Жаропрочные стали и сплавы из высоколегированного металла

Развитие новых промышленных технологий, ракетной техники, сложного турбинного оборудования в середине пятидесятых годов прошлого века, повлекло за собой модернизацию металлургической отрасли в целом. В отдельное направление выделились работы по созданию жаропрочных сплавов. С течением времени они нашли применение в атомном машиностроении, энергетике, химической промышленности и заняли место в цепочке высокотехнологических производств.

Жаропрочные и жаростойкие материалы

Жаропрочные и жаростойкие сплавы — это большая группа легированных материалов с присадками молибдена, титана, хрома и ряда других элементов. Все эти сплавы изготавливаются на железной, никелевой и кобальтовой основах. Их главной особенностью является сохранение повышенной прочности при высоких температурах.

Основные типы

Наиболее распространены сплавы на основе железа. Это хромистые, хромоникелевые, а также хромомарганцевые стали с молибденовыми, титановыми и вольфрамовыми присадками. Также производят сплавы с такими легирующими элементами, как алюминий, ниобий, ванадий, бор, но в меньших количествах.

В большинстве случаев процент добавления присадок в сталь достигает от 15 до 50%

Вторая, весьма востребованная группа — сплавы на никелевой основе. В качестве присадки используется хром. Жаропрочность также повышают добавки титана, церия, кальция, бора и сходных по составу элементов. В отдельных технологических комплексах востребованы сплавы на основе никеля с молибденом.

К третьей группе относятся термостойкие сплавы на кобальтовой основе. Легирующими элементами для них служат углерод, вольфрам, ниобий, молибден.

В металлургии существует целый ряд материалов, который используется при легировании сталей:

  • хром,
  • никель,
  • молибден,
  • ванадий,
  • ниобий,
  • титан,
  • марганец,
  • Вольфрам.
  • кремний,
  • тантал,
  • алюминий,
  • медь,
  • бор,
  • кобальт,
  • цирконий.

Широко используются редкоземельные элементы.

Химический состав

Определение химического состава жаростойких материалов — сложный процесс. Необходимо учитывать не только основные легирующие элементы, но и то, что попадает в продукцию как примеси или остаётся в результате химических реакций, протекающих во время плавки.

Специально добавленные легирующие элементы вводятся для получения необходимых технологических, физических и механических свойств. А примеси и образовавшиеся при плавке химические элементы могут ухудшать свойства высоколегированного

металла

.

Для хромоникелевых сплавов и огнеупорных материалов на основе кобальта опасно присутствие серы более 0,005%, следов олова, свинца, сурьмы и других легкоплавких металлов.

Структура

и свойства

Жаропрочность определяется не только химическим составом металлов, но и формой, в которой​ примеси находятся в сплаве. Например, сера в виде сульфидов никеля снижает температуру плавления. А та же сера, соединённая с цирконием, церием, магнием образует тугоплавкие структуры. Большое влияние на жаропрочность оказывает чистота никеля или хрома. Однако следует учитывать, что свойства сплавов варьируются в зависимости от применяемой технологии.

Главное свойство, по которому определяют жаростойкость материала — ползучесть. Это явление постоянной деформации под непрерывным напряжением. Сопротивляемость материала разрушению под действием температуры

Классификация сплавов

Первый параметр классификации сплавов — это жаропрочность, то есть способность материала выдерживать механические деформации при высоких температурах, без деформации.

Во-вторых, это жаростойкость (окалиностойкость). Способность материала противостоять газовой коррозии при высоких температурах. При описании процессов до шестисот градусов Цельсия используется термин «теплоустойчивость».

Одной из основных характеристик является предел ползучести. Это напряжение, при котором деформация материала за определённый период достигает заданной величины. Время деформации является сроком службы детали или конструкции.

Для каждого материала установлена максимальная величина пластической деформации. К примеру, у лопаток паровых турбин эти деформации должны быть не больше 1% за 10 лет. Лопатки газовых турбин — не больше 1−2% за 500 часов. Трубы паровых котлов, работающих под давлением не должны деформироваться больше чем на 1% за 100 000 часов работы.

По способу получения материала жаропрочные марки классифицируют следующим образом.

  1. Хромистые стали мартенситного класса: Х5, Х5М, Х5ВФ, 1Х8ВФ, 4Х8С2,1Х12Н2ВМФ.
  2. Хромистые стали мартенситно-ферритного класса: Х6СЮ, 1Х11МФ, 1Х12ВНМФ, 15Х12ВМФ, 18Х11МФБ, 1Х12В2МФ.
  3. Хромистые стали ферритного класса:1х12СЮ, 0Х13, Х14, Х17, Х18СЮ, Х25Е, Х28.
  4. Стали аустенито-мартенситного и аустенито-ферритного класса: 2Х13Н4Г9, Х15Н9Ю, Х17Н7Ю, 2Х17Н2, 0Х20Н14С2, Х20Н14С2.
  5. Стали аустенитного класса: 0Х18Н10, 0Х18Н11, 1Х18Н9, 0Х18Н12Т, 1Х18Н12Т.

Маркировка сталей разнится по ГОСТам и техническим условиям. В вышеприведённом списке применяется классификация ГОСТ 5632–61 , в которой легко проследить наличие легирующего элемента по буквам. Х — хром, В — ванадий, М — молибден. Например, шифр 09Г2С означает, что в сплаве присутствует 0,09% углерода, 2% марганца и кремний, которого меньше 1%. Цифра впереди показывает содержание углерода (без цифры — до одного процента). Цифра после буквы показывает содержание определённого легирующего элемента в процентах. При содержании какого-либо элемента менее одного процента цифры не ставятся.

Ещё одним нормативным документом служит ГОСТ 5632–61 , с применением специальных обозначений. Для того чтобы быстро соотносить разные ГОСТы и Технические Условия можно воспользоваться соответствующим справочником или сортаментом отдельных выпусков.

По ГОСТ 5632–61 сплавы классифицируются следющим образом:

  1. Стали аустенитного класса с высоким содержание хрома: ЭИ813 (1Х25Н25ТР), ЭИ835, ЭИ417.
  2. Стали с карбидным уплотнением: ЭИ69, ЭИ481, ЭИ590, ЭИ388, ЭИ572.
  3. Стали сложнолегированные повышенной жаропрочности аустенитного класса: ЭИ694Р, ЭИ695, ЭП17, ЭИ726, ЭИ680, ЭП184.
  4. Стали с интерметаллидным упрочнением аустенитного класса: ЭИ696, ЭП33, ЭИ786, ЭИ 612, ЭИ787, ЭП192, ЭП105, ЭП284.

За рубежом применяется своя классификация материалов. Например, AISI 309, AISI 310S.

Технология и применение

По структуре и способу получения специальные стали подразделяются на следующие: аустенитные, мартенситные, перлитные, мартенсито-ферритные. Мартенситные и аустенитные стали применяются, если температура достигает 450−700о С и по объёму плавки занимают первое место.

С повышением температуры до 700−1000о С используются никелевые сплавы, при ещё более высоких температурах необходимо включать в технологический процесс кобальтовые сплавы, графит, тугоплавкие металлы и термическую керамику.

Аустенитные — самые жаропрочные стали, которые используются, если температура среды достигает 600о С. Основа легирования — хром и никель. Присадки Ti, Nb, Cr, Mo, W, Al.

Стали мартенситного класса предназначены для производства изделий, работающих при температуре в диапазоне 450−600о С. Повышенная жаропрочность у мартенситных сталей достигается уменьшением (до 0.10−0.15%) содержания углерода и легированием хромом 10−12%, молибденом, ниобием, вольфрамом, либо средним (0,4%) содержанием углерода и легированием кремнием (до 2−3%) и хромом (в пределах 5−10%).

Применение специальных сталей и сплавов узконаправленное и наиболее эффективно в сложных областях производства. К примеру, жаропрочные стали марки 30Х12Н7С2 и 30Х13Н7С2С нашли широкое применение в современном двигателестроении. Марки 15ХМ и 12Х12ВНМФ — в производстве котлов и сосудов под давлением. Марка стали ХН70ВМТЮ идёт на производство лопаток газовых турбин, а 08Х17Т используется при изготовлении топочных элементов печей. К жаропрочным также относится нержавеющая сталь.

Марки нержавеющей стали

Прежде всего это ЭИ417 или 20Х23Н18 по ГОСТ 5632–61 . Аналог западноевропейских и американских производителей — известная AISI 310.

Аустенитная

сталь, изделия из которой востребованы для работы в среде с температурой, достигающей 2019 °C.

20Х25Н20С2, она же ЭИ283 — аустенитный сплав, устойчивый к температурам в 1200о С и выше.

Низкоуглеродистые сплавы с содержанием хрома от 4 до 20% используется для производства листовой нержавеющей стали. Жаропрочная нержавейка по сортаменту выпускается холоднокатаной и горячекатаной, толстолистовой и тонколистовой.

Достоинства и недостатки

Свойства жаропрочных сталей делают незаменимым этот материал в таких сферах, как ракетостроение и космическая отрасль, сложное двигателестроение, авиапромышленность, производство ключевых элементов газовых турбин и многих других. Их доля в прокате высокотехнологичной стали достигает 50%. Некоторые сплавы способны работать при температуре свыше 7000° С.

Этот сложный в производстве материал, изготовление которого невозможно без специального оборудования и квалифицированного персонала, имеет высокую себестоимость. Использование подобных сталей не может быть универсальным, поэтому для его эффективного применения необходимо наличие развитой научно-технической базы.

Высоколегированная сталь, кроме основных составляющих — железа и углерода, также содержит в своем составе ряд дополнительных добавок, их общее количество превышает 10%. Легирующие добавки, которые вводят в состав таких сталей, предназначены для того, чтобы значительно улучшить физические, а также механические свойства базового сплава.

Высоколегированная сталь обладает отличными антикоррозийнными свойствами

Виды сталей с легирующими добавками

Согласно положениям соответствующего ГОСТ (5632-72), высоколегированные стали подразделяют на две большие категории: сплавы на никелевой и железноникелевой основе. Сплавы первой категории имеют основу, в которой присутствует не менее 50% никеля. Кроме никеля в структуре таких сплавов, которые представляют собой, по сути, твердый раствор, содержится хром, а также другие элементы. Основу структуры железноникелевых сталей составляют железо и никель, которых в сплаве содержится суммарно более 65%, а также в него входят твердые растворы хрома и ряд других улучшающих добавок. Количество никеля и массовая доля железа в сплавах второй категории находится в приблизительном соотношении 1:1,5.

Классифицируют высоколегированные сплавы также по основным характеристикам, которыми они обладают. Так, различают:

  • окалиностойкие стали, также называемые жаростойкими; отличительной особенностью таких сталей, изделия из которых эксплуатируются в ненагруженном либо в слабонагруженном состоянии, является их повышенная устойчивость против химического разрушения их поверхностного слоя при температуре внешней газообразной среды, превышающей 550 градусов;
  • коррозионностойкие стали, их также называют нержавеющими, они отличаются высокой устойчивостью к различным видам коррозии: межкристаллитной, солевой, кислотной, щелочной, атмосферной, химической, электрохимической, а также коррозии, развивающейся под действием электрического напряжения;
  • жаропрочные, которые отличаются от жаростойких тем, что изделия из данных высоколегированных сталей способны оговоренное время эксплуатироваться при высоких температурах внешней среды в нагруженном состоянии.

Основные свойства распространенных жаропрочных сталей

Стали с повышенным содержанием в своем составе легирующих элементов также делят на несколько категорий, в зависимости от характера их внутренней структуры. Так, в зависимости от характеристик базовой внутренней структуры, их относят к следующим классам:

  • мартенситные, основную структуру которых формирует мартенсит;
  • мартенситно-ферритные: в их структуре содержится мартенсит и, соответственно, феррит (не менее 10%);
  • ферритные: их структуру формирует феррит;
  • аустенитно-мартенситные: количественное содержание аустенита и мартенсита, формирующих структуру таких высоколегированных сталей, может варьироваться;
  • аустенитно-ферритные: их структуру формируют аустенит и феррит, которого в них содержится более 10%;
  • аустенитные: структуру формирует только аустенит.

Следует иметь в виду, что классификация высоколегированных сталей по характеру их структуры является достаточно условной, и ее даже не используют для отбраковки стальных изделий, если в их структуре имеются отклонения от нее.

К тому или иному структурному классу высоколегированную сталь относят в зависимости от того, какая в ней сформировалась базовая структура после того, как изделие из нее нагрели до высокой температуры и охладили на открытом воздухе.

Таблица соответствия российских и зарубежных стандартов — ГОСТ (Россия), EN (Европа), AISI (США) (нажмите для увеличения)

Свойства отдельных видов высоколегированных сталей

Благодаря своим уникальным характеристикам, которые можно формировать, меняя химический состав сплава, стали с повышенным содержанием легирующих добавок нашли широкое применение практически во всех отраслях современной промышленности. Среди большого разнообразия видов высоколегированных сплавов наибольшее распространение получили стали, основу внутренней структуры которых составляет аустенит. Базовыми элементами химического состава таких сталей являются никель, которого в них содержится не менее 8%, а также хром, содержание которого превышает 18%. За счет варьирования в составе подобных сталей количества других легирующих добавок получают марки сплавов с требуемыми характеристиками.

Химический состав некоторых легированных сталей

Жаропрочные стали, в составе которых дополнительно содержатся вольфрам и молибден (до 7%), а также бор, необходимый для измельчения зерна их внутренней структуры, не изменяют первоначальные механические характеристики даже при длительном нахождении в нагретом состоянии.

Отличительной особенностью марок высоколегированных сталей, относящихся к категории коррозионностойких или нержавеющих, является незначительное содержание углерода в их химическом составе (до 0,12%). Такие стали, кроме легирования соответствующими добавками, подвергают специальной термической обработке. Благодаря этому технологическому приему и свойствам элементов, которые формируют состав сталей, они становятся очень устойчивыми к воздействию агрессивных сред: кислотных, солевых, щелочных, газовых и др.

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Жаростойкие стали, которые способны выдерживать повышенные температуры внешней среды в ненагруженном состоянии, получают свои свойства благодаря тому, что в их состав дополнительно вводят алюминий (до 2,5%) и кремний, за счет чего на поверхности изделий из таких сплавов формируются плотные и прочные оксиды. Такие оксиды становятся своеобразной пленкой, надежно защищающей поверхность стального изделия от взаимодействия с нагретой газовой средой.

Чтобы сформировать у изделий из высоколегированных сталей требуемые механические характеристики (прочность и пластичность), их подвергают специальной термической обработке, которая состоит из двух этапов:

  • закалки, предполагающей нагрев сплава до температуры 2019 градусов и его последующее быстрое охлаждение в воде;
  • стабилизирующего отпуска, который предполагает нагрев высоколегированной стали до температуры 850 градусов и ее последующее охлаждение на открытом воздухе до комнатной температуры.

Конечные свойства изделия из определенной марки высоколегированной стали зависят как от ее химического состава, так и от режимов проведения и видов используемой термической обработки.

Высоколегированная конструкционная сталь

Сферы применения изделий

К наиболее популярным маркам высоколегированных сплавов, относящихся к различным классам по своей структуре, следует отнести:

  • мартенситные, которые характеризует следующий химический состав: хром — 8-19%, марганец — не более 1,2%, кремний — 0,6-3%, углерод — 0,12–0,7%; это 07Х16Н4Б, 20Х17Н2, 65Х13, 13Х11Н2В2МФ, 25Х13Н2, 20Х17Н2, 11Х11Н2В2МФ, 40Х10С2М, 30Х13, 15Х11МФ, 40Х9С2 и др.;
  • ферритные сплавы, отличающиеся следующим составом: хром — 12–30%, марганец — до 0,8%, кремний — 0,8–2%, углерод — 0,07–0,15%; это 08Х18Тч, 12Х17, 15Х28, 10Х13СЮ, 15Х25Т, 08Х17Т, 08Х13 и др.;
  • мартенситно-ферритные, имеющие следующий химический состав: хром — 11–18%, марганец — 0,5–0,9%, кремний 0,4–0,8%, углерод — 0,12–0,22%; это 12Х13, 14Х17Н2, 15Х12ВНМФ и др.;
  • аустенитно-мартенситные, состав которых содержит: хром — 14–18%, марганец и кремний — до 0,8%, углерод — 0,05–0,9%; это 07Х16Н6, 08Х17Н5М3, 08Х17Н6Т, 09Х15Н8Ю1 и др.;
  • аустенитно-ферритные, содержащие в своем составе следующие элементы: хром — 19–25%, марганец — 0,5–9%, кремний — 0,8–4,5%, углерод — 0,08–0,2%; это 15Х18Н12С4ТЮ, 12Х21Н5Т, 03Х22Н6М2, 03Х23Н6 и др.;
  • аустенитные, в состав которых входят: хром — 10–19%, никель — 2,8–25%, марганец — 0,6–15%, кремний — 0,4–0,8%, углерод — 0,05–0,21%; это 12Х18Н12Т, 20Х25Н20С2, 31Х19Н9МВБТ, 45Х14НМВ2М, 08Х10Н20Т2, 12Х25Н16Г7АР и др.

Для понимания того, насколько большое значение в современной промышленности имеют стали с высоким содержанием легирующих элементов, можно привести примеры сфер применения отдельных марок таких сплавов.

Сталь популярной марки 12Х17 широко используется для производства кухонной посуды и предметов домашнего обихода. Ограничением использования такой стали является то, что изделия из нее нельзя соединять при помощи сварки.

Физические характеристики стали марки 12Х17

Из высоколегированных сталей марок 12Х13, 08Х13 и 20Х13 изготавливают детали гидравлических устройств, изделия, подвергающиеся в процессе эксплуатации ударным нагрузкам и работающие в условиях слабоагрессивных сред.

Сталь марки 95Х18 отлично противостоит износу, поэтому из нее производят элементы шарикоподшипников для ответственных установок, втулки, ножи и другие инструменты.
30Х13 и 40Х13 — марки высоколегированных сталей, из которых изготавливают компрессорные клапанные пластины, детали автомобильных карбюраторов, пружины различного назначения, измерительный и медицинский инструмент.

Это лишь небольшой перечень сфер применения, в которых без использования высоколегированных сталей благодаря их уникальным характеристикам просто не обойтись.

МАТЕРИАЛЫ И ИХ ПОВЕДЕНИЕ ПРИ СВАРКЕ

Жаропрочные стали и сплавы — это вид конструкци­онных материалов, эксплуатирующихся при высоких температурах (Траб > 550—580 «С) в течение длительного времени (tpa6 > Ю ООО…100 ООО ч) в условиях сложнона­пряженного состояния. Основной их характеристикой, определяющей надежность и работоспособность конст­рукций, является жаропрочность.

Составляющими понятия жаропрочности являются:

1) величина напряжений, вызывающая деформации, не приводящие к разрушению материала или кон­струкции при рабочей температуре за заданный отрезок времени Если оговариваются напряжение и время, то такая характеристика называется пре­делам длительной прочности, если оговариваются напряжение, время и деформация, то такая харак­теристика называется пределом ползучести;

2) запас пластичности, определяемый при испытани­ях на длительную прочность и ударную вязкость после длительного старения, определяющий чув­ствительность материала к надрезу;

3) значение прочности ов, пластичности 5 при нор­мальной температуре и сопротивление усталости ст_, при высоких температурах,

4) технологические свойства, обеспечивающие воз­можность обработки заготовок с использованием обычных операций штамповки, ковки, механичес­кой обработки и сварки.

Наиболее важными составляющими жаропрочности являются ползучесть и длительная прочность.

Как известно [3], уровень ползучести определяется со­противлением деформации кристаллической решетки при заданной температуре, зависящим от легирования, субструктуры

металла

в исходном состоянии и субструк­туры, формирующейся в процессе высокотемпературно­го скольжения, а также выделении второй фазы из твер­дого раствора и состояния границ зерен (межзеренное проскальзывание). Как правило, чем выше уровень ле­гирования твердого раствора, тем выше его сопротивле­ние деформации ползучести при Т = const. Существен­но повышают сопротивление ползучести Сг, Mo, W. В то же время с ростом температуры при постоянной ве­личине деформации прочность крист аттической решет­ки может снижаться из-за увеличивающейся диффузии элементов и ослабления межатомных связей.

Таким образом, сопротивление ползучести определя­ется природой

металла

, его структурой и температурой. Установлено, что при рабочей температуре до Тр = 0,5Та1 прочность

металла

и сопротивление ползучести опреде­ляются стабильностью его дислокационной структуры. При Тр > 0,5Т11Л устойчивость дислокаций снижается, степень их закрепления структурными и концентраци­онными дефектами ослабевает из-за усиления диффу­зии, а основную роль в сопротивлении ползучести иг­рают силы межатомной связи. Как правило, чем выше

Тщ, и Трекр элемента, составляющего основу сплава (на­пример, Fe или Со), тем выше сопротивление ползуче­сти. Из структурных факторов наиболее заметно на уро­вень ползучести влияют состояние (дефектность) границ зерен и свойства упрочняющих (вторичных) дис­персных фаз.

Пределом ползучести называют напряжение, вызыва­ющее величину пластической остаточной деформации при заданной температуре, не приводящей к разрушению

металла

. Например, <^/1000о означает величину напря­жения, которое при рабочей температуре Т = 500 °С вы­зывает 1% остаточной (пластической) деформации за 10 ООО ч эксплуатации.

В стандартах эта характеристика оговорена для каж­дой марки жаропрочной или теплостойкой стали [8].

При экспериментальном определении уровня жаро­прочности удобнее использовать значение скорости ползучести при данной температуре и напряжении, ко­торая соответствует определенному удлинению (величи­не деформации).

Под пределом длительной прочности понимают напря­жение, вызывающее разрушение материала за заданный срок при температуре эксплуатации. Однозначно дока­зано, что гетерогенные сплавы обладают большей длитель­ной прочностью, чем гомогенные сплавы. Лучшие результа­ты получаются, если легирующий элемент (например, Mo, Nb, W и т. п.) и растворяется в твердом растворе (упрочняет матрицу), и образует вторую фазу.

По степени легирования жаропрочные стали можно разделить на низколегированные (Сг, Mo, V < 3%), ра­ботающие до Т < 500—580 °С (теплостойкие), и высоко­легированные, содержащие Cr, Mo, V и другие легиру­ющие элементы в количестве до 30—40% и длительно работающие при Т > 580…600 “С. О них пойдет речь в этой главе.

Жаропрочные стали по типу легирования и характе­ру упрочнения классифицируют на две группы:

1. Гомогенные аустенитные стали, неупрочняемые термической обработкой. Жаропрочные свойства у них достигаются введением в железо повышен­ного количества углерода и комплексным легиро­ванием матрицы Ni, Сг, Мп, Mo, V и Nb с тем, чтобы получить стабильное во всем температурном интервале эксплуатации аустенитное состояние. Эти свойства обеспечиваются также и субмикроско­пически тонкой структурой, образующейся при вы­делении карбидной фазы. К таким сталям относят­ся 06Х14Н6Б,

08Х18Н12Т

, 20Х23Н18, 07XI6H9M2. Они применяются для паропроводов, камер сго­рания и других узлов энергетического оборудова­ния, длительно работающих при высоких темпе­ратурах.

2. Гетерогенные стали упрочняются термообработ­кой (закалка и старение), в результате которой в аустенитных сталях образуется достаточное коли­чество карбидных, карбонитридных и интерметал — лидных фаз, упрочняющих границы матрицы и обеспечивающие им требуемую жаропрочность (ползучесть) при более высоких температурах (до 700-750 «С). Эти фазы не растворяются при дли­тельном высокотемпературном нагреве и, создавая барьеры для движения дислокации, снижают ин­тенсивность пограничной диффузии элементов, повышая температуру рекристаллизации, а следо­вательно, и длительную прочность при высоких температурах.

Наиболее стабильными упрочняющими фазами яв­ляются фазы Лавеса Fe2W, Fe2Mo, Fe2Ti. Они, например, обеспечивают требуемый уровень жаропрочности сталей марок 10Х12Н20ТЗР, 40Х18Н25С2, 10Х15Н35ВТР и др. Из этих сталей изготовляют роторы паровых турбин, па­ропроводы, лопатки турбин, автоклавы и др.

Все указанные стали обладают также жаростойкостью.

Характеристика свариваемости

Свариваемость гомогенных жаропрочных сталей оп­ределяется формирующейся структурой и свойствами шва и зоны термического влияния. В стабильно аусте­нитных сталях с соотношением Cr. JKB/Ni3KH < 1,3 кристал­лизация шва протекает путем выделения из жидкой фазы твердого раствора аустенита и небольшого коли­чества 5-феррита. Однако в условиях ускоренного ох­лаждения швы в этом случае состоят по существу из одного аустенита, формирующегося в виде крупных столбчатых кристаллитов со значительно развитой меж — дендритной ликвацией. При Cr3KB/NiJiaj >1,3 ведущей фа­зой при кристаллизации является феррит, что приводит к измельчению зерна аустенита и упрочнению структу­ры шва. Содержание феррита в этих сталях может дос­тигать 5…6%. Для придания таким сталям однофазного состояния с мелким зерном шов и сварное соединение в целом должны быть подвергнуты аустенизации (закал­ке с J 050 .1100 С), так как аустенитная (или с неболь­шим количеством феррита) крупнозернистая структура шва с высоким уровнем междендритной ликвации по­вышает склонность его к горячим трещинам.

Важной для характеристики свариваемости является схема кристаллизации шва. Наиболее благоприятной с точки зрения сопротивляемости горячим трещинам яв-

172

ляется кристаллизация с изгибом кристаллитов, при котором угол срастания их в центре шва близок к нулю (см. рис. 8.2). При многослойной сварке последующий шов создает условия для появления транскристаллиза­ции

металла

шва, что в свою очередь повышает склон­ность к горячим трещинам.

В околошовной зоне соединений из указанных двух ірупп сталей происходят следующие изменения:

• выделение сегрегатов S, Р, РЬ и карбидной эвтекти­ки с возможностью образования трещин-надрывов;

• расплавление по линии сплавления неметаллических включений;

• образование первичного d-феррита в высоконаг — реваемых зонах, что повышает склонность к ох­рупчиванию;

• коагуляция и растворение избыточных упрочняю­щих фаз, способствущие охрупчиванию тела зерна;

• рост зерна в участках нагрева выше 2019 “С, осо­бенно в гомогенных сталях, находившихся перед сваркой в состоянии наклепа на 5..Л5% (листы, профили).

Таким образом, характер кристаллизации сварных швов и изменения состояния

металла

в ЗТВ снижают пластичность

металла

в температурном интервале хруп­кости, что приводит к горячим кристаллизационным тре­щинам, а при Т = 1450… 2019 “С — к горячим подсолидус- ным трещинам, образующимся в результате межзеренной высокотемпературной деформации.

В сварных швах и ЗТВ из этих сталей образуются так­же ликвационные горячие трещины (по строчкам неметал — лических включений), особенно при сварке на мягких режимах (малые скорости сварки) и при многослойной сварке (повторный нагрев). Этот вид трещин наиболее характерен при сварке деталей из литых жаропрочных сталей.

Свариваемость гетерогенных жаропрочных сталей, содержащих феррита до 8…10% и подвергающихся пос — лесварочной термообработке (закалка+старение), харак­теризуется возникновением трещин в интервале темпе­ратур Т — 600…800 °С как результат чрезмерного роста зерна и формирования плоских (надрезы) включений карбидов по их границам. Трещины чаще возникают в жестких сварных узлах, имеющих концентраторы на­пряжений (иепровары, подрезы). Стали, легированные Ті и Nb (12Х18Н9Б, 10X15H35B3T, 12Х18Н9ТР), наибо­лее склонны к подобному трещинообразованию.

При длительной эксплуатации сварных соединений в интервале 300…500 °С, в металле швов, содержащих

8.. . 10% феррита, наблюдается охрупчивание («475-гра­дусная» хрупкость) из-за дополнительного выделения карбидов хрома. При Т = 650…900 °С охрупчивание со­единений происходит вследствие выделения хрупкой ст — фазы, что создает опасность локальных разрушений. Гомогенизация сварных соединении из сталей этой группы устраняет оба вида охрупчивания и восстанав­ливает необходимую пластичность сварных соединений. Швы, легированные бором, как правило, более стойки к образованию трещин.

Для жаропрочных сталей характерно радиационное охрупчивание из-за образования в решетке твердого ра­створа атомов водорода и гелия под действием нейтрон­ного облучения. Длительная прочность таких сталей и сварных соединений снижается и практически не вос­станавливается. Исключение составляют стали типа 25- 20, легированные ниобием (Nb>10%).

Технологические рекомендации по сварке

Технология сварки жаропрочных гомогенных сталей аус — тенитного класса, длительно эксплуатирующихся при Т > 600 °С, должна обеспечивать в шве за счет легирую­щих сварочных материалов наличие не более 1…2% фер- ритной фазы с целью обеспечения пластичности и пре­дупреждения охрупчивания шва.

При ручной дуговой сварке это достигается за счет выбора типов и марок электродов.

При сварке под флюсом и в защитных газах необхо­димо учитывать повышенную долю участия основного

металла

в шве, существенно влияющую на состав шва, и варьировать как марками электродной проволоки, так и режимами сварки, особенно при выполнении корне­вых и облицовочных швов. Охрупчивание таких швов практически исключается, если содержание 5-феррита в шве не более 4%.

Для сварки жаропрочных гетерогенных сталей реко­мендуется применять сварочные материалы аустенитно — карбидного, аустенитно-боридного или глубоко аусте — нитного классов. Стойкость против горячих трещин также повышается за счет снижения содержания приме­сей в сталях и сварочных материалах, достигающаяся при специальной технологии их выплавки (вакуумно­луговая, электрошлаковая и т. д.). Некоторые примеры по выбору сварочных материалов для сварки гомоген­ных и гетерогенных сталей приведены в табл. 14.1.

Для сталей обоих групп при автоматических спосо­бах сварки используют безокислительные флюсы ФЦ— 17, ФЦ—18, АНФ—5, 48-ОФ—6М или инертные защит­ные газы (Аг, Не).

Материалы и их поведение при сварке 1 Глава 14. Высоколегированные жаропрочные…

Сварочные материалы для сварки сталей аустенитного, аустенитно-ферритного и аустенитно-карбидного классов

Марка стали

Марка электрода при ручной сварке

Тип наплавленного

металла

Марка проволоки при механизированной сварке

Марка флюса

Стр>ктура

наплавленного

металла

0SX18H9

ЦТ-26

10Х16Н9М2

СВ-10Х16Н25АМ6

ФЦ-17

Аустенитная

08XI8H10T

ЦТ-26

ФЦ-18

Аустснитно-

ферритная

08Х18Н12Т

ЦТ-15

АН-18

08Х16Н9М2

ЦТ-26

10XI6H9M2

Св-Х1бН9М2

АН-26

І2ХІ6Н13М2Б

ЦТ-7

I0XI8H11М2Б

Св-08Х18Н9Б

АНФ-5

12Х14Н20В2БР

ЦТ-23

12Х14НІ8В2Б

48-ОФ-6М

Аустенитно-

карбидная

08X18Н10

цп-п

04Х20Н9

48-ОФ-6М

Аустенитная

Окончание табл 14. 1

Марка стали

Марка электрода при ручной сварке

Тип наплавленного

металла

Марка проволоки при механизированной сварке

Марка флюса

Структура

наплавленного

металла

08Х18Н12Б

ЦТ-15,

ЦТ-26

08Х16Н8М2

Св-

08Х18Н12Б

АН-18

Аустеиитно-

ферритная

09Х16Н9М2

ЦТ-26

CB-08XJ6H8M2

АН-26

10XJ7H13B2M

ЦТ-16, КТИ-5,

ЦТ-19

Св-08Х15Н9В4Б

АН-18

Аустенитная

20Х23Н18

ЦТ-19

Св-08 Х25Н20С2Р

АНФ-23

Аустенигно-

карбидиая

10X15H35B3T

ЦТ-10

СВ-10Х16Н25АМ6

АН-17

Аустенитная

Тепловые режимы сварки, определяющие формиро­вание геометрических размеров швов, существенно вли­яют на образование горячих трещин. Сварочный ток вы­бирается (рассчитывается) так, чтобы его величина была на 25…30% меньше, чем для углеродистых сталей соот­ветствующей толщины.

Наиболее удобно регулировать гепловложение за счет скорости сварки, при этом косвенным критерием опти­мальной скорости является большая кривизна чешуек на поверхности шва. Предпочтительно избегать малых диаметров электродов и проволок.

Перемешивание сварочной ванны механическим или электромагнитным путем, введение холодной присадки в ванну, интенсивное охлаждение свариваемого изделия повышают стойкость швов против горячих и полугоря — чих трещин.

Из дуговых способов сварки лучшие результаты дос­тигаются при аргонодуговой сварке.

При всех способах сварки необходимы тщательная зачистка кромок, их обезжиривание, а в отдельных слу­чаях травление. Необходимо стремиться к минимально­му количеству прихваток, а требуемая точность сборки должна обеспечиваться за счет использования сбороч­но-сварочных приспособлений.

Термообработку сварных конструкций, работающих при Т < 500 “С, проводят только для снятия остаточных напряжений (отжиг при Т = 900 °С в течение 10 ч). Для эксплуатации соединений при Т > 500 °С необходима аустенизация сварных соединений при Т = 1100... 1150 °С, приводящая к полному растворению карбидов в теле зерна и последующему их измельчению. Иногда проводят двойную аустенизацию.

Более подробную информацию о сварке жаропроч­ных и жаростойких сталей можно получить в литерату­ре [7, 8].

21.3.1. Сварка алюминия и его сплавов с медью Основной проблемой сварки является различие в теплофизических, химических и механических свой­ствах алюминия и меди, их ограниченной взаимной ра­створимости и в образовании в …

21.2.1. Сварка стали с алюминием и его сплавами Получение требуемого уровня эксплуатационных ха­рактеристик в таких соединениях затруднено различи­ем температур плавления и ограниченной взаимной ра­створимостью алюминия и железа. Аргонодуговая сварка вольфрамовым …

Сварные конструкции из разнородных металлов и сплавов применяются в судостроении, химической и нефтехимической, авиационной и энергетической промышленности. В целях снижения веса, улучшения эксплуатационных характеристик изделий, экономии цветных металлов или легированных …