Сварка мартенсистных-ферритных хромистых сталей

Состав и свойства сталей.

Мартенситные и мартенситноферритные стали — это основная группа высокохромистых сталей. Мартенситные стали (15Х5ВФ, 12Х8ВФ, 12Х11В2МФ, 06Х12НЗД, 20X13, 13Х14НЗВ2ФР, 30X13 и др.) содержат 5… 14% Сг и 0,06…0,4% С, а также для придания специальных свойств — другие легирующие элементы. Так как хром обеспечивает коррозионную стойкость сталей при его концентрациях более 12%, то мартенситные стали с меньшим содержанием хрома применяют в основном как конструкционный материал для высоконагруженного энергетического и нефтехимического оборудования.

Содержание хрома в мартенситно-ферритных сталях (12X13, 08Х14МФ и др.) составляет 13… 14%, что оптимально по коррозионной стойкости. Применяют их для изготовления лопаток, корпусов, диафрагм и других деталей паровых турбин, узлов химических аппаратов, насосов, теплообменников. Помимо наиболее распространенных мартенситноферритных сталей, содержащих 13… 14% Сг, находят применение как коррозионно-стойкие стали с 17% Сг, например 14Х17Н2 и др. Эти стали по сравнению со сталями, содержащими ~ 13% Сг, имеют более высокую коррозионную стойкость против коррозии в атмосфере и в некоторых химически активных средах, например в азотной кислоте. Поэтому 17%-е хромистые стали иногда применяют взамен более дорогих и дефицитных хромоникелевых аустенитных. Для повышения их прочности и уменьшения количества феррита без ощутимой потери пластичности и вязкости их легируют небольшим количеством никеля при низком содержании углерода. В таких сталях никель расширяет у-область и обусловливает появление превращения переохлажденного аустенита с образованием после охлаждения низкоуглеродистого мартенсита с повышенной прочностью и достаточным уровнем вязкости.

Свариваемость сталей.

Основной проблемой свариваемости мартенситных и мартенситно-ферритных сталей является обеспечение стойкости металла шва, в особенности околошовной зоны, против образования холодных трещин.

Содержание углерода в мартенситных и мартенситно-ферритных сталях обычно более 0,10% (исключение для некоторых специальных сталей). В сварных соединениях этих сталей металл, нагретый выше температуры точки Асз, в широком диапазоне скоростей охлаждения претерпевает мартенситное превращение при пониженных температурах, исключающих протекание процессов самоотпуска. Высокая тетрагональность образующегося мартенсита повышает склонность металла сварных соединений к образованию холодных трещин. С увеличением содержания углерода температурный интервал мартенситного превращения еще больше понижается, что приводит к возрастанию твердости мартенсита и его хрупкости. При снижении содержания углерода ниже 0,10% вязкость мартенсита повышается, однако возникает опасность образования структурно-свободного феррита, который, в свою очередь, является причиной высокой хрупкости, не устраняемой к тому же термическим отпуском. Учитывая необходимость обеспечения высокой пластичности, ударной вязкости и стойкости против хрупкого разрушения, содержание углерода в хромистых сталях часто ограничивают до 0,20 %.

Технология сварки и свойства сварных соединений.

Технология сварки высокохромистых сталей мартенситных и мартенситноферритных структурных классов во многом такая же, как для среднелегированных сталей. В зависимости от количества мартенситной и ферритной составляющих сварные соединения склонны к образованию холодных трещин или снижению ударной вязкости вследствие роста зерна. Повышенная склонность к хрупкому разрушению усложняет технологию сварки этих сталей. Их сварка без предварительного подогрева почти невозможна (за исключением малых толщин). При увеличении феррита в стали возрастает склонность к росту зерна, поэтому необходимо переходить от предварительного подогрева к сопутствующему, который снижает скорость охлаждения.

Очень важно снижение силового фактора, что обеспечивает уменьшение напряжений в металле шва и околошовной зоне. В ряде случаев следует убрать жесткие закрепления, благодаря чему возможно свободное деформирование свариваемого изделия.

Для сварки этих сталей чаще всего используют дуговую сварку покрытыми электродами. Наряду с ней применяют дуговую сварку в защитных газах и сварку под слоем специальных флюсов.

Сварка покрытыми электродами. При сварке этим способом применяют электроды с покрытиями основного типа. Для уменьшения возможного поглощения водорода перед сваркой их следует прокаливать при температуре 450…500 °С в течение 2 ч. Сварку выполняют на постоянном токе обратной полярности. Легирование наплавленного металла обеспечивается за счет металла электродного стержня. Некоторое дополнительное его легирование осуществляется введением необходимых легирующих компонентов в покрытие электрода.

Выбор марки электрода зависит от марки свариваемой стали и конкретных условий эксплуатации конструкции, а также наличия термообработки в технологическом процессе.

Мартенситные и мартенситно-ферритные хромистые стали сваривают либо с применением сварочных материалов, обеспечивающих образование металла шва, близкого по составу и свойствам к основному металлу (иногда с несколько меньшим содержанием углерода), либо с применением аустенитных присадочных материалов. Так, например, для сварки сталей 12X13 и 20X13 в первом случае используют электроды марок ЛМЗ-1, УОНИ-13/НЖ (стержень электродов Св- 12X13), для сталей 15X11МФ, 15X11ВФ — электроды КТИ-9А (стержень Св-12Х11НМФ), для сталей 15Х12ВНМФ — электроды КТИ-10 (стержень Св-ЮХПНВМФ).

Кроме того, в первом случае для предотвращения образования холодных трещин мартенситные и мартенситно-ферритные стали сваривают при температуре воздуха > 0 °C и применяют предварительный подогрев до 200…450 °С, главным образом при сварке металла средних и больших толщин. При этом температуру подогрева выбирают в зависимости от содержания углерода в свариваемой стали, ес толщины, размеров и жесткости свариваемого изделия. Для сталей с повышенным содержанием углерода и при значительной толщине металла температура подогрева, как правило, выше. В то же время данная температура не должна быть чрезмерно высокой. Высокий подогрев, как и сварка с большой погонной энергией, приводит к перегреву околошовного металла, росту зерна, сегрегациям примесей на границах зерен, способствующих охрупчиванию сварных соединений. Лучшие свойства достигаются при подогреве до температур интервала мартенситного превращения (Г_{м н}…Г_м.к) с подстуживанием после сварки до Г_{м к}, но > 100 °C, выдержке при этих температурах ~ 2 ч и посадке в печь всего изделия для высокого отпуска. Отпуск сварных соединений высокохромистых сталей назначают для снятия напряжений, распада мартенсита и общего повышения вязкости. Его проводят при температурах 650…760 °С в зависимости от состава свариваемой стали и металла шва: более низкая температура отпуска — для сталей без дополнительного легирования карбидообразующими элементами, более высокая — для сталей с повышенным содержанием молибдена, вольфрама, ванадия.

Если при изготовлении сварных конструкций из мартенситных и мартенситно-ферритных сталей последующая термическая обработка затруднена (монтажные или ремонтные условия) и не требуется получение равнопрочных сварных соединений, выполняют их по второму варианту, т. е. используют сварочные материалы, обеспечивающие получение наплавленного металла с аустенитной структурой. Например, электроды ЭА-395/9 (стержень Св-10Х16Н25АМ6). При этом предварительный подогрев и последующую термообработку не применяют.

В этом случае металл шва представляет собой как бы «мягкую прослойку» с несколько меньшим пределом прочности, чем у свариваемой стали, но с повышенной деформационной способностью. Работоспособность таких сварных соединений зависит от соотношения свойств металла шва и свойств основного металла, а также от относительной толщины мягкой прослойки. При правильном подборе соответствующих сварочных материалов и ширины шва пониженный предел прочности металла шва может не сказаться на агрегатной прочности сварного соединения в связи с эффектом контактного упрочнения.

Сварка в защитных газах осуществляется с использованием аргона или углекислого газа, а также их смесей. Качественные сварные соединения из высокохромистых сталей обеспечивает сварка неплавящимся вольфрамовым электродом в аргоне или в смеси его с гелием. Присадочный материал подбирают аналогичный требуемому составу наплавляемого металла шва.

Использование сварки вольфрамовым электродом наиболее целесообразно при изготовлении изделий малых толщин — до 5…6 мм, а также благодаря качественному формированию обратного валика для выполнения корневого слоя в многослойных швах на сталях повышенной толщины, например в изделиях турбостроения. Остальные слои могут выполняться покрытыми электродами, плавящимся электродом в защитных газах или односторонней сваркой под флюсом.

При сварке плавящимся электродом в ССЬ для предохранения от выгорания основных элементов, определяющих свойства металла шва, необходимо использовать проволоки, содержащие в достаточных количествах специальные раскислители. Например, для сварки сталей 12X13, 20X13 используют сварочную проволоку Св-08Х14ГНТ, для сталей 15X11ВФ, 15Х12ВМФ — проволоку Св-15Х12НМВФБ.

Сварка под слоем флюса также требует специальных сварочных материалов. Широко применяемые окислительные высококремнистые высокомарганцовистые флюсы АН-348А, ОСЦ-45 не пригодны для сварки высокохромистых сталей. При их использовании происходят процессы окисления не только активных легирующих элементов, но и основного легирующего элемента хрома.

Фторидные бескислородные флюсы типа АНФ-5 не обеспечивают достаточно хорошего формирования швов. Поэтому для сварки, например, сталей 15X11ВФ, 15Х12ВМФ рекомендуется применение слабоокислительных флюсов АН-17, АН-17М в комбинации с проволокой Св-10Х11ВМФБ, для сталей 12X13, 20X13 — флюс АН-45 в комбинации с проволокой Св-06Х14.