Сварка высоколегированных сталей

Высоколегированными называют стали, содержащие легирующих элементов в сумме более 10 % или одного элемента не менее 5 %. Их применяют в судостроении, нефтехимической промышленности, производстве летательных аппаратов, энергетических установок, бытовой техники. Эти стали имеют более низкую, чем у углеродистых сталей, теплопроводность, больший коэффициент теплового расширения и высокое омическое сопротивление. По особенностям структуры все многообразие марок высоколегированных сталей разделяют на восемь групп: мартенситные, мартенситно-ферритные, ферритные, аустенитные жаропрочные, аустенитные коррозионно-стойкие, аустенитно-ферритные коррозионно-стойкие, аустенитно-мартенситные и мартенситно-стареющие стали.

Мартенситные стали, например 15X11МФ, 15Х12ВНМФ, 10Х12НЗД, 18Х11МНФБ, 10Х12НД, предназначены для работы при температуре до 650 °С. Из них делают, например, лопатки и диски паровых турбин и газотурбинных установок. Эти стали содержат 0,1...0,2 % углерода, 0,3...0,6 % кремния, около 1 % марганца. В них много хрома: до 10... 13 %. Их дополнительно легируют молибденом, вольфрамом, ниобием, ванадием и никелем (до 3,2 %), повышающими сопротивление сталей ползучести под напряжением при высокой температуре.

Технологию сварки этих сталей усложняет их повышенная склонность к хрупкому разрушению в состоянии закалки. Поэтому сварные со

единения большинства мартенситных сталей немедленно после сварки подвергают термической обработке (отпуску) для снятия внутренних напряжений и формирования нужных механических свойств. Сваривают мартенситные стали обычно ручной дуговой сваркой. Применяют электроды КТИ-9, ЦЛ-32, содержащие 10...12 % Сг, 0,8 % Ni, 1 % Mo и 0,02...0,09 % С. Это обеспечивает химический состав сварных швов, близкий к основному материалу, и повышает вязкость металла шва. Применяют также аустенитные электроды ЗИО-8 и ЭА-395/9. Автоматическую сварку ведут проволокой Св 15Х12НМВФБ и Св 15Х12ГНМБФ под флюсами АН-17 и ОР-6.

Мартенситно-ферритные стали (08X13, 12X13,20X13, 14Х17Н2 и т.п.) имеют повышенное (до 12... 18 %) содержание хрома. Это придает им стойкость против коррозии. Эти стали используют для изготовления конструкций, работающих в агрессивных средах, например в производстве нефтехимических продуктов, а также в воде при высоких температуре и давлении.

Для соединения мартенситно-ферритных сталей применяют дуговую сварку штучными электродами, в защитных газах и под флюсом. Больше распространены сварочные электроды типа Э-10Х25Н13Г2 (марки ОЗЛ-6, ЦЛ-25) и проволоки (Св 07Х25Н12Г2), обеспечивающие получение аустенитного наплавленного металла. Для ручной дуговой сварки стали 14Х17Н2 применяют электроды типа Э-10Х18Н2 марки АНВ-2, для аргонодуговой сварки и автоматической под флюсом - проволоки Св 08Х18Н2ГТ и Св 08Х14ГНТ, флюсы ОФ-6, АНФ-6.

С точки зрения свариваемости мартенситно-ферритные стали являются "неудобным" материалом. В связи с высокой склонностью к подкалке в сварных соединениях возможно образование холодных трещин. Из-за опасности образования холодных трещин и хрупкого разрушения вследствие резкого снижения ударной вязкости металла околошовной зоны сварку этих сталей нужно вести с предварительным и сопутствующим подогревом, а также подвергать сварные соединения термическому отпуску. Сталь 08X13 подогревают до температуры 150...200 °С, а отпускают при температуре 680...700 °С. Сталь 14Х17Н2 подогревают так же, а отпуск производят при температуре 620...640 °С. Время между сваркой и отпуском для этих сталей не ограничивается. Стали 12X13 и 20X13 подогревают перед сваркой до температуры 300 °С и не позже чем через 2 ч после сварки производят отпуск при температуре 620...640 °С.

Высокохромистые ферритны е стал и (08Х17Т, 15Х25Т и др.) по сопротивляемости коррозии не уступают дорогостоящим хромоникелевым аустенитным сталям и превосходят их по стойкости против коррозионного растрескивания. Чаще всего их применяют для изготовления оборудования, работающего без ударных и знакопеременных нагрузок, не подлежащего контролю Госгортехнадзора.

Особенность высокохромистых ферритных сталей - их склонность к охрупчиванию под воздействием сварочного нагрева. Пластичность металла в ЗТВ приближается к нулю. Поэтому во избежание трещин сварку, гибку, правку и все операции, связанные с ударными

нагрузками, нужно производить с подогревом до температуры 150...200 °С. Для ручной дуговой сварки этих сталей, автоматической дуговой сварки под флюсом и в защитных газах применяют хромоникелевые

сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие металл шва типа Х25Н13 с аустенитной структурой. Например, сталь 08X17Т лучше сваривать электродами ЦЛ-Э, УОНИ/ЮХ17Т или проволокой Св 10Х17Т под флюсом АНФ-6, ОФ-6, сталь 15Х25Т - электродами ЭНО-7, ЭА48М/22, АНВ-9 или АНВ-10, проволокой Св 07Х25Н13 в аргоне либо под флюсами АН-16, АН-26С, АНФ-11, ОФ-6; сталь 08Х23С2Ю электродами ЦТ-23, ЦТ-38. После сварки все ферритные стали отжигают при температуре 760 °С в течение 2 ч. Это практически полностью снимает остаточные напряжения, увеличивает деформационную способность сварных соединений.

Аустенитные жаропрочные стали по типу легирования и по характеру упрочнения делят на две группы. Первая - это roмогенные стали, не упрочняемые термообработкой: Х14Н16Б, Х18Н12Т, Х23Н18, Х16Н9М2 и др. Они способны длительно работать под напряжением при температуре до 500 °С. Ко второй группе относят гетерогенные стали, упрочняемые закалкой и старением: Х12Н20ТЗР, 40Х18Н25С2, 1Х15Н35ВТР. Такие стали способны длительно работать под напряжением при температуре до 700 °С. Из них изготавливают изделия, испытывающие при работе совместное действие напряжений, высокой температуры и агрессивных сред: лопатки газовых турбин, камеры сгорания и горячие тракты газотурбинных двигателей, трубопроводы с перегретым паром и т.п.

Аустенитные жаропрочные стали склонны к горячим трещинам при сварке и к охрупчиванию сварных конструкций. Поэтому при сварке, особенно изделий, работающих при температуре до 600 °С, применяют материалы, обеспечивающие присутствие в металле шва 1...2 % ферритной фазы. Это условие выполняется при сварке электродами ЦТ-26, ЦТ-16, ЦТ-7, КТИ-5. Для конструкций из жаропрочных сталей, длительно работающих при температуре 700...750 °С, применяют электроды КТИ-7, ОЗЛ-9А. Для сохранения легирующих элементов в швах ответственных конструкций применяют инертные защитные газы и безокислительные галоидные флюсы ФЦ-17, АНФ-5. Присадочную проволоку в сварочную ванну лучше вводить в твердом состоянии, минуя столб дуги и капельный перенос. Проволока должна вводиться в хвостовую часть ванны в точку, отстоящую от оси дуги не менее чем на одну треть длины ванны.

 

При выборе режима сварки главная проблема - предотвращение горячих трещин в металле шва и в ЗТВ. Наиболее эффективно регулирование скорости сварки, которая может быть уменьшена до 6 м/ч. Повысить стойкость швов против горячих трещин и улучшить механические свойства сварного шва можно внешними технологическими воздействиями: перемешиванием сварочной ванны путем механического или электромагнитного воздействия, интенсивным охлаждением сварочной ванны подачей в нее твердого присадочного материала или струи воды.

К аустенитным коррозионно-стойким относят хромоникелевые стали типа 18-10 (содержащие 18 % Сг и 10 % Ni), хромомарганцевые, хромо-марганцево-никелевые, хромоникелемолибденовые и высококремнистые стали. Наиболее распространена сталь 18-10, поскольку высокое содержание в ней хрома и никеля обеспечивает коррозионную стойкость в сочетании с жаростойкостью.

Аустенитные стали обладают повышенной склонностью к образованию горячих трещин, аустенитные швы на них имеют пониженную коррозионную стойкость, поэтому электроды и присадочную проволоку выбирают такой, чтобы по химическому составу металл шва отличался от свариваемого материала. Для сварки сталей типа 18-10 применяют электроды (ГОСТ 10082-85) типа ОЗЛ-8 (Э-07Х20Н9), для аргонодуговой сварки - проволоку типа Св 06Х19Н9Т, Св 08Х20Н9Г7Т (ГОСТ 2246-70), для дуговой сварки под флюсом флюсы АН-26, АН-45 и проволоку Св 06X19Н09, Св 08Х20Н9Г7Т, для дуговой сварки в С02 - проволоку Св 08Х20Н9Г7Т.

При сварке аустенитных сталей толщиной более 14...16 мм устойчивость против трещин достигается легированием швов Mn, Mo, Ni и исключением из них Ti, Nb и А1. Можно использовать многослойные композитные швы: обращенную в сторону агрессивной среды часть шва выполнять материалами, обеспечивающими химический состав металла шва, более близкий к свариваемому металлу.

Аустенитные стали имеют пониженную температуру плавления, низкую теплопроводность, высокий коэффициент линейного расширения. Недостаток аустенитных сталей - склонность к межкристаллитной коррозии. Коррозионную стойкость сталям придает хром. Но при температуре 500...700 °С (температура провоцирующего отжига) интенсивно образуются карбиды хрома типа Сг23С6, выпадающие по границам зерен металла, которые обедняются хромом и теряют коррозионную стойкость. При контакте с коррозионной средой границы зерен начинают разрушаться, хотя зерна остаются коррозионно-стойкими. В процессе сварки металл шва и околошовная зоsystem-pagebreakн /p /tdа могут находиться при температуре провоцирующего отжига достаточно долго, чтобы успели выделиться карбиды хрома. Тогда вдоль шва с обеих сторон образуются узкие полосы с низкой коррозионной стойкостью

(ножевая коррозия). Может также потерять коррозионную стойкость металл шва.

Учитывая все эти особенности, при выборе режима сварки нужно стремиться к увеличению скорости нагрева и охлаждения металла. В частности, при дуговой сварке силу тока снижают на 10...30 % по сравнению со сваркой углеродистых сталей, повышают скорость сварки, накладывая узкий "ниточный" шов, применяют принудительное охлаждение.

К аустенитно-ферритным коррозионно-стойким относятся стали, в которых содержание хрома в 1,5...4 раза превышает содержание никеля. Это, например, стали 08Х22Н6Т, 12Х22Н6Т, 03Х23Н6, 20Х23Н13. Эти стали имеют высокие пределы прочности и текучести, хорошую коррозионную стойкость и хорошо свариваются. При изготовлении из них, например, сварной химической аппаратуры можно уменьшить расход металла за счет уменьшения толщины листа.

Эти стали можно сваривать ручной и механизированной дуговой сваркой, а также другими способами, причем предпочтительны способы сварки с невысокой погонной энергией. Техника выбора режима такая же, как и для других коррозионн![CDATA[ // ]]остойких сталей. Благодаря высокому содержанию феррита швы обладают достаточной стойкостью против горячих трещин. При сварке плавлением используют электроды ЦЛ-11, ОЗЛ-7, ЦТ-15-1, НЖ-13, АНВ-36, проволоку Св 08Х21Н7ВТ, Св 03X21 Н10АГ5,(флюсы АН-26, АИК-45МУ. При сварке деталей с толщиной кромок 16...20 мм рекомендуется обрабатывать границы шва с основным материалом сварочной дугой, горящей в аргоне с неплавящегося электрода. Такой местный нагрев с малой погонной энергией обеспечивает мелкозернистую ферритную структуру с аустенитными прослойками по границам зерен. Это повышает пластичность и коррозионную стойкость.

Мартенситно-стареющими называют стали, увеличивающие прочность в результате структурных превращений (старения), происходящих во время выдержки этих сталей при температуре 300...400 °С. Они содержат 18...25 % никеля и 7... 10 % кобальта с добавками молибдена, титана и алюминия, например стали Н18К9М5Т, Н18К8М5ТЮ. Другая система легирования основана на сочетании никеля (5...10 %) с хромом (10... 13 %) с добавками молибдена, титана и алюминия или кобальта и вольфрама, что обеспечивает прочность после старения до 1570 МПа (160 кгс/мм2). Пример таких сталей: Х12Н10М2ТЮ, Х12Н9К4МВТ. Из-за относительно высокой стоимости мартенситно-стареющие

стали применяют в конструкциях, требующих повышения удельной прочности металла при низкой чувствительности к надрезам и трещи ноподобным дефектам. Это, например, корпуса двигателей, сосуды высокого давления, изделия криогенного назначения. Перспективно использование этих сталей для износостойкой наплавки.

Мартенситно-стареющие стали хорошо свариваются всеми способами сварки. Они мало чувствительны к образованию холодных и горячих трещин, обеспечивают высокие механические свойства сварных соединений. Технология сварки проста и надежна. Сваривать можно без подогрева и без последующего отпуска, обеспечивая нужные свойства операцией старения. Чаще всего применяют электронно-лучевую и дуговую сварку в аргоне с неплавящимся электродом и с присадочной проволокой близкого к основному металлу состава. Применяют импульсную дугу, колебания электрода поперек стыка деталей. Большие толщины сваривают в щелевую разделку (устанавливая между кромками деталей зазор, в который вводят электрод). Все это обеспечивает мелкозернистую структуру металла шва и близкие к основному металлу механические свойства.

Контрольные вопросы

1. Какие стали относятся к теплоустойчивым?

2. Где применяют теплоустойчивые стали?

3. Что осложняет сварку теплоустойчивых сталей?

 

Урок 19-20