Сварка высокохромистых сталей мартенситного класса
Хромистые мартенситные стали (табл. 1) имеют в основном повышенное содержание углерода, некоторые из них дополнительно легированы никелем, молибденом и другими элементами. Углерод и никель расширяют γ-область и способствуют полному γ→α(м)-превращению в процессе охлаждения. Ферритообразующие элементы (молибден, вольфрам, ванадий, ниобий) вводят для повышения жаропрочности сталей.
Если обычные 11. 12%-ные хромистые стали обладают высокой прочностью до 500 о С, то стали, дополнительно легированные карбидообразующими элементами, обладают высокими прочностными характеристиками до 650 о С, что позволяет их использовать для изготовления современного энергетического оборудования (табл. 2). Молибден и вольфрам, кроме того, устраняют развитие хрупкости в процессе длительной эксплуатации хромистых сталей при высоких температурах.
Другие страницы по теме
Мартенситные стали
(стали мартенситного класса):
Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому разрушению в закаленном состоянии усложняет технологию их сварки. Содержание углерода в мартенситных сталях, как правило, >0,10 %, поэтому в сварго разных соединениях возможно образование холодных трешин (ХТ) из-за высокой тетрагональности образуюшегося в процессе охлаждения мартенсита. При снижении содержания углерода вязкость мартен сита повышается, однако возникает опасность образования структурно-свободного феррита, который, в свою очередь, является причиной высокой хрупкости, не устраняемой к тому же термическим отпуском. Поэтому трещины на сварных соединениях мартенситных сталей мoгут наблюдаться в процессe непрерывного охлаждения, и после охлаждения дo нормальной температуры вследствиe замедленного разрушения.
Для высокохромистых сталей температура начала мартенситного превращения (Тм.н.) ≤360 о С, а окончания (Тм.к.) 240 о С. С увеличением содержания углерода точки Тм.н. и Тм.к. еще более понижаются, что приводит к возрастанию твердости мартенсита и его хрупкости. Учитывая это, а также необходимость обеспечения высокой пластичности, ударной вязкости и стойкости против хрупкого разрушения, содержание углерода в хромистых мартенситных сталях ограничивают до 0,20 %.
Для предотвращения образования холодных трещин мартенситные стали сваривают при температуре воздуха ≥0 о С и применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200 . 450 о С. Температура подогрева назначается в зависимости от склонности стали к закалке. И в то же время температура подогрева не должна быть слишком высокой, так как это может привести к отпускной хрупкости вследствие снижения скорости охлаждения металла в ОШЗ в интервале температур карбидообразования. Высокий подогрев, как и сварка с большой погонной энергией, приводит к перегреву околошовного металла, росту зерна, сегрегациям примесей на границах зерен, способствуюших охрупчиванию сварных соединений. Лучшие свойства достигаются при подогреве в интервале Тм.н. и Тм.к. c подстуживанием после сварки до Тм.к. , но ≥100 o C.
Таблица 1. Хромистые мартенситные стали : химический состав .
| Марка стали | С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | S | P | прочих элементов |
| 15Х5 | ≤0,15 | ≤0,5 | ≤0,5 | 4,5. 6,0 | ≤0,6 | - | - | ≤0,025 | ≤0,030 | Не регламентируется |
| 15Х5М | 0,45. 0,60 | - | ||||||||
| 15Х5ВФ | 0,3 ..0,6 | - | 0,4. 0,6 | |||||||
| 12Х8 | ≤0,12 | 0,17 ..0,37 | 0,3 ..0,6 | 7,5. 9,0 | ≤0,4 | - | - | ≤0,030 | ≤0,035 | |
| 20Х8ВЛ | 0,15 ..0,25 | 0,30 ..0,60 | 0,30. .0,50 | - | - | - | ≤0,035 | 0,040 | 1,25 .. 1,75 W | |
| 12Х8ВФ | 0,08 ..0,15 | ≤0,6 | ≤0,5 | 7,0. 8,5 | ≤0,6 | - | 0,3 ..0,5 | ≤0,025 | ≤0,030 | 0,6 .. 1,0W |
| 10Х9МФБ | 0,08 ..0,12 | ≤0,5 | 0,3 ..0,6 | 8,6. 10,0 | ≤0,7 | 0,6 ..0,8 | 0,15 ..0,25 | ≤0,015 | Не регламентируется | |
| 12Х11В2МФ | 0,10 ..0,15 | 0,50 ..0,80 | 10,0. 12,0 | ≤0,6 | 0,6 ..0,9 | 0,15 ..0,30 | ≤0,025 | ≤0,025 | 1,70. 2,20 W | |
| 15Х11МФ | 0,12 ..0,19 | .≤0,7 | 10,0. 11,5 | - | 0,6 ..0,8 | 0,25 ..0,40 | ≤0,030 | Не регламентируется | ||
| 18Х11МНФБ | 0,15 ..0,21 | ≤0,60 | 0,6. 1,0 | 0,5 .. 1,0 | 0,8 .. 1,1 | 0,20. .0,40 | 0,20. 0,45 Nb | |||
| 13Х 11 Н2В2МФ | 0,10. .0,16 | ≤0,60 | 10,0. .12,0 | 1,5 .. 1,8 | 0,35 ..0,50 | 0,18 ..0,30 | 1,6 ..2,0W | |||
| 10Х12НДЛ | ≤0,10 | 0,17. 0,40 | 0,20. 0,60 | 12,0. .13,0 | 1,0 .. 1,5 | - | - | ≤0,25 | ≤0,25 | 0,80.. 1,10 Сu |
| 06Х12Н3Д | ≤0,06 | ≤0,3 | ≤0,60 | 12,0. .13,5 | 2,8 ..3,2 | ≤0,025 | ≤0,025 | |||
| 20Х13 | 0,16. 0,25 | ≤0,8 | ≤0,8 | 12,0. .14,0 | - | ≤0,025 | ≤0,030 | Не регламентируется |
Таблица 2. Мартенситные стали : механические свойства, не менее .
| Марка стали | σв, МПа | σ0,2,МПа | δ5, % | ψ,% | KCU, Дж/см 2 | Примеры использования |
| 15Х5 | 392 | 216 | 24 | 50 | 98 | Сварные сосуды и аппараты с давлением до 16 МПа при температуре стенки ≥-70 о С |
| 15Х5М | 22 | 118 | ||||
| 15Х5ВФ | ||||||
| 12Х8 | - | - | ||||
| 12Х8ВФ | 167 | 50 | 170 | |||
| 20Х8ВЛ | 580 | 392 | 16 | 30 | 39 | |
| 10Х9МФБ | 600 | 400 | 20 | 70 | 80 | Поверхность нагрева котлов, коллектора, трубопроводы |
| 15Х11МФ | 600 | 490 | 15 | 55 | 60 | Корпуса и роторы паровых и газовых турбин, лопатки паровых турбин, диафрагмы |
| 18Х11МНФБ | 740 | 590 | 50 | |||
| 13Х11Н2В2МФ | 880 | 735 | 55 | 90 | ||
| 12Х11В2МФ | 850 | 700 | 50 | |||
| 10Х12НДЛ | 700 | 500 | 14 | 30 | 50 | Диафрагмы паровых турбин, детали гидротурбин |
| 06ХI2Н3Д | Рабочие колеса гидротурбин, корпуса насосов АЭС | |||||
| 20Х13 | 650 | 440 | 16 | 55 | 80 | Лопатки паровых турбин, детали насосов |
До термической обработки рекомендуется не подвергать сварные соединения каким либо нагрузкам, кантовать и транспортировать (табл. 3). В частности, термообработку сварных стыков труб при сооружении трубопроводов нужно выполнять дo холодного натяга трубопровода, т.e. дo сборки и сварки замыкающего сварного шва.
Таблица 3. Рекомендации по тепловому режиму сварки хромистых мартенситных сталей .
| Марка стали | Температура подогрева, о С | Продолжительность хранения до термической обработки, ч | Термическая обработка |
| 15X5, 15Х5МУ, 15Х5ВФ | 200 | не допускается | Отпуск при 700. 750 о С |
| 12Х8, 12Х8ВФ, 20Х8ВЛ, 10Х9МФБ | Не регламентируются | Отпуск при 710. 760 о С | |
| 12Х11В2МФ | 250. 300 | 72 | Отпуск при 700. 720 о С (предварительный) и 735. 365 о С (окончательный) |
| 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 13Х11Н2В2МФ | 300 | не допускается | Отпуск при 700. 720 ос (без охлаждения ниже температуры подогрева). При толщине >30 мм перед термообработкой рекомендуется подстуживание до 100 ос |
| 10Х12НДЛ | ≥100 | Отпуск при 650 о С (с предварительным подстуживанием) | |
| 06Х12Н3Д | ≥200 | Допускается | Отпуск при 610. 630 о С (предварительный) и 625 . 650 о С (окончательный) |
| 20Х13 | ≥300 | 2 | Отпуск при 700. 720 о |
Многие из выше перечисленных недостатков в свариваемости мартенситных сталей нe приcущи малоуглеродистым хромистым сталям, дополнительнo легированным никелем. Мартенсит, образующийcя при закалкe хромоникелевой стали 06Х12Н3Д c низким содержанием углерода, oтличается высокими вязкостью и пластичностью, нe приводит к холодным трещинам на сварных соединениях.
Высокиe пластические свойствa малоуглеродистого мартенсита спосoбствуют получeнию надежных сварных соединений, преждe всего пpи сварке без подогрева. Но чувствительность сварных швов к водородной хрупкости делает необходимым сварки такиех сталей с предварительным подогревом до примерно 100 o C. Улучшению свариваемости такиx сталей способствует такжe остаточный аустенит. Но для достижения максимальных значeний пластичности, прочности и ударной вязкости рекомендуeтся охлаждать сварные соединения мартенситных хромоникелевых сталей дo нормальной температуры для полногo γ→α-превращения, a затем подвергать термическому отпуску, чтобы снять остаточные напряжения.
Среди методов, применяемых для сварки изделий из мартенситных сталей, наиболее распространена ручная дуговая сварка (РДС) покрытыми электродами, обеспечивающими получение сварных швов, по химическому составу близких к основному металлу (табл. 4). Находят также применение способы : автоматическая дуговая сварка под флюсом (АДС), аргонодуговая сварка (АрДС) и электрошлаковая сварка (ЭШС).
Таблица 4. Способы сварки, сварочные материалы и механические свойства сварных соединений хромистых мартенситных сталей .
Сварка высокохромистых сталей с хромоникелевыми
Высокохромистые ферритные, мартенсито-ферритные и мартенситные стали могут свариваться с хромоникелевыми аустенитными, аустенито-ферритными и аустенито-мартенситными сталями. При сварке высокохромистых сталей с хромоникелевыми прежде всего необходимо предпринимать меры, исключающие образование околошовных трещин (если используются мартенситные или мартенсито-ферритные стали) и чрезмерный рост зерна в зоне термического влияния (в случае использования ферритных сталей). Кроме того, при сварке высокохромистых сталей с хромоникелевыми должно быть исключено изменение структуры свариваемой стали в околошовной зоне, вызывающее ее охрупчивание. Если рассматриваемая композиция сталей используется в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивных средах, необходимо принимать меры, позволяющие исключить появление склонности к межкристаллитной коррозии, или устранить ее, если она появилась.
Меры, которые целесообразно применять при сварке высокохромистых сталей с хромоникелевыми, такие же, как и при сварке закаливающихся, коррозионностойких и жаропрочных сталей.
Что касается сварочных материалов, то они для сварки высокохромистых сталей с хромоникелевыми должны выбираться только исходя из требований обеспечения нужных свойств металла шва. Требование к ним исключить образование в сварном соединении структурной неоднородности, характерной для нестабильной зоны сплавления разнородных сталей, может не учитываться. В зоне сплавления сварных соединений этих сталей вследствие высокого содержания в них хрома, являющегося довольно сильным карбидообразующим элементом, процесс перемещения углерода не получает сильного развития.
Лучшими сварочными материалами для сварки высокохромистых сталей с хромоникелевыми следует признать те из них, которые обеспечивают получение металла шва аустенитного или феррито-аустенитного класса. Использование других материалов неизбежно приводит к образованию в металле шва мартенситной структуры, которая снижает его пластичность и даже может вызвать возникновение в нем трещин.
Мартенсит в металле шва при сварке высокохромистых сталей с хромоникелевыми может образоваться и в том случае, если используется аустенитная проволока с малым запасом аустенитности (типа Х18Н9) или электроды из нее. Поэтому сварку целесообразно производить проволокой с болеевысоким запасом аустенитности или изготовленными из нее электродами. При этом следует применять такие из них, которые в случае получения металла шва аустенитной структуры обеспечивают образование в нем определенного количества феррита.
Конкретные композиции металла шва в сварных соединениях высокохромистых сталей с хромоникелевыми зависят от условий, в которых должна эксплуатироваться изготовляемая конструкция. В конструкциях, предназначенных для работы в агрессивных средах, металл шва должен обладать стойкостью против коррозии. В этом случае, как показано ранее, необходимо, чтобы он имел низкое (0,03—0,04%) содержание углерода. Если шов должен содержать большее количество углерода, его необходимо легировать элементами, обладающими более высоким сродством к углероду, чем хром, например, титаном, ниобием, ванадием, вольфрамом, цирконием или танталом. В металле шва, предназначенном для работы в агрессивных средах, желательно иметь также элементы, способствующие выделению ферритной фазы.
В конструкциях, работающих в условиях высоких температур, металл шва должен иметь ограниченное (не более 5,5%) количество ферритной фазы. В противном случае в нем возможно образование σ-фазы, вызывающей его охрупчивание. В металле шва таких конструкций следует так же ограничивать содержание углерода и сильных карбидообразующих элементов, так как при определенном их количестве последующий нагрев металла шва может вызвать его охрупчивание вследствие выделения карбидов.
Ниже приведен один из возможных вариантов сварочных материалов, рекомендуемых для различных видов сварки высокохромистых сталей с хромоникелевыми:
Таблица 1. Хромистые мартенситные стали: химический состав.
| Марка стали | С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | S | P | прочих элементов |
| 15Х5 | ≤0,15 | ≤0,5 | ≤0,5 | 4,5. 6,0 | ≤0,6 | - | - | ≤0,025 | ≤0,030 | Не регламен-тируется |
| 15Х5М | 0,45. 0,60 | - | ||||||||
| 15Х5ВФ | 0,3 ..0,6 | - | 0,4. 0,6 | |||||||
| 12Х8 | ≤0,12 | 0,17 ..0,37 | 0,3 ..0,6 | 7,5. 9,0 | ≤0,4 | - | - | ≤0,030 | ≤0,035 | |
| 20Х8ВЛ | 0,15 ..0,25 | 0,30 ..0,60 | 0,30. .0,50 | - | - | - | ≤0,035 | 0,040 | 1,25 .. 1,75 W | |
| 12Х8ВФ | 0,08 ..0,15 | ≤0,6 | ≤0,5 | 7,0. 8,5 | ≤0,6 | - | 0,3 ..0,5 | ≤0,025 | ≤0,030 | 0,6 .. 1,0W |
| 10Х9МФБ | 0,08 ..0,12 | ≤0,5 | 0,3 ..0,6 | 8,6. 10,0 | ≤0,7 | 0,6 ..0,8 | 0,15 ..0,25 | ≤0,015 | Не регламен-тируется | |
| 12Х11В2МФ | 0,10 ..0,15 | 0,50 ..0,80 | 10,0. 12,0 | ≤0,6 | 0,6 ..0,9 | 0,15 ..0,30 | ≤0,025 | ≤0,025 | 1,70. 2,20 W | |
| 15Х11МФ | 0,12 ..0,19 | .≤0,7 | 10,0. 11,5 | - | 0,6 ..0,8 | 0,25 ..0,40 | ≤0,030 | Не регламен-тируется | ||
| 18Х11МНФБ | 0,15 ..0,21 | ≤0,60 | 0,6. 1,0 | 0,5 .. 1,0 | 0,8 .. 1,1 | 0,20. .0,40 | 0,20. 0,45 Nb | |||
| 13Х 11 Н2В2МФ | 0,10. .0,16 | ≤0,60 | 10,0. .12,0 | 1,5 .. 1,8 | 0,35 ..0,50 | 0,18 ..0,30 | 1,6 ..2,0W | |||
| 10Х12НДЛ | ≤0,10 | 0,17. 0,40 | 0,20. 0,60 | 12,0. .13,0 | 1,0 .. 1,5 | - | - | ≤0,25 | ≤0,25 | 0,80.. 1,10 Сu |
| 06Х12Н3Д | ≤0,06 | ≤0,3 | ≤0,60 | 12,0. .13,5 | 2,8 ..3,2 | ≤0,025 | ≤0,025 | |||
| 20Х13 | 0,16. 0,25 | ≤0,8 | ≤0,8 | 12,0. .14,0 | - | ≤0,025 | ≤0,030 | Не регламен-тируется |
Таблица 2. Мартенситные стали : механические свойства, не менее .
Таблица 3. Рекомендации по тепловому режиму сварки хромистых мартенситных сталей .
Таблица 4. Способы сварки, сварочные материалы и механические свойства сварных соединений хромистых мартенситных сталей .
| Марка стали | Способ сварки, сварочные материалы | Механические свойства сварных соединений, не менее | ||
| σв, МПа | KCU, Дж/см 2 | угол загиба, о | ||
| 15Х5, 15Х5М, 15Х5МУ, 15Х5ВФ, 20Х5МЛ, 20Х5ВЛ | РДС: электроды Э-10Х5МФ, ЦЛ-17 , АДС: проволока Св-1 ОХ5М, флюсы АН-Д АН-43. АрДС: проволока Св-06Х8Г2СМФТЮЧ, Св-10Х5М, аргон | 470 | 50 | 100 |
| 12Х8, 12Х8ВФ, Х9М, 10Х9МФБ, 20Х8ВЛ, 10Х9МФБ | РДС: электроды ЦЛ-57 АРДС: проволока Св-06Х8Г2СМФТЮЧ, аргон | |||
| 12Х11В2МФ | РДС: электроды Э-14Х11НВМФ, ЦЛ-32 | 735 | 40 | Не регламен- тируется |
| 15Х11МФ, 18Х11МНФБ, 13Х11Н2В2МФ | РДС: электроды Э-Х11НМФ КТЧ-9, Э-12Х11НВМФ КТЧ-10 | 735 | 50 | |
| Э-11ХI5Н25М6АГ2, ЭА-395/9 | 588 | 40 | ||
| 10Х12НДЛ | РДС: электроды Э-06ХI3Н, ЦЛ-41 | 580 | 50 | 40 |
| ЭШС: проволока Св-12Х 13, флюс АН-8 | 637 | |||
| 06Х12Н3Д | РДС: электроды ЦЛ-51 | 600 | ||
| АДС: проволока Св-01ХI2Н2-ВИ, флюс ФЦ-19 | 537 | |||
| АрДС: проволока Св-01 Х 12Н2-ВИ, аргон | ||||
| ЭШС: проволока Св-01 Х 12Н2-ВИ, флюс АН-45 | 590 | |||
| 20Х13 | РДС: - электроды Э-1 ОХ25Н13Г2, ЗИО-8 | 540 | Не регламен- тируется | |
| - электроды ЦЛ-25, ЦЛ-51 | 637 | |||
| АДС: проволока Св-07Х25Н 13, флюс АН-26 | 540 | |||
Читайте также: