Аустенитные высоколегированные стали

К этому классу относятся стали, имеющие повышенное содержа­ние легирующих элементов, которые при всех температурах обеспе­чивают аустенитную структуру металла. Наиболее распространены стали системы легирования Cr-Ni. Стали этой системы являются аустенитными при содержании хрома и никеля не менее 16 и 7% соответственно. Такие стали немагнитны, обладают высокой хлад - ностойкостью, жаропрочностью, жаростойкостью и коррозионной стойкостью в различных коррозионных средах. Как правило, они содержат минимальное количество углерода, обладая при этом дос­таточной прочностью и высокой пластичностью. При закалке эти стали приобретают повышенную пластичность.

Структурные состояния сталей этого класса могут быть весь­ма разнообразными и зависят от содержания в стали элементов ферритизаторов и аустенизаторов (рис. 8.5). Приведенная на этом рисунке структурная диаграмма Шеффлера может быть исполь­зована и для подбора сварочных материалов в связке химсостав - структура. При этом эквивалентное содержание хрома и никеля в металле шва можно определять по формулам

[М];жв = %M+30[%C]+30[%N]-K),5[%Mn];

Сг^ =%Cr+2 х [%Мо]+1,5 x [%Si]+5 x [%Ti]+

+2 x [%Nb]+2 x [%A1]+ 1,5 х [%WJ+%V.

Подсчет содержания элементов в металле шва по этим формулам производят с учетом долей основного и дополнительного металла.

Особенностей свариваемости сталей этого класса, которые нужно учитывать при разработке технологии, несколько.

1. Опасность возникновения в металле шва и ЗТВ так называе­мой межкристаллитной коррозии (МКК). Механизм этого яв­ления, возникающего в определенной температурно-временной области, заключается в обеднении хромом пограничных обла­стей зерен металла за счет его диффузии к границам зерен и образованию там карбидов хрома.

Причиной этому может служить неблагоприятный режим сварки (рис. 8.6) (малые скорости охлаждения), когда есть достаточно вре­мени для диффузии атомов хрома из приграничных районов зерна к его границам и образованию там карбидов, что приводит к появле­нию зон металла, обедненных хромом. Они-то и подвергаются корро­зионному разрушению при работе изделия в агрессивных средах.

Рис. 8.6. Схематическое изображение области появления МКК аустенитной стали при ее нагреве:

1 - скорость охлаждения, способствующая выпадению карбидов; 2 - скорость охлажде­ния, не приводящая к выпадению карбидов; 3 - начало появления склонности металла к МКК; 4 - окончание процесса образования карбидов;

5 - первоначальная склонность к МКК (Гим)

Для предупреждения МКК принимают ряд мер. Стараются сни­зить содержание углерода в стали до 0,02...0,03% (это уменьшает ко­личество карбидов, так как такое содержание углерода полностью растворимо в твердом растворе аустенита). Часто сталь (и сварочные материалы) легируют такими элементами как титан, ниобий, вана­дий, тантал. Эти элементы являются более энергичными карбидооб - разователями, чем хром, и раньше, чем хром, образуют карбиды, по­давляя, таким образом, появление карбидов хрома.

Если не удается получить высокую скорость охлаждения сварно­го соединения, можно применить стабилизирующий отжиг при

850.. .900 °С либо провести аустенизацию — нагрев до 1050...1100 °С с последующим быстрым охлаждением. Возможно также создание в шве аустенитно-ферритной структуры с содержанием феррита до 20...25% путем дополнительного легирования хромом, кремнием, молибденом, алюминием и пр.

Реализация некоторых из этих рекомендаций технологическим путем заключается в разработке таких технологий, которые позволя­ют получать величину скорости охлаждения, попадающей для дан­ной марки стали в инкубационный период образования карбидов хрома (см. рис. 8.6, кривая 2).

2. Наличие явно выраженной крупнодендритной столбчатой структуры металла шва, что повышает его чувствительность к

образованию горячих трещин. Для уменьшения этой опаснос­ти рекомендуется применение всех способов, приводящих к измельчению структуры: модифицирование металла титаном и ниобием, применение физических способов (введение виб­рации, ультразвука, электромагнитное перемешивание), а так­же введение в шов элементов ферритизаторов, приводящих к получению в шве островков 6-феррита. Следует также избе­гать режимов сварки, приводящих к узкой и глубокой форме провара. Актуальным, особенно в глубокоаустенитных швах, является уменьшение содержания таких примесей как фосфор и сера, образующих легкоплавкие эвтектики.

3. Диффузионные процессы (особенно для жаропрочных сталей), происходящие в сварных соединениях при высоких температу­рах их эксплуатации. Так, термическое старение в диапазоне температур 350...500 °С вызывает появление «475-градусной хрупкости».

При температурах 500...650 °С наблюдается выпадение карбидов и образование а-фазы, происходит выпадение интерметаллидов. Все эти процессы теплового старения приводят к охрупчиванию металла при низких температурах и снижению прочности при высоких. Эф­фективной мерой, предотвращающей вредное действие теплового старения, является уменьшение содержания углерода как в основном металле, так и металле шва.

Технология сварки сталей этого класса должна строиться с учетом как указанных особенностей, так и их теплофизических свойств. Пос­ледние характеризуются низкими значениями коэффициента тепло­проводности и высокими значениями коэффициента линейного рас­ширения. Отсюда вытекает (при прочих равных условиях по сравнению с перлитными сталями) увеличение глубины проплавления. Для умень­шения деформаций наилучшими способами и режимами сварки бу­дут те, которые характеризуются максимальной концентрацией тепло­вой энергии.

Технологические способы борьбы с образованием трещин предус­матривают изыскание конструктивных форм сварных соединений и режимов сварки, снижающих темп нарастания деформаций в про­цессе остывания соединения. Важной является форма проплавления, которая не должна быть глубокой при малой ширине (опасность по­явления горячих трещин по плоскости спайности кристаллитов в сва­рочной ванне при кристаллизации).

Для сварки этого класса сталей применимы практически все спо­собы сварки плавлением.

При ручной сварке плавящимся покрытым электродом основной трудностью является стабильное обеспечение требуемого химичес­кого состава шва в зависимости от его пространственного положения при различных типах сварного соединения с учетом изменения коли­чества наплавленного металла и глубины проплавления основного. Это достигается в основном за счет корректировки состава покрытия (по содержанию в шве необходимого количества феррита).

Тип покрытия — основной (например, фтористокальциевое), ток постоянный обратной полярности. Швы рекомендуется выпол­нять на малых токах при минимальном диаметре электрода (во из­бежание появления горячих трещин). При сварке наиболее рас­пространенных коррозионностойких сталей марок 08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Т и т. д. рекомендуется при­менять электроды типа Э-04Х20Н9, Э-07Х20Н9, Э-08Х19Н10Г2Б марки ЦЛ-11 и др.

При сварке ответственных конструкций следует применять меры, предотвращающие попадание капель расплавленного металла на по­верхность основного металла во избежание микротермических уда­ров, способных при эксплуатации вызвать коррозионное растрески­вание под напряжением в этих районах.

Автоматическая сварка под флюсом широко распространена для изготовления конструкций из элементов в толщинах 4,0...60,0 мм. При этом процесс обеспечивает высокая стабильность химического со­става шва по длине с одновременной хорошей защитой шва и его фор­мированием. Ток постоянный, полярность - в зависимости от марки применяемых флюсов. Режимы по току невелики (по сравнению с перлитными сталями). Легирование шва производят через флюс или через проволоку. Флюсы безокислительные или малоокислительные (низкокремнистые фторидные или высокоосновные безфтористые). Широко применяются марки АН-26, 48-ОФ-Ю и АНФ-14. В зави­симости от марки свариваемой стали выбирается система флюс-про­волока (например, для стали 20Х23Н8 проволока Св-13Х25Н18, флюс АНФ-5).

При сварке в защитных газах используют как активные газы (С02), так и инертные (аргон, гелий) либо их смеси. Здесь (особенно при применении смесей) появляется возможность широко регулировать форму проплавления, повышать стабильность горения дуги и умень­шать угар легирующих элементов. При сварке в инертных газах воз­можно применение как неплавящегося (вольфрамового), так и пла­вящегося электрода. Первый применяют для сварки металла небольших толщин либо для обеспечения качественного проплавле-

17 Заказ № 1398

ния корня шва. Вольфрамовый электрод применяют в сочетании с аргоном высшего или первого сорта для выполнения соединений в толщинах до 12,0 мм (что не исключает применения способа и для сварки больших толщин).

Сварка ведется на постоянном токе прямой полярности во всех пространственных положениях непрерывной или импульсной дугой. Последний способ при отличном формировании шва на малых тол­щинах позволяет уменьшить деформации и ширину ЗТВ, получить дезориентированную структуру первичной кристаллизации шва, уменьшая этим опасность возникновения горячих трещин. При свар­ке плавящимся электродом можно регулировать состав наплавлен­ного металла за счет изменения состава защитной атмосферы.

Сварку плавящимся электродом выполняют как в инертных, так и в активных газах или их смесях. В зависимости от плотности тока и диаметра электродной проволоки перенос металла в дуге может быть капельный и струйный (последний представляется бо­лее предпочтительным — при нем практически исключается раз­брызгивание).

Струйный перенос кроме критического тока связан с составом газовой атмосферы. Так, добавка 3...5% кислорода уменьшает вели­чину критического тока и (за счет окисления) уменьшает пористость, вызванную водородом. Последнее достигается смесью 85...80% Аг + + 15...20% С02. Эта смесь дешевле чистого аргона, однако, здесь суще­ствует опасность выгорания легирующих элементов из наплавляемо­го металла. Этот же процесс сопутствует сварке в чистом С02, как и определенное науглераживание наплавленного металла.

Сила тока при сварке вольфрамовым электродом выбирается в зависимости от его диаметра, а при сварке плавящимся электродом — в зависимости от диаметра электродной проволоки и толщины сва­риваемых элементов. Так, для толщины 4,0 мм встык без разделки кромок сварка ведется в один проход d3 = 1,0... 1,6 мм; /св = = 160...280 А; расход аргона ср = 6...8 л/мин, а сварка толщины 8,0 мм с V-образной разделкой — в два прохода проволокой dа = 1,6...2,0 мм при силе тока /в = 240...340 А, при расходе (р = 12...15 л/мин.

Комментарии закрыты.