Свариваемость сталей

Термокинетическая диаграмма распада аустенита стали марки 08X13 с содержанием углерода менее 0,08 % имеет две области превра­щения: в интервале 600 ... 930 °С, соответствующем образованию фер-ритно-карбидной структуры, и 120 ... 420 °С - мартенситной (рис. 8.3). Количество превращенного аустенита в каждом из указанных темпера­турных интервалов зависит главным образом от скорости охлаждения. Например, при охлаждении со средней скоростью 0,025 °С/с превраще­ние аустенита происходит преимущественно в верхней области с образо­ванием феррита и карбидов. Лишь 10 % аустенита в этом случае превра­щается в мартенсит в процессе охлаждения ниже 420 °С. Повышение скорости охлаждения стали до 10 °С/с способствует переохлаждению аустенита и полному его бездиффузионному превращению ниже темпе­ратуры начала мартенситного превращения (420 °С). Изменения в струк­туре, обусловленные увеличением скорости охлаждения, влияют и на механические свойства сварных соединений. С возрастанием доли мар­тенсита наблюдается снижение ударной вязкости. Увеличение содержа­ния углерода приводит к сдвигу в область более низких температур границ

СВАРКА МАРТЕНСИТНО-ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ

Рис. 8.3. Термокинетическая диаграмма распада аустенита

при непрерывном охлаадении 13 %-ной хромистой стали

с различным содержанием углерода

превращения γ→α + (К) и γ→α + (М) сталей с содержанием углерода 0,10 ... 0,25 %, в результате полное мартенситное превращение происхо­дит при охлаждении со скоростью 1 °С/с.

В связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях этих сталей возможно образование холодных трещин. Склонность к об­разованию трещин при сварке зависит от характера распада аустенита в процессе охлаждения.

При формировании мартенситной структуры ударная вязкость свар­ных соединений 13 %-ных хромистых сталей снижается до 0,05 ... 0,10 МДж/м². Последующий отпуск при 650 ... 700 °С приводит к распа­ду структуры закалки, выделению карбидов, в результате чего тетраго-нальность мартенсита уменьшается. После отпуска ударная вязкость воз­растает до 1,0 МДж/м².

Образование значительного количества феррита в структуре около­шовного металла уменьшает склонность сварных соединений к холод-

338 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

ным трещинам. Это характерно для 13 %-ных хромистых сталей с содер­жанием С < 0,1 %. Количество δ-феррита в структуре околошовного ме­талла зависит от температуры нагрева. В участках, нагреваемых до тем­ператур, близких к температуре солидуса, количество δ-феррита в струк­туре может стать подавляющим. Такая структура характерна для участка зоны термического влияния, примыкающего к линии сплавления. Шири­на этого участка мало зависит от температуры подогрева, но возрастает с увеличением погонной энергии сварки. Для сталей 08X13 и 08X14МФ увеличение ширины участка с большим количеством δ-феррита отрица­тельно влияет на вязкость сварных соединений.

Сварка мартенситно-ферритных сталей производится в основном с предварительным и сопутствующим подогревом. Даже для стали марки 08X13 с наиболее низким содержанием углерода при сварке рекоменду­ется подогрев до 150 ... 250 °С с последующей термической обработкой.

Дополнительное легирование стали 08X14МФ карбидообра-зующими элементами снижает эффективное содержание С. Тетрагональ-ность мартенсита уменьшается, и сталь, легированная дополнительно Мо и V, может свариваться без подогрева.

Технология сварки и свойства соединений

Для стали 08X13 применяют различные способы сварки: ручная по­крытыми электродами и в защитных газах, автоматическая под флюсом.

Наибольшее распространение имеют сварочные электроды и прово­локи, обеспечивающие получение аустенитного наплавленного металла (электроды типа Э-10Х25Н13Г2, проволока Св-07Х25Н12Г2Т). Приса­дочные материалы для ручной дуговой сварки (электроды типа Э-10Х18Н2), аргонодуговой и автоматической сварки под флюсом (про­волока Св-08Х18Н2ГТ и Св-08Х14ГНТ) стали 14Х17Н2 по химическому составу близки к основному металлу.

Сварные соединения мартенситно-ферритных сталей должны быть подвергнуты термическому отпуску для "смягчения" структур закалки и снятия остаточных напряжений.

Так как для сталей 08X13, 08Х14МФ, 12X13 и 20X13 применяют в основном аустенитные сварочные материалы, прочностные свойства их сварных соединений ниже по сравнению с основным металлом. Равно-прочность достигается при использовании для сварки электродов и про­волок, обеспечивающих получение металла швов с мартенситной струк­турой.

СВАРКА ФЕРРИТНЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

8.5. СВАРКА ФЕРРИТНЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ Состав и свойства сталей

При содержании свыше 12 % Сг стали, структура которых соответ­ствует этой области диаграммы Fe-Cr, относят к ферритным. Граница области у-твердых растворов изменяется в зависимости от содержания С (рис. 8.4). Перемещение границы у-области в сторону больших концен­траций Сг при введении С связано с уменьшением растворенного Сг вследствие образования стабильных его карбидов. В связи с этим фер-ритные стали с обычным содержанием С легированы Сг в количестве не менее 16 %.

По сопротивляемости коррозии ферритные стали 08X17Т, 15Х25Т и другие не уступают хромоникелевым аустенитным сталям и значительно превосходят их по стойкости к коррозионному растрескиванию. При дополнительном легировании А1 и Si хромистые ферритные стали могут быть использованы для изготовления оборудования, работающего в ус­ловиях окисления при температурах до 1200 °С (табл. 8.6).

Применению ферритных сталей с обычным содержанием С и N пре­пятствуют случаи хрупкого разрушения конструкций как в процессе из­готовления, так и при транспортировке и эксплуатации. Высокая чувст­вительность к надрезу при нормальной температуре затрудняет их при­менение для изготовления оборудования, работающего в условиях удар­ных и знакопеременных нагрузок.

Повышение пластичности и вязкости хромистых ферритных сталей возможно при ограничении в их составе примесей внедрения (до 0,015 ... 0,020 % в сумме) при выплавке в специальных вакуумных печах.

Рис. 8.4. Положение области у в диаграмме состояния сплавов с различным содержанием углерода (схема)

340 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

8.6.. Химический состав некоторых марок

хромистых ферритных сталей

Содержание элементов, % по массе

Марка стали	Содержание элементов, % по массе
C	Si	Mn	S	P	Cr	Ti	Другие Элементы
08Х17Т	0,08	0,8	0,8	0,025	0,035	16,0…18,0	0,5…0,80	-
15Х25Т	0,15	1,0	0,8	0,025	0,035	24,0…27,0	0,5…0,90	-
08Х23С2Ю	0,08	1,5…1,8	0,4…0,7	0,015	0,03	22,0…24,0	-	А1=1,1… 1,6

СВАРКА ФЕРРИТНЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

К хромистым ферритным сталям, произведенным в открытых печах, практически не предъявляют требований по ударной вязкости, а оговари­вают в основном минимально допустимые значения прочности (370 ... 460 МПа) и пластичности (δ = 14 ... 18 %).

Свариваемость сталей

Высокохромистые стали ферритного класса склонны к дополни­тельному охрупчиванию под воздействием нагрева. Ударная вязкость и пластичность металла в зоне термического влияния сварных соединений приближаются к нулю. У этих сталей не удается предотвратить интен­сивный рост зерна при сварке плавлением. Наиболее крупные зерна обра­зуются на участке перегрева, где температура достигает Т_сол. Охрупчива-ние околошовного участка распространяется на слой, непосредственно примыкающий к линии сплавления и нагретый выше 1000 °С.

Охрупчивание ферритных сталей возможно также после выдержки в интервалах температур, способствующих образованию σ-фазы (550 ... 850 °С) и 475 °-ной хрупкости (400 ... 550 °С). Ударная вязкость стали после кратковременного нагрева до 475 °С снижается до 0,3 против 0,9 МДж/м².

Хрупкость при 475 °С может быть устранена нагревом до 750 ... 760 °С, который практически полностью восстанавливает исход­ный уровень пластичности и вязкости стали. Более высокие температуры нагрева не эффективны, так как способствуют росту ферритного зерна и

появлению хладноломкости при нормальной температуре вследствие формирования грубозернистой структуры. Во избежание образования трещин сварку, правку и все операции, связанные с ударными нагрузка­ми, рекомендуется проводить с подогревом до 150 ... 200 °С.

Однако подогрев при сварке отрицательно влияет на пластичность металла с ферритной структурой, так как уменьшает скорость охлажде­ния и увеличивает продолжительность выдержки в интервале темпера­тур, близких к 475 °С. Ускоренное охлаждение (100 °С/с) повышает пла­стичность стали со структурой перегрева.

Технология сварки и свойства соединений

В качестве присадочных материалов для ручной дуговой сварки, сварки под флюсом и в защитных газах преимущественно применяют хромоникелевые сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие по­лучение наплавленного металла типа Х25Н13 с аустенитной структурой.

При наличии требований по МКК для сварных соединений приме­няют присадочные материалы, легированные No или Ti и А1. Для сварки узлов из стали 08X17Т в химическом машиностроении применяют ино­гда электроды типа Э-10Х17Т. Проволоку Св-10Х17Т используют также при аргонодуговой сварке и автоматической сварке под флюсом. В слу­чае применения аустенитных электродов 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, то пластичность и ударная вязкость металла шва крайне низкие и какие-либо требования к этим характеристикам не предъявляются.

В связи с невозможностью измельчения структуры ферритных сталей методами термической обработки хрупкость их 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 спо­собствует также снижению склонности к межкристаллитной коррозии.

342 ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ ВЫСОКОХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ

Контрольные вопросы

1. Как изменяется структура высокохромистых сталей в зависимости от концентрации хрома и углевода?

2. Какой состав присадочного металла используют для сварки хро­мистых сталей с целью уменьшения вероятности образования холодных трещин?

3. Какие виды подогрева и в каком диапазоне температур использу­ют при сварке хромистых сталей для предотвращения образования хо­лодных трещин?

4. Какие виды термообработки используют для повышения пластич­ности сварных соединений хромистых сталей?

Глава 9

ТЕХНОЛОГИЯ СВАРКИ