Влияние некоторых упрочняющих и стабилизирующих элементов на микроструктуру и свойства высокохромистых сварных швов

В современном паротурбостроении все возрастающее применение находят высокохромистые (10,5—12,5% Сг) жаро­прочные стали мартенситно-ферритного класса. Эти стали более жаропрочные, чем низко - и среднелегированные перлитные, бла­годаря чему применение их позволяет повысить рабочие темпера­туры и давление пара котлотурбинных установок без значитель­ного увеличения толщины сечений рабочих элементов.

Для ручной сварки высокохромистых жаропрочных сталей в СССР применяют электроды марок КТИ-10 и ЦЛ-32, изготов­ляемые из стандартных проволок, содержащих 10—12% Сг (см. приложение, табл. 3), с дополнительным введением в по­крытие упрочняющих элементов W, Мо. Попытки использовать эти проволоки для сварки под флюсом и в углекислом газе вы­сокохромистых жаропрочных сталей не увенчались успехом из-за низких кратковременных механических свойств и длитель­ной прочности металла шва.

В связи с этим автор совместно с А. М. Понизовцевым [91, 102] разработал проволоки для сварки и заварки раковин литья высо­кохромистых жаропрочных сталей дуговым методом в углекис­лом газе и под флюсом.

Электроды марок КТИ-10 и ЦЛ-32 значительно отличаются по содержанию вольфрама и несколько молибдена. В связи с этим при разработке проволоки для механизированной сварки жаропрочных сталей необходимо было уточнить химический со­став металла шва с целью обеспечения оптимальных свойств сварных соединений.

Опытные многослойные швы выполняли на стали 15X11МФБ дуговой сваркой в углекислом газе порошковыми проволоками различного состава. Соединяемые стыки предварительно подо­гревали до 350—400° С, а после сварки и остывания до комнат­ной температуры подвергали отпуску при 720° С в течение 10 ч с последующим охлаждением на воздухе. Образцы для испыта­ний и исследований вырезали из швов в продольном направ­лении.

Предварительно исследовали швы следующего состава %: 0,09—0,12 С; 0,7—0,9 Мп; 0,15—0,25 Si; 11,0—12,0 Ст; 0,65— 0,90 N1; 0,6—0,8 Мо; 0,23—0,30 V; 3,0—3,8 W. Кроме того, в швы указанного состава вводили 0,15—0,20% Ті для измельчения зерна, до 5% Мп, 4% Ni, 0,30% С для уменьшения количества структурно-свободного феррита (б-феррита).

Результаты опытов показали, что швы указанного состава с низким содержанием углерода в не более чем по 1% Ni и Мп обладают высоким сопротивлением ползучести. Передел дли­тельной прочности металла шва при температуре 600° С за 105 ч составляет около 16 /сГ/мж2. Однако при комнатной температуре швы имеют весьма низкую пластичность (б = 2-г6%) и вязкость (<3„ менее 1 кГ'М/СМ2), что обусловлено высоким содержанием в них крупнозернистого 6-феррнта (рис. 77,а). В процессе испы­тания на разрыв и ударный изгиб при комнатной температуре образцы таких швов разрушались хрупко; излом образцов был крупнокристаллический, преимущественно межкристаллиткый и, как показали металлографические исследования, без заметных следов пластической деформации вблизи излома. Низкую пла­стичность имели швы такого состава с ниобием (0,11—0,20%) и без него.

Дополнительное введение 0,15—0,25% Ті в шов типа 10Х12НМВ4Ф, а также в шов с ниобием обеспечило значительное повышение пластичности его (б до 12% и ЧГ до 40%); излом та­

кого металла при растяжении был мелкокристаллический, одна­ко ударная вязкость шва низка (1,0 кГ ■ м/см2).

тана на длительную прочность за 100 ч при 600°С (а) и крат­ковременные механические свой­ства (б) при +20° С металла шва следующего состава. %: 0,09—0,12 С. 0,8-0,9 Мп, 0,3-0,8 SI. 11.0-12,0 Сг. 0,9-І,0 N1. 0,7-0,8 Мо.

Повышение количества углерода от 0,08—0,09% до 0.12— 0,13% не внесло существенных изменений в кратковременные ме­ханические свойства металла таких швов, увеличивая несколько сопротивление ползучести. При увеличении содержания углерода до 0,30% ударная вязкость шва при комнатной температуре по­высилась всего до 2,2 кГ-м/см2, несмотря на мелкозернистую сор - битную структуру без следов структурно-свободного феррита (рис. 77,6). Не улучшились крат­ковременные механические свой­ства швов с 3—4% W также при дополнительном легировании до 4% Ni или 5% Мп. Лишь умень­шение содержания вольфрама до до 0,6—1,0% обеспечивало сор - битную микроструктуру металла шва с минимальным количеством fl-феррита (рис. 77,в) и высокие кратковременные механические свойства: ат = 77 кГ/мм2, ав =

« 86 кГ/мм2, б =13%, Ч'=48%,

Оу — 5 кГ • м/см2. Следовательно, содержание вольфрама в высоко­хромистых жаропрочных швах повышать более 1% не рацио­нально.

Исследовали также влияние титана, ниобия и углерода на кратковременные механические свойства, стабильность твердого раствора и длительную проч­ность высокохромнстых швов без вольфрама или с содержанием его не более 1.0%. На рис. 78 показано влияние титана в хромо - молибденованадиевых швах на кратковременные механические свойства при комнатной температуре и длительную прочность при 600° С за 100 ч. Из приведенных данных следует, что легиро­вание металла шва титаном до 0,34% способствует повышению его пластичности; при этом несколько снижаются пределы проч­ности и текучести, а также ударная вязкость. Повышение содер­жания титана выше 0,34% приводит к более значительному

снижению пределов прочности, текучести и падению ударной вяз­кости. Относительное удлинение и сужение металла при этом также несколько снижаются. Сопротивление ползучести высоко­хромистых швов типа 10Х11НМФ прн легировании титаном не­уклонно уменьшается. Аналогичное влияние титана на сопротив­ление ползучести, в том числе при более низких напряжениях, было также обнаружено на швах типа 10Х11НМВФ и 10Х11НМВФБ.

Влияние ниобия и углерода исследовали на швах, химиче­ский состав, механические свойства и длительная прочность ко­торых приведены в табл. 22. Из таблицы следует, что высоко­хромистые швы с молибденом, ниобием и малым содержанием углерода обладают низким сопротивлением ползучести при тем­пературе 600° С. Дополнительное введение титана в такие швы способствует еще большему ухудшению сопротивления ползу­чести. Увеличение количества углерода с 0,07% до 0,11—0,12% приводит к некоторому повышению сопротивления ползучести металла таких швов. Вместе с тем увеличение углерода до 0,15%

а шве без ниобия и вольфрама не обеспечивает необходимого сопротивления ползучести.

Нет оснований предполагать, что уменьшение длительной прочности швов с низким содержанием углерода при введении ниобия обусловлено растворением последнего в феррите, так как В. А. Ильина и В. К. Крицкая [65] экспериментально показали положительное влияние ниобия в феррите на увеличение в нем межатомных связей. По эффективности упрочнения феррита пер­вое место занимает растворяющийся в нем ниобий, затем марга­нец, молибден, кобальт [65]. Уменьшают силы связи в решетке феррита углерод и ванадий. Данных о влиянии титана нет.

Отрицательное действие ниобия и титана в данном случае обусловлено, по-видимому, тем обстоятельством, что при низком содержании углерода введение в шов ниобия или, тем более, ниобия и титана, связывающих углерод в карбиды, способствует растворению большего количества ванадия в феррите. Вслед­ствие этого межатомные связи в решетке феррита уменьшаются, возможность диффузионных явлений в металле, находящемся

под напряжением при высоких темпера­турах, возрастает, в результате чего со­противление ползучести понижается.

Повышение количества углерода в ме­талле такого состава должно уменьшить растворенный ванадий в феррите эа счет перевода его в карбиды и, следовательно, повысить сопротивление ползучести. Дей­ствительно, как показывает химический анализ карбидов, электролитически вы­деленных из высокохромистых швов (табл. 23), с повышением содержания углерода в металле от 0,07 до 0,13% при неизменном количестве ванадия (0,3%) содержание последнего в карбидах уве­личивается от 0,08 до 0,24% (в твердом растворе соответственно уменьшается от 0,22 до 0.06%), несмотря на введение ниобия. Благодаря этому сопротивление ползучести металла шва возрастает (табл. 22, швы № 6. 7 и 8). Вместе с тем чрезмерное повышение углерода в шве, не содержащем ниобия, приводит к умень­шению сопротивления ползучести (шов № 5), что обусловлено разупрочнением феррита в результате перехода хрома, мо­либдена в карбидную фазу при длитель­ном нагружении металла при высокой температуре.

Из табл. 23 также видно, что содержа­ние ниобия в карбидах зависит от общего количества его в металле. Так, несмотря на увеличение углерода в шве от 0,08 до 0,13%, содержание ниобия, связанного в карбиды, уменьшилось с 0,16 до 0,13% благодаря уменьшению общего его коли­чества в металле. При этом практически весь ниобий, содержащийся в металле, расходуется на образование карбидов.

Таким образом, для обеспечения мак­симальной жаропрочности и необходимых кратковременных механических свойств

высокохромистых швов соотношение содержания в них карби­дообразующих элементов и углерода должно быть таким, чтобы лишь небольшое количество ванадия (не более 0,1%) было бы растворено в феррите.

Мелкозернистую сорбитную микроструктуру без структурно - свободного феррита или с минимальным количеством его, а так­же вполне удовлетворительные кратковременные механические

свойства и длительную прочность (рис. 79) имеют высокохро­мистые сварные швы, содержащие 0,12—0,15% С, легированные молибденом в количестве от 0,6 до 0,8% и вольфрамом 0,5—1% и, кроме того, стабилизированные ванадием (0,25—0,35%) или ванадием и ниобием (до 0,25%). Причем швы, дополнительно стабилизированные ниобием, обладают несколько более высоким пределом длительной прочности. Как показывает химический анализ карбидной фазы и испытание ударной вязкости металла сварных швов после длительной выдержки при температуре 600° С (рис. 80), ниобий способствует большой стабилизации структуры и свойств металла исследуемого состава. Принятая в опытах температура отпуска 720° С является недостаточной, вследствие чего в первые 200—500 ч старения металла обнару­живается значительная диффузия некоторых упрочняющих эле­ментов (молибдена) в карбидную фазу. Позднее была принята температура отпуска сварных соединений высокохромистых ста­лей 730—760° С.

На основании проведенных исследований разработаны две опытные проволоки с ниобием и без него для сварки в углекис­лом газе мартенситно-феррвтных высокохромистых жаропрочных

сталей. Проволока 15Х12НМВФБ (ЭП249) по цниичм имеет следующий химический состав, %: 0,13—0,18С; 0,9 — 1,3 Мп; 0,3—0.6 Si; 11,0—12,5 Сг; 0,9—1,3 Ni; 0,7—1,1 Мо; 0,8— 1.2W; 0,2—0,4 V; 0,15—0,20 Nb и не более чем по 0,03% серы л фосфора, а проволока 15Х12ГНМВФ (ЭП390) по 671—62

Рис. 80. Графики изменения содер­жания элементов, связанных в кар­биды (в % к суммарному содержа­нию карбидов) (а), и ударной вяз­кости (б) металла шва 14Х11НМВФ (сплошные линии) и 15Х11НМВФБ (пунктирные линии) после нагрева до температуры 600° С,

содержит, %: 0,12—0,17 С; 0,9—1,3 Мп; не более 0,6 Si; 11,0— 12,5 Сг; 0,6—0,9 Ni; 0,8—1,2 Мо; 0,8—1,2 W; 0,25—0,45 V и не более чем по 0,03% серы и фосфора. Опыты показали, что равно - прочность, в том числе и равная длительная прочность, сварных соединений высокохроми­стых сталей ЭИ756, ЭИ993, ЭИ802 и др. обес­печивается прн сварке в углекислом газе проволо­кой ЭП390. При использо­вании проволок ЭП249 шов получается более жа­ропрочный, чем сварные соединения этих сталей; разрушение всегда проис­ходит по зоне термическо­го влияния. Эта проволо­ка может найти примене­ние для сварки высоко­хромистых сталей, отли­чающихся более высокой жаропрочностью.

В производственной практике приходится ис­правлять литье из высо­кохромистых жаропроч­ных сталей путем выруб­ки дефектов и заварки их. После исправления дефек­тов литье обычно подвер­гают двойной нормализации при температурах 1080—1100°С, 10 ч и 1030 — 1060° С. 8 ч и последующему отпуску при 730— 740° С, 5 ч с охлаждением на воздухе. В связи с этим были исследованы свойства наплавленного металла после указанной термической обработки, для чего многослойными валиками за­
варили раковину. Заварку производили полуавтоматами в угле­кислом газе проволокой типа ЭП390. Химический состав наплав­ленного металла, 0,12 С, 0,91 Мп, 0,35 Si, 11,5 Сг, 0,56 Ni, 0,72 Мо, 0,88 W, 0,29 V. Кратковременные механические свойства металла наплавки при комнатной температуре после полкой тер­мической обработки (средние данные): от == 62 кГ/мм2, а„ = = 77 кГ/мм2, 6 = 19%, Y = 57%, о„ = 7,7 кГ-м/см2. Длительная прочность наплавленного металла при температуре 600°С за 100 000 ч составляет 10—12 кГ/мм2 (рис. 81).

9 Таким образом, проволоку 15ХІ2ГНМВФ (ЭП390) можно Применять для заварки дефектов литья высокохромистых жаро - ррочных сталей.

с