения на воздухе имеют преимущественно аустенитную структуру (может содержаться не более 10 % феррита). Характерным отличием коррозионно-стойких сталей является пониженное содержание углерода (не более 0,12 %). При соответствующем легировании и термической обработке стали обладают высокой коррозионной стойкостью при 20 °С и повышенной температуре как в газовой среде, так и в водных растворах кислот, щелочей и в жидкометаллических средах. В зависимости от системы легирования данные стали классифицируются на хромоникелевые, хромомарганцевые, хромоникелевомарганцевые, хромоникельмолибденовые и др.

Хромоникелевые стали – 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 03Х18Н11, 06Х18Н11, 08Х18Н12Бидр.

Хром обеспечивает способность стали к пассивации. Присутствие хрома в количестве 18 % делает сталь стойкой во многих средах окислительного характера, в том числе в азотной кислоте в широком диапазоне концентраций и температур. Благодаря наличию в стали никеляв количестве9–12 % обеспечиваетсяаустенитнаяструктура.

В сталях типа 18–10 в зависимости от температурно-времен- ных условий обработки могут происходить следующие фазовые превращения: выделение избыточных карбидных фаз и σ-фазы при нагреве в интервале 450–900 °С, образование в аустенитной основе δ-феррита при высокотемпературном (более 1200 °С) нагреве, образование α-фазы мартенситного типа при охлаждении или холодной пластической деформации.

157

Ограничением содержания углерода (не более 0,02–0,03 %) либо легированием (стабилизацией) сильными карбидообразующими элементами (титаном или ниобием) достигается высокая стойкость сталей типа 18–10 к межкристаллитной коррозии.

Нестабилизированные стали подвергают закалке путем нагрева выше температуры растворения карбидов хрома Cr23C6 (900– 1000 °С) и достаточно быстрого охлаждения в воде или на воздухе. Стабилизированные стали закаливают также от температуры выше температуры неполного растворения карбидов ванадия VC, ниобия NbC и титана TiC (1000–1100 °С). Температура закалки определяется из расчета полного растворения карбидов хрома Cr23C6 и предупреждения чрезмерного роста зерна аустенита. Закалка является эффективным средством предупреждения склонности стали к межкристаллитной коррозии и придания стали оптимального сочетания механических и коррозионных свойств. Однако она не всегда выполнима, в таком случае применяют стабилизирующий отжиг. Температуру отжига обычно выбирают в зоне активного выделения специальных карбидов (850–950 °С).

Хромоникелевые стали широко используют в сварных конструкциях, работающих в контакте с азотной кислотой и другими средствами окислительного характера, некоторых органических кислотах, органических растворителях, в атмосферных средах и т.д.

Хромомарганцевые и хромомарганценикелевые стали –

10Х14АГ15, 10Х14Г14Н4Т, 07Х21Г7А5Н5 и др.

Марганец в сталях играет роль заменителя никеля, поскольку он более слабый аустенизатор, чем Ni, стали дополнительно легируют Ni, N либо обоими элементами. Марганец несколько снижает общую коррозионную стойкость сталей в окислительных средах, она сохраняется удовлетворительной при легировании Mn сталей вплоть до 13–14 %. Хромомарганцевые стали с содержанием 14 % Cr устойчивы к общей коррозии в атмосферных условиях, в 45%-ном растворе азотной кислоты HNO3 при температурах до 60 °С, стали с 17 % Cr – в 45%-ном растворе азотной кислоты HNO3 при температурах до 100 °С, и в 60%-ном растворе HNO3 до 60 °С.

158

Ведущей избыточной фазой, выделяющейся в хромомарганцевых и хромомарганценикелевых сталях является карбид Ме23С6. Марганец увеличивает растворимость углерода в γ-твердом растворе. Благодаря этому ударная вязкость сталей с ростом в них содержания Mn в состоянии после отпуска возрастает. Также марганец увеличивает стабильность аустенита при охлаждении и холодной пластической деформации, при этом увеличивается склонность к наклепу, что следует учитывать при операциях, связанных с холодной пластической деформацией.

Термическая обработка обычно заключается в закалке от 1000–1050 °С с охлаждением в воде или на воздухе (для стабилизированных Ti или Nb сталей). Закалка фиксирует состояние гомогенного твердого раствора, что обеспечивает оптимальное сочетание свойств.

Стали этой группы предназначены для изготовления разнообразного сварного оборудования, работающего в средах химических производств слабой агрессивности, криогенной техники, работающей до температуры –253 °С, также их используют в качестве жаростойкого и жаропрочного материала до 600–700 °С.

Хромоникельмолибденовые стали – 08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, 10Х17Н15М3Т, 03Х16Н15М3, 03Х21Н21М4ГБ и др.

Представляют собой хромоникелевые стали, дополнительно легированные 2–4 % Мо. Молибден повышает коррозионную стойкость сталей в условиях воздействия фосфорной, муравьиной, уксусной кислот и других средах повышенной агрессивности. Повышение содержания Ni по сравнению со сталями типа 18–10 сопряжено с уменьшением растворимости С и, соответственно, повышением его активности при образовании карбидных фаз. По этой причине стали этой группы часто стабилизируют Ti или Nb.

Хром, молибден и кремний в хромоникельмолибденовых сталях способствуют выделению σ-фазы при отпуске в диапазоне температур 600–900 °С. Образование σ-фазы по границам зерен может явиться причиной протекания межкристаллитной коррозии.

159

Рекомендуемой термической обработкой для всех молибденсодержащих сталей является закалка с 1050–1120 °С в воде. При повышении температуры нагрева до 1200–1250 °С в структуре закаленной сталиможетприсутствоватьнебольшоеколичествоδ-феррита.

Хромоникельмолибденовые стали применяют в сварных конструкциях, работающих в условиях воздействия сред повышенной агрессивности (фосфорной, муравьиной, уксусной кислотах).

Высококремнистые стали – 02Х18Н22С6, 15Х18Н12С4ТЮ.

Легирование 4–6 % кремния способствует высокой коррозионной стойкости в кипящих концентрированных растворах азотной кислоты HNO3, кроме того, легирование кремнием снижает склонность к межкристаллитной коррозии. Оптимальная термическая обработка – закалка при 1050 °С в воду. Структура стали после закалки представляет собой аустенит с отдельными нерастворившимися выделениями эвтектической силицидной фазы. В условиях кратковременного нагрева при 600–700 °С в стали наблюдаются межзеренные дисперсные выделения карбидов и карбосилицидов, что повышает стойкость к межкристаллитной коррозии. При дополнительном легировании Nb в количестве 0,3–0,5 % стали становятся нечувствительными к межкристаллитной коррозии.

9.3. ЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ

Жаропрочные стали обладают высокими механическими свойствами при повышенных температурах, способностью выдерживать нагрузки при нагреве в течение длительного времени, стойкостью против химического разрушения поверхности в газовых средах при 1100–1150 °С, высокой окалиностойкостью. Их применяют для изготовления элементов теплоэнергетических, химических и атомных установок, испытывающих совместное действие напряжений, высоких температур и агрессивных сред. Типовые детали: лопатки газовых турбин, камеры сгорания, горячие тракты газотурбинных двигателей, автоклавы, трубопроводы с жидким

160