Технология сварки высокохромистых сталей
В современных металлоконструкциях в ряде случаев возникает необходимость высоколегированные стали сваривать не только со средне - и низколегированными или обычными углеродистыми, но и между собою. При этом необходимо соединять стали разных классов, например высокохромистые мартенситные с ферритными или аустенитными или перечисленные стали со сталями переходного класса (аустенито-ферритными, аустенито-мартенситными и мар- тенсито-ферритными). Сварка таких разнородных сталей имеет свои особенности.
Высоколегированные хромистые стали объединяют стали мартенситного, ферритного и мартенсито-ферритного классов. Наиболее распространенными в сварочном производстве являются мартенситные стали 15X11МФ, 18Х11МНФБ, 11Х11Н2В2МФ, 20Х12ВНМФ, 16Х11Н2В2МФ, 20X13, 25Х13Н2, 13Х14НЗВ2ФР; ферритные — 08X13, 12X17, 08Х17Т, 15Х18СЮ и мартенсито-ферритные стали 15Х6СЮ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР, 12X13, 14Х17Н2. Перечисленные стали мало отличаются по содержанию основных легирующих элементов. Поэтому для их сварки нет надобности применять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва химического состава, промежуточного между составом свариваемых сталей. Они во всех сочетаниях могут свариваться с применением материалов, предназначенных для сварки любой из используемых в данном соединении стали. В этом состоит первая особенность сварки высокохромистых разнородных сталей.
Основная же особенность сварки рассматриваемых сталей обусловлена тем, что в зоне термического влияния их либо образуется малопластичная структура (мартенситные стали), либо происходит
чрезмерный рост зерна, приводящий к значительному снижению ударной вязкости (ферритные стали). Поэтому необходимо принимать меры, исключающие образование околошовных трещин или уменьшающие снижение вязких свойств в зоне термического влияния свариваемой стали, которое здесь не может быть восстановлено даже последующей термической обработкой.
Вероятность образования околошовных трещин, как это следует из гл. I, в значительной мере зависит от степени снижения в зоне термического влияния пластических свойств свариваемой стали. Это снижение зависит от химического состава свариваемой стали, и прежде всего от содержания углерода и легирующих элементов, снижающих температуру у М превращения и упрочняющих твердый раствор. При определенном химическом составе стали вероятность образования околошовных трещин зависит от погонной энергии сварки, т. е. от ее режима. С понижением погонной энергии (снижение тока или повышение скорости сварки) металл околошовной зоны охлаждается быстрее, вследствие чего повышается степень его закалки и поэтому увеличивается вероятность образования околошовных трещин.
Следует отметить, однако, что возможность предотвращения околошовных трещин при сварке сталей мартенситного класса изменением режима сварки ограничена. Поэтому сварка их производится, как правило, с высоким (250—300° С) подогревом, а сварное соединение непосредственно после сварки подвергается отпуску при температуре 700—750° С. Лишь при небольших толщинах (до 10 мм) и при отсутствии жестких закреплений соединяемых элементов сварку мартенситных сталей можно производить без подогрева. Если эти стали используются в конструкциях, предназначенных для эксплуатации без динамических (ударных) нагрузок, сварку их без подогрева можно производить и при больших толщинах. Но в этом случае необходимо применять сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитного класса. Однако сварные соединения высокохромистых мартенситных сталей с аустенитным швом имеют существенный недостаток. Прочность металла их шва значительно ниже прочности свариваемой стали. Кроме того, в зоне сплавления таких соединений в процессе термической обработки возможно такое изменение структуры сплавляемых металлов, которое приводит к снижению работоспособности конструкции. Поэтому сварку сталей мартенситного класса с применением материалов, обеспечивающих получение аустенитного металла шва, рекомендуется производить лишь в конструкциях, которые не подвергаются термической обработке, а в случае необходимости —- лишь в конструкциях, эксплуатируемых при статических нагрузках без значительных давлений.
Рост зерна в зоне термического влияния высокохромистых сталей ферритного класса зависит от времени пребывания металла этой зоны при температурах выше 1100° С, т. е. прежде всего от погонной энергии сварки. Чем больше погонная энергия сварки (выше мощность дуги, меньше скорость сварки), тем больше время пребывания металла зоны термического влияния при температурах, вызывающих рост зерна, тем крупнее образуются зерна. Поэтому конструкции, в которых используются высокохромистые стали фер - ритного класса, следует сваривать на режимах, обеспечивающих минимально возможную погонную энергию, т. е. максимально снижать ток и максимально повышать скорость сварки.
Время выдержки металла зоны термического влияния при температурах, вызывающих рост зерна, зависит также от степени разогрева выполняемого соединения. Чем выше его разогрев, тем медленнее охлаждается металл зоны термического влияния и тем больше времени пребывает он при температурах, вызывающих рост зерна. По этой причине конструкции, в которых используются высокохромистые ферритные стали, не следует сваривать с подогревом. Более того, многослойную сварку таких конструкций необходимо производить с охлаждением после наложения каждого слоя до минимально возможной температуры, вплоть до комнатной. В случае изготовления конструкции, в которой высокохромистая ферритная сталь должна свариваться со сталью мартенситного класса, сварку которой, как показано выше, следует производить с подогревом, чтобы избежать вредного влияния его на околошов - ную зону ферритной стали, свариваемые кромки последней облицовываются слоем металла, менее склонного к росту зерна. Толщина этого слоя должна быть не меньше ширины участка перегрева, присущей используемому режиму сварки, т. е. 5—6 мм.
Зачастую конструкции из высокохромистых разнородных сталей должны обладать необходимой коррозионной стойкостью в жидких агрессивных средах. Воздействие же на эти стали термического цикла сварки, для которого характерны высокотемпературный нагрев и быстрое охлаждение, приводит к потере общей коррозионной стойкости в зоне термического влияния и появлению склонности к межкристаллитной коррозии. Поэтому для того, чтобы получить сварное соединение, стойкое против коррозии, его следует подвергать отпуску по режиму, применяемому для обработки стали соединения, требующей более низкой температуры отпуска.
Как уже указывалось, для сварки высокохромистых сталей, особенно мартенситного класса, нередко применяются сварочные материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенитной структуры. При изготовлении конструкций, предназначенных для работы в агрессивных средах, следует учитывать, что наплавленный металл аустенитного класса, если он является хромоникелевым сплавом, из-за большого содержания никеля в серосодержащих средах склонен к сульфидной коррозии. Такой наплавленный металл взаимодействует с сернистыми соединениями, образуя сульфиды никеля и эвтектику Ni— Ni3S2. Поэтому для упомянутых конструкций аустенитные материалы, если их использование неизбежно, следует применять другого типа, например, хромомарганцевые.
При соблюдении указанных рекомендаций для сварки высокохромистых разнородных сталей как мартенситных с ферритными или мартенсито-ферритными, так и ферритных с мартенсито-фер - ритными наиболее целесообразно применять сварочные материалы, обеспечивающие металл шва мартенсито-ферритного] или фер- рито-аустенитного класса. В таком металле значительно мельче зерно по сравнению с ферритным и поэтому пластические и вязкие свойства его выше. В состоянии после сварки он более пластичен чем сталь мартенситного класса.
Ниже приведен один из вариантов сварочных материалов, рекомендуемых для различных видов сварки высокохромистых разнородных сталей (мартенситных с ферритными, мартенситных с мартенсито-ферритными; ферритных с мартенсито-ферритными):
Вид сварки Рекомендуемые сварочные материалы
Ручная дуговая. Электроды типа Э-06Х12Н
Автоматическая под флюсом.. Проволока Св-ОХНГТ, І5Х12НМВБФ
(ЭП249), І5ХІ2ГНМВФ (ЭП390), CB-07X25HI3, Св-08Х20Н9Г7Т;
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:
Сварка хромистых сталей
Для изготовления химической аппаратуры, нефтеаппаратуры и других изделий широко используются хромистые стали, являющиеся нержавеющими и кислотостойкими и более дешевыми по сравнению с другими марками легированных сталей, обладающих этими же свойствами.
При содержании хрома от 4 до 14% сталь относится к среднелегированным, а при содержании хрома более 14% — к высоко
легированным. Среднелегированные хромистые стали содержат до 0,15% углерода и применяются в конструкциях, где не требуется, высокая прочность, но необходима устойчивость против кор-> розии.
Высоколегированные хромистые стали могут содержать до 0,35% углерода; они обладают повышенной прочностью, хорошо сопротивляются коррозии и действию кислот. Для повышения устойчивости против образования окалины (газовой коррозии) при температурах до 1100° в состав хромистых сталей вводится 1—2% кремния или 0,2—0,6% алюминия. Повышение жаропрочности достигается введением в состав хромистой стали до 0,6% молибдена. Для улучшения свариваемости хромистой стали в ее состав вводят титан.
При нагревании стали до температур 400—900° хром вступает в химическое соединение с углеродом, образуя карбиды хрома, выделяющиеся по границам зерен и лишающие данную сталь ее основного свойства — сопротивляемости коррозии. При наличии в структуре стали карбидов хрома коррозия возникает не только йа поверхности, но и в толще металла, в местах расположения карбидов хрома. Такая коррозия называется межкристал - л и т н о й и является очень опасной, так как понижает прочность и придает металлу хрупкость. Чем выше содержание углерода в хромистой стали, тем легче выделяются карбиды хрома в металле сварного шва и околошовной зоны, подвергающихся при сварке нагреву до указанных выше температур.
Это свойство хромистых сталей создает основное затруднение при их сварке. Кроме того, хром придает стали способность к самозакаливанию, отчего сварной шов и соседние с ним участки становятся твердыми и хрупкими при охлаждении на воздухе после сварки. Закалка вызывает внутренние напряжения, которые способствуют образованию трещин в металле. Наряду с этим хромистые стали в 1,5—2 раза хуже проводят тепло, чем обычная малоуглеродистая сталь, и поэтому обладают повышенной склонностью к короблению при - сварке. Хром легко окисляется, образуя тугоплавкие шлаки, что также затрудняет сварку. Вследствие указанных причин хромистые стали относятся к группе ограниченно сваривающихся и требуют особых приемов сварки.
Сварку хромистых сталей производят проволокой из хромоникелевой стали Св-02Х 19Н9 и Св-Х25Н13 по ГОСТ 2246—60 с покрытием ЦЛ-2 или УОНИ-13/нж. Эти покрытия дают жидкий шлак, хорошо защищающий ванну, растворяющий окислы хрома и раскисляющий металл шва.
Вследствие повышенного электрического сопротивления проволоки из хромоникелевой стали электроды из нее при большом токе могут быстро нагреваться и усиленно плавиться. Расплавленный металл будет стекать на недостаточно нагретый основной ме-
талл, что приведет к образованию непроверенных мест и ослаблению прочности сварного соединения.
Для предупреждения указанного явления электроды берут длиной не более 250—300 мм, т. е. короче обычных. Из этих же соображений при сварке хромистых сталей применяют пониженный ток и следующие режимы сварки:
Толщина листов, мм . 3 4—5 6—8 10—11 13—16
Ток, а. 50—70 90—100 120—150 100—180 225—260
Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности. Для лучшего отвода тепла под шов кладут толстые медные подкладки, охлаждаемые водой. Для восстановления первоначальных свойств основного металла изделие после сварки подвергают термической обработке по одному из режимов, указанных в табл. 20.
Режимы термообработки сталей после сварки
Содержание хрома встали, %
Температура нагрева, град
Выдержка, мин/1 мм толщины (ио не менее 1 часа)
Два варианта: 1) охлаждение с печью до 600° со скоростью 25 град/час, затем иа воздухе; 2) охлаждение с печью до 730° с выдержкой при этой температуре ие менее 5 мин иа 1 мм толщины, затем на воздухе Охлаждение на воздухе
Два варианта: 1) охлаждение на воздухе; 2) охлаждение до 600° с печью со скоростью 25 град/час, затем на воздухе
Охлаждение в холодной воде, затем отпуск с нагревом до 600 — 700° и медленным охлаждением
Хромистые стали с содержанием 18—30% хрома и до 0,35% углерода во избежание образования трещин подогревают до 200— 350°. Нужно особенно следить за тем, чтобы не перегревать металл шва и околошовной зоны, ведя сварку на пониженных токах с наибольшей скоростью. Особенно это опасно при сварке многослойных швов валиками малых сечений, выполняемых с охлаждением до 200° перед наложением каждого последующего слоя. Для получения менее хрупкого металла шва сварку сталей с 18—30% хрома осуществляют электродами из хромоникелевой стали Св-Х25Н13 с покрытием УОНИ-13/нж.
Если от металла шва после сварки требуется твердость, то охлаждение производят быстро в воде; при медленном охлаждении на воздухе металл шва получается менее твердым, но более вязким.
Металл толщиной свыше 8—10 мм следует сваривать в несколько слоев и, если возможно, с предварительной подваркой корня V-образного шва с обратной стороны.
СВАРКА И РЕЗКА МЕТАЛЛОВ
Аппарат для сварки: какой выбрать
Самый популярный способ крепления металлических деталей – сварка. И заниматься ею можно не только во промышленных масштабах. В быту сварочные работы используются также часто, причем речь не всегда о сварщиках, …
Расходные материалы, необходимые для сварки
Чтобы выполнить сварку прочно и качественно, недостаточно иметь только сварочный аппарат. Дополнительно потребуется подобрать расходные материалы с учетом вида свариваемого металла. Перед началом работы определите, что именно вам нужно, и …
Критерии выбора сварочных аппаратов
Есть несколько факторов, анализировать которые при выборе сварочного аппарата нужно обязательно в магазине сварочного оборудования. Следует учесть рабочий диапазон температур, а также мощность. Рекомендуется учесть возможность смены полярности, и показатель …
СВАРКА ВЫСОКОХРОМИСТЫХ ФЕРРИТНЫХ СТАЛЕЙ
К ферритным высокохромистым сталям относятся стали с 13% Сг при очень низком содержании углерода (например, на нижнем уровне углерода в стали 08X13) ряд нпзкоуглеродпетых сталей с 17 % Сг и добавками титана, а также молибдена (марки 12X17, 08Х17Т, типа 08Х17М2Т), а также с 25—30% Сг (например, марки 15Х25Т). Общей характеристикой для этих сталей служит их склонность к росту зерна при высокотемпературной обработке, в том числе и в результате сварочного нагрева в зоне термического влияния и в металле швов (при их составе, аналогичном ферритным сталям). При крупном зерне такие стали теряют пластичность и вязкость при комнатных и более низких температурах.
На рис. 138 показано изменение ударной вязкости в зависимости от температуры испытания стали 08Х17Т и металла зоны термического влияния при автоматической сварке под флюсом. При этом вакуумный и электрошлаковый переплавы высокохромистых сталей хотя и позволяют за счет уменьшения содержания газов и неметаллических включений повысить ударную вязкость основного металла, но они не исключают понижения вязкости около - шовиых зон сварных соединений.
to Таблица 66. Состав п свойства наплавленного металла прп ручной дуговой сварке покрытыми электродами и сварке
to в углекислом газе хромистых сталей с использованием наиболее распространенных сварочных материалов
Механические свойства при 20° С
Содержание основных легирующих элементов в наплавленном металле
Температура испытания, °С
0.09—0,13% С 11,0—13,0% Сг
0Д0—0.13% С; 0,6—0.9% Мо; 0,60—0.90% Ni; 9,5—11,5% Сг: 0,2-0,4% V
0.10—0.13% С; 0,6—0.9% Мо; 0,6—0.9% Ni; 9.5—11.5% Сг; 0,2—0.4% V; 0,8—1,3% W
0.12—0.16% С; 0,9—1,2% Мо; 0.8—1.10% Ni; 10,0—12,0% Сг; 0,2—0,4% V; 0,9—1.2% VV
проволока при сварке в углекислом газе
—■ 0,15% С; ~ 0,55% Мо; ~ 0.75% Ni; ~ 11,0% Сг; ~ 0.25% V;~0,6% W;
Продолжение табл. 66
0,15% С; 0.83 % Мо; 0,67% Ni; 11,23% Сг; 0.40% V; 1.12% W: 0,11% Nb; 1,53% Si
Сварочные материалы при сварке под флю
~ 0.12% С; 0,85% Мо; 0.70% Ni; 10.34% Сг; 0,37% V; 1,18% W; 0.09% Nb; 0,79% Si
сом стали марки ВХ11В2МФ (металл шва!
0.16% С; 0.89% Мо; 0.9Ч% Ni; 11.0% Сг; 0,37% У; 0,80% W; 0,30% Si
0.11% С; 0.75% Мо; 0,89% Ni; 10.0% Сг; 0,30% V; 1,12% W; 0.23% Si
* В числителе свойства при 20, а в знаменателе — при 600 °С.
При отсутствии титана или при
Рис. 138. Зависимость ударной вязкости стали 08Х17Т толщиной 10 мм (ом) и металла зоны термического влияния (з. т. в.) от температуры испытания
малом его количестве < 7)
в сталях нагрев выше температуры ~ 950 °С и быстрое охлаждение приводят к ухудшению их общей коррозионной стойкости и появлению склонности к межкристаллитной коррозии. Отпуск при температуре 760—780° С улучшает и пластичиость и коррозионную стойкость основного металла и сварных соединений.
В целях максимального ограничения роста зерен при сварххе предпочтительны методы с сосредоточенными источниками теплоты (например, дуговая сварка предпочтительней газовой) и малой погонной энергией. Наиболее распространены ручная дуговая сварка покрытыми электродами и механизированная в углекислом газе и под флюсом Для малых толщин иногда применяют аргонодуговую сварку пеплавящимсн электродом.
При ручной дуговой сварке и сварке в углекислом газе применяют сварочные материалы, позволяющие получить металл шва, по составу подобный основному, или обеспечивающие получение металла шва с аустенитной или лучше аустенитно-феррнтной структурой, иногда с большим содержанием ферритной составляющей.
В нервом случае хрупкость, связанная с крупным зерном, представляет опасность не только для околошовной зоны, но и для металла сварного шва. В некоторой степени она может быть уменьшена, если применять сварочные материалы, дающие состав металла швов, который при сварочных скоростях охлаждения позволяет получить не чисто ферритную структуру, а с некоторым содержанием мартенситной составляющей. Это возможно при сварке сталей, содержащих Сг ^ 18%, и достигается введением в металл шва углерода, азота, никеля, марганца. В зависимости от свойств такого закаленного при сварке металла шва выбирают и режим последующей термообработки. Обычно появление такой гетерогенной структуры снижает коррозионную стойкость сварных соединений в ряде химически агрессивных сред.
Аустенитно-ферритпые швы получают, используя сварочные материалы, дающие хромоникелевый или хромоникеле-марганцо - вый металл. При этом необходимо учитывать и участие в формировании металла шва проплавленного основного. Так как при автоматической сварке под флюсом доля расплавленного основного металла в шве, как правило, больше, чем при ручной дуговой сварке, количество аустенитизаторов в электродной проволоке
при автоматической сварке должно быть больше, чем в электродах для ручной сварки.
Так, например, при ручной сварке могут применяться электроды со стержнями типа Х25ІИЗ, а при автоматической сварке — электродные проволоки типа Х25Н18. При этом приходится учи гывать, что в некоторых агрессивных средах коррозионная стойкость сварных соединений хромистых сталей с хромоникелевьтмп швами может оказаться ниже стойкости основного металла. Последующая термообработка таких сварных соединений (высокий отпуск при температурах 650— 800е С) далеко не всегда благоприятна для улучшения их эксплуатационных характеристик.
В тех случаях, когда по условиям эксплуатации для сварных соединений допустима невысокая пластичность, для исключения возможности появления при сварке трещин, особенно при достаточно большей жесткости свариваемого изделия, применяют предварительный и сопутствующий подогрев при температурах 120- 180° С и последующую термообработку.
Для сварки высокохромистых ферритных сталей с получением такого же типа наплавленного металла применяют электроды с покрытиями фтористокальциевого типа с большим количеством в покрытии ферротитана и алюминия (табл. 67).
Читайте также: