Свариваемость материалов
..pdf
напряжений (рис. 19.3). Кроме того, эти превращения снижают коррозионную стойкость и стойкость против межкристаллитной коррозии ЗТВ.
19.2.2. Хрупкость сварных соединений
Обратное мартенситное превращение в ЗТВ и ограниченный объем последующего мартенситного превращения при охлаж дении до комнатной температуры исключает при сварке сталей этого класса образование холодных трещин. Вместе с тем ин тенсивное выделение карбидов, и особенно образование 6-фер рита, приводят к хрупкому разрушению сварных соединений в зонах структурных изменений, особенно при понижении тем пературы до —196 °С. Последнее объясняется резким сниже нием пластичности 6-феррита. В этом Случае полная термо обработка (закалка, обработка холодом, отпуск) позволяет по лучить оптимальные соотношения аустенита и мартенсита, а также отсутствие 6-феррита. При этом восстанавливается вязкость зоны сплавления при сохранении прочностных харак теристик сварного соединения на уровне 0,9 <т„ основного ме талла в случае выполнения сварки материалами мартенситного либо аустенитно-мартенситного класса.
19.3. Технология сварки и свойства соединений
19.3.1. Выбор сварочных материалов
Соединения стали аустенитно-мартенситного класса целесооб разно выполнять аргонодуговой сваркой без присадки (тонко листовые детали) либо с присадкой перечисленными ниже ма териалами, а также контактной точечной и роликовой сваркой
иэлектронно-лучевой сваркой.
Вслучае сварки соединений, для которых отсутствует тре бование равнопрочности, допускается ручная электродуговая сварка электродами, дающими аустенитный наплавленный ме талл, либо механизированная сварка под слоем флюса марки АН-26с по ГОСТ 9087—81 либо марки 48-ОФ-6 по ОСТ 5.9206—76.
Выбор присадочного материала осуществляют, исходя из требований прочности сварного соединения. В случае отсут
ствия требований высокой прочности к швам в качестве приса дочной можно рекомендовать аустенитную проволоку Св-01 Х19Н18Г10АМ4 (ТУ 14-1-1892—71) либо Св-08Х21Н10Г6 (ГОСТ 2246—70), обладающих хорошей стойкостью против образования горячих трещин и высокой прочностью и пластич ностью в широком интервале температур, в том числе отрица тельных (до —196 °С).
|
|
|
Механические свойства, |
|
|
|
Толщина |
<хв, МПа |
|
Сталь |
Присадочная проволока |
|
|
|
металла, |
без тер |
|
||
|
|
мм |
с термообра |
|
|
|
|
мообра |
|
|
|
|
боткой |
|
|
|
|
ботки |
|
|
|
|
|
|
07Х16Н6 |
Св-07Х16Н6 |
10 |
|
1200 |
■08Х17Н5МЗ |
Св-01 Х19Н18Г10АМ4 |
10 |
655 |
|
Св-08Х17Н5МЗ |
4— 11 |
|
1100— 1200 |
|
При наличии требований высокой прочности сварных соеди нений рекомендуется к применению аустенитно-мартенситные проволоки Св-07Х16Н6, Св-08Х17Н5МЗ, Св-09Х15Н9Ю (ТУ 14-1-997—74), Св-01Х12Н11М2ТС (ТУ 14-1-3482—82).
Механические свойства сварных соединений, полученных с применением некоторых из указанных сварочных материалов, приведены в табл. 19.4.
Прочность сварных соединений, сваренных аустенитной при садочной проволокой, выше прочности самой присадки. Это объясняется стеснением деформации металла шва из-за более высокой прочности основного металла. Такой эффект по мере увеличения ширины шва и зоны с аустенитной структурой уменьшается.
19.3.2. Выбор режимов сварки
Режим сварки выбирают, исходя из способа сварки, толщины свариваемого материала, диаметра сварочной проволоки и дру гих параметров.
Приведенные режимы сварки (табл. 19.5) могут быть скор ректированы в зависимости от типа соединения, наличия раз делки кромок, качества сборки, наличия либо отсутствия под кладки, положения шва в пространстве и т. д.
19.3.3. Выбор послесварочной термообработки
Влияние термического цикла сварки приводит к структурным изменениям, приводящим к охрупчиванию металла ЗТВ сталей, а также снижению их коррозионной стойкости и стойкости про тив межкристаллитной коррозии. Поэтому при изготовлении ответственных конструкций, к которым предъявляются требо вания высокой прочности, вязкости и коррозионной стойкости сварных соединений, целесообразно предусмотреть полный цикл
ОРИЕНТИРОВОЧНЫЕ РЕЖИМЫ СВАРКИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНО-МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА
Способ сварки |
Толщинасвари ваемогометал ммла, |
проходовЧисло |
Диаметрпрово ммлоки, |
Сварочныйток, А |
Напряжение ВДуги, |
|
|
|
|
|
|
Ручная дуго- |
2—6 |
1—2 |
1 ,6 -2 ,0 |
50—80 |
10— 11 |
вая неплавя- |
6— 12 |
2 - 6 |
2 ,0 -3 ,0 |
8 0 -1 2 0 |
10— 11 |
щимся элек- |
12—20 |
6— 16 |
2,0—3,0 |
120—200 |
11— 12 |
тродом в |
|
|
|
|
|
инертном газе |
|
|
|
|
|
Полуавтомати |
2.5 |
1 |
1,0 |
140— 180 |
|
ческая дуго |
3,0 |
1 |
1— 1,6 |
150—260 |
|
вая плавящим |
4,0 |
1 |
1— 1,6 |
160—300 |
2 0 -2 5 |
ся электродом |
6 - 8 |
1—2 |
1,6—2,0 |
220 -360 |
|
в инертном |
10,0 |
2 - 3 |
2,0 |
290—380 |
|
газе |
|
|
|
|
|
Скорость свар ки, м/ч |
Расход аргона, л/мин |
|
6—8 |
— |
8— 10 |
|
10 -12 |
6—8 6 - 8
—9— 15
12-17
Автоматиче |
3,0 |
1 |
1,6—2,0 |
200—280 |
) |
20—40 |
6—8 |
ская дуговая |
4,0—6,0 |
1—2 |
2,0—2,5 |
220—360 |
2 0 -3 0 |
20—30 |
7— 12 |
плавящимся |
8,0— 10,0 |
2 |
2,0—3,0 |
300— 440 |
J |
1 5 -3 0 |
12-17 |
электродом |
|
|
|
|
|
|
|
в инертном |
|
|
|
|
|
|
|
газе |
5—8 |
1 |
3—4 |
520—550 |
3 2 -3 4 |
25—35 |
|
Автоматиче |
— |
||||||
ская под |
10— 12 |
1 - 2 |
4 |
560—600 |
34—36 |
25—30 |
— |
слоем флюса |
14— 16 |
2 - 3 |
4 |
560—600 |
34—36 |
25 |
— |
|
|
|
|
|
|
|
|
(обратная по |
18—20 |
3—4 |
4 |
560—600 |
3 4 -3 6 |
20 |
— |
лярность) |
|
|
|
|
|
|
|
термообработки, включающий закалку, обработку холодом и отпуск. Режим термообработки в этом случае выбирают ана логичным термообработке основного металла (см. табл. 19.2).
В случае выполнения сварки крупногабаритных изделий, исключающих возможность закалки, следует сварное соедине ние подвергнуть обработке холодом и последующему отпуску. При этом несколько повышается ударная вязкость сварного соединения.
19.3.4. Коррозионная стойкость соединений
Стали аустенитно-мартенситного класса имеют после закалки с температур, достаточных для растворения карбидов, высокую коррозионную стойкость, определяемую прежде всего высоким содержанием хрома. Сварные соединения имеют равную корр0* зионную стойкость с основным металлом.
Мартенситное превращение при обработке холодом сталей,
КОРРОЗИОННАЯ СТОЙКОСТЬ СТАЛЕЙ АУСТЕНИТНО МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ [1]
|
«в |
|
Скорость коррозии, |
мм/г |
|
|
о. |
|
|
|
|
Среда |
н |
|
|
|
|
0) |
о |
|
|
|
|
|
Sf |
|
|
|
|
|
* к |
О |
09Х15Н8Ю |
08Х17Н5МЗ |
12Х18Н10Т |
|
Оз: |
к |
|||
|
* 5 |
|
|
|
|
Азотная кислота |
10 |
40 |
0 |
0,001 |
0,001 |
То же |
10 |
Кипе |
0,020 |
0,012 |
0,010 |
|
|
ние |
|
|
|
|
30 |
20 |
0 |
0 |
0 |
|
30 |
40 |
0 |
0 |
0 |
|
30 |
Кипе |
0,110 |
0,100 |
0,030 |
|
|
ние |
|
|
|
Фосфорная кислота |
20 |
То же |
0,03 |
0,01 |
0,004 |
Едкое кали |
30 |
» |
0,003 |
0,004 |
0,003 |
Хлористый магний |
42 |
135 |
0,01 |
0,01 |
0,003 |
прошедших закалку, не влияет на коррозионную стойкость и способность сталей к пассивации.
Низкотемпературный отпуск и старение после обработки холодом также не вызывают каких-либо изменений общей кор розионной стойкости.
Стали аустенитно-мартенситного класса 09Х15Н8Ю, 07Х16Н6, 08Х17Н5МЗ в соответствии с требованиями ГОСТ 6032—84 после полного цикла термообработки стойки также против межкристаллитной коррозии. Вместе с тем при нагреве выше 500 °С наблюдается интенсивное падение стойкости про тив межкристаллитной коррозии в связи с выделением по гра ницам бывших аустенитных зерен карбидов, богатых хромом.
Холодная пластическая деформация сталей аустенитно-мар тенситного класса, при которой образуется до 75 % мартенсита, не уменьшает склонность стали к общей и межкристаллитной коррозии. Таким образом, нержавеющие стали рассматривае мого класса и их сварные соединения во многих случаях имеют хорошее сочетание высокой прочности и коррозионной стойко сти в агрессивных средах (табл. 19.6).
Глава 20. МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИЕ СТАЛИ
(Лазько В. Е.)
20.1. Состав, структура сталей и их назначение
Мартенситно-стареющие стали отличает особый механизм упрочнения, осно ванный на выделениях интерметаллидов типа Ni (Ti, Al), Ni3Ti, Ni3Mo при нагреве 400—550 °C твердых растворов железа с никелем и добавками раз личных элементов замещения. При этом обеспечивается а в= 1500-^2000 МПа,
а для ряда композиций до 2800 МПа. Максимальное упрочнение при старе нии достигается в безуглеродистых сплавах как необходимом условии пре дотвращения связывания легирующих элементов в карбиды. Поэтому обра зующийся при закалке таких сталей мартенсит сравнительно мягок (Ов=700ч-1100 МПа) и пластичен.
Основной системой легирования мартенситно-стареющей стали, обеспе
чивающей максимальный уровень |
прочности, |
является |
железоникелевый |
сплав (18—25% Ni), содержащий |
добавки Mo, |
Со, Ti |
и А1 (Н18К9М5Т, |
Н18К8М5ТЮ, Н18К12М5Т и др.). Другой распространенной системой, обес
печивающей |
уровень прочности |
о в^ 1 6 |
0 0 МПа, является |
железохромонике |
левый сплав |
(10— 13% Сг и |
5— 10% |
Ni) с добавками: |
Me, Со, Ti и А1 |
(XI1Н10М2ТЮ, Х12Н9К4МВТ, 03Х12К14Н5М5Т и др.). В структуре этих сталей может быть 10—40 % остаточного аустенита. Третьей системой леги
рования |
мартенситно-стареющих сталей, обеспечивающей уровень прочности |
а в^ 1 5 0 0 |
МПа, является сплав Fe с 12% Ni и дополнительным легирова |
нием Си, Mn, V и другими элементами, вызывающими умеренное старение (Н12М2Д2ТЮ, 03H12X5M3, Н8Г4ФЗД2 и др.). Четвертой системой леги рования является железоникелькобальтовый сплав (9% Ni — 4% Со) с до бавками карбидообразующих элементов и содержанием С 0,2—0,4 % Смешанный карбидно-интерметаллидный механизм упрочнения обеспечивает уровень прочности ав= 1300—2000 МПа. Химический состав некоторых мар тенситно-стареющих сталей и их свойства приведены в табл. 20.1.
Микроструктура типичных мартенситно-стареющих сталей представляет так называемый «массивный» мартенсит в виде пакетов ферритных пластин, разделенных малоугловыми границами. Высокая плотность дислокаций и границ в объеме мартенсита обеспечивает однородное распределение вы деляющихся при старении частиц с расстоянием между ними 0,2—0,5 мкм.
Мартенситно-стареющие стали изготавливаются в виде поковок, штам повок, листов, отливок, прутков и проволоки, в том числе и сварочной. Для стабилизации значений пластических характеристик, увеличения уста лостной прочности и предотвращения водородного охрупчивания применя ется вакуумный переплав металла, повышающий чистоту по содержанию неметаллических включений, газов и примесей цветных металлов. Для умень шения содержания углерода и азота в некоторых случаях применяют элек тронно-лучевой переплав.
Относительно высокая' стоимость мартенситно-стареющих сталей огра ничивает применение конструкциями, где на первый план выдвигается необ ходимость обеспечения повышенной удельной прочности, в том числе и при
сварке закаленных элементов, при низкой чувствительности к наличию |
над- |
ТА БЛИЦА |
20.1 |
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА |
|
МАРТЕНСИТНО-СТАРЕЮЩИХ СТАЛЕЙ |
|
|
|
Содержание элементов, |
% |
|||
Марка стали |
|
|
|
|
|
|
5 |
а |
о |
и |
н |
< |
о |
£ |
||||||
прочие
Механические
свойства
<9
Е
* |
а х |
bа 4
Н18К9М5Т |
18 |
9 |
5 |
10,8 |
0,7 |
0,15 |
0,02 |
|
2100 |
50 |
0,3 |
03X11Н9М2Т |
9,7 |
— |
2 |
0,7 |
— |
0,03 |
— |
1600 |
60 |
0,7 |
|
Н12Х5МЗ |
11,5 |
— |
2,5 |
4 |
0,15 |
0,10 |
0,03 |
— |
1200 |
68 |
0,9 |
08Х15Н5Д2Т |
5 |
— |
— |
14,5 |
0,10 |
— |
0,08 |
2Си |
1300 |
58 |
1,4 |
30Н8К4ХМФ |
8 |
5 |
1 |
1 |
— |
— |
0,32 |
0,1V |
1600 |
55 |
0,8 |
резов и трещиноподобных дефектов. Типичные области применения: оболочки летательных аппаратов, корпуса двигателей, сосуды высокого давления, из делия криогенного назначения и др. [I].
20.2.Свариваемость сталей
20.2.1.Фазовые и структурные превращения
По свариваемости мартенситно-стареющие стали превосходят широко используемые углеродистые легированные стали. Они мало чувствительны к образованию горячих и холодных тре щин; обеспечивают повышенный уровень механических свойств сварных соединений в нетермообработанном состоянии и воз можность достижения равнопрочности основному металлу про ведением после сварки старения, j
Высокая прокаливаемость мартенситно-стареющих сталей предопределяет получение мартенситной структуры независимо от скорости охлаждения после аустенитизации. Повышенное со держание легирующих элементов может сместить температуру окончания мартенситного превращения ниже комнатной, что обусловит наличие в структуре определенного количества оста точного аустенита. Другой причиной его появления является нагрев закаленной стали на температуру, близкую к 600 °С, что приводит к обратному ос—у-превращению.
Как при сварке в термоупрочненном, так и отожженном со стоянии старение в зоне термического влияния происходит там, где нагрев достигал температур 480—540 °С. В тех случаях ЗТВ, где температура была 650 °С, мартенсит распадается на феррит и обогащенный никелем и, следовательно, стабильный аустенит. При охлаждении до комнатной температуры эти структурные составляющие сохраняются и не претерпевают из менений в результате старения после сварки.
ТАБЛИЦА 20.2
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И СВОЙСТВА СВАРОЧНЫХ ПРОВОЛОК
Марка
сварочной
проволоки
Содержание элементов, %
2 |
о |
о |
ь |
< |
О |
£ |
прочие
Свойства наплавлен ного металла
и |
СО |
се |
|
|
С |
а2 |
|||
с |
||||
S |
£ |
|
|
|
|
ъ. |
в |
|
|
|
X |
|
||
|
о |
D |
|
03Х12Н9М2С |
8,7 |
2 |
11,8 |
0,05 |
|
0,03 |
l,5Si |
14 |
1100 |
1300 |
0,90 |
03Н18К9М5Т |
18 |
4,5 |
— |
0,5 |
0,2 |
0,03 |
8Со |
7, |
1100 |
1650 |
0,35 |
03Х11Н10М2Т |
9,5 |
2 |
10,8 |
0,7 |
0,15 |
0,03 |
— |
13,5 |
1100 |
1500 |
0,40 |
06Х13Н6К8М4 |
5,5 |
4 |
13 |
|
— |
0,06 |
8Со |
13,3 |
1120 |
1700 |
0,50 |
18Н8ХМА |
8 |
0,8 |
1 |
— |
|
0,2 |
0,8Мп |
7 |
500 |
1300 |
0,62 |
20.2.2. Сопротивляемость ГТ
Благодаря низкому содержанию углерода в большинстве марок мартенситно-стареющих сталей сопротивляемость ГТ находится на высоком уровне (табл. 20.2). Случаи поражения сварных швов горячими трещинами наблюдались при содержании С
0,1—0,2% |
или наличии в сварочной проволоке редкоземельных |
элементов |
свыше 0,03 %. Согласно [1], сварочная проволока |
не должна |
также содержать Са, В и Zr. Легирование Со до |
5 % приводит к увеличению сопротивляемости трещинам [2].
20.2.3. Сопротивляемость XT
Безуглеродистые и малоуглеродистые мартенситно-стареющие
стали проявляют |
чувствительность к |
образованию |
XT только |
в присутствии Н. |
Неравномерность |
распределения |
водорода |
по зонам сварного соединения предопределяет места преиму щественного зарождения трещин по центру сварного шва, ли нии сплавления и карбидной сетке в зоне термического влия ния. Особенно неблагоприятна многопроходная сварка, при ко торой увеличение продолжительности пребывания металла в температурном интервале выпадения карбидов и интерметаллидов приводит к росту размеров включений, повышению ло кального напряженного состояния и концентрации Н, облег чающих зарождение трещин. Предотвращение образования XI достигается при наличии в структуре свыше 20 % остаточного аустенита. Действие легирующих элементов обусловлено в ос новном влиянием двух факторов: изменения растворимости Н и содержания остаточного аустенита в металле шва. При мар тенситной структуре повышение содержания Мо и Ni ухудшает, а Мп и Со увеличивает сопротивление холодным трещинам в соответствии с изменением растворимости Н. В то же время Ni и Мо могут играть положительную роль, если при легиро вании образуется остаточный аустенит.
20.2.4. Структурные и технологические дефекты сварных соединений
Низкий |
уровень содержания элементов-раскислителей |
(С, Si |
и Мп) |
в мартенситно-стареющих сталях обусловливает |
опреде |
ленные трудности с предотвращением образования пористости, несплавлений и загрязненности неметаллическими включениями металла шва. Развитие указанных явлений в существенной мере зависит от содержания А1 и Ti, определяющих также и уровень прочности соединения. Типичное содержание А1 и Ti в свароч ных проволоках вызывает неравномерное окисление легирую щих элементов в зоне сварки и, как следствие, нестабильность
состава и свойств'металла шва. Окисление титана, кроме того, приводит при сварке малых толщин к образованию на поверх ности металла шва местных утолщений в виде пленки окислов, а также криволинейной форме соединения вследствие повышен ного эффекта блуждания дуги (перемещения анодного пятна на участок металла, свободного от шлаков).
Специфический дефект сварных швов—дендритный излом, сопровождаемый резким ухудшением ударной вязкости и уста лостной прочности металла шва. В первую очередь этому спо собствует укрупнение размера зерна в металле шва с более вы соким содержанием Ni при чрезвычайной устойчивости возник шей крупнозернистой структуры к различного вида термической обработке (структурная наследственность). Другая причина связана с высокой химической неоднородностью распределения элементов, в частности Ti и Мо, способствующих неравномер ному распаду твердого раствора при старении с образованием скоплений грубых частиц по границам крупнозернистого ме талла. Обычно применяемая для предотвращения грубокристалл^тной структуры металла шва регламентация 1,5—4 % 6-феррита, препятствующего прорастанию дендритов через не сколько слоев, ограничена только группой нержавеющих мар- тенситно-стареющих сталей, где возможно добиться необходи мого соотношения между феррито- и аустенитообразующими элементами.
20.3.Технология сварки и свойства сварных соединений
20.3.1.Способы сварки плавлением
Мартенситно-стареющие стали могут свариваться всеми видами сварки. Благодаря специфическому механизму упрочнения тех нология изготовления различных изделий из этих сталей отли чается простотой и надежностью. Это связано как с возмож ностью сваривать без подогрева и последующего немедленного отпуска, так и обеспечить близкие к основному металлу свой ства применением после сварки простой операции старения.
Наиболее распространенными способами сварки мартенсит- но-стареющих сталей являются ЭЛС и аргонодуговая сварка вольфрамовым электродом: импульсная, с поперечными коле баниями электрода, со сканирующей дугой (для малых тол щин) и в щелевую разделку (для больших толщин). Указанные способы сварки обеспечивают мелкозернистое строение металла шва, малый перегрев околошовной зоны и близкие к основному металлу механические свойства. Для устранения глубоко зале гающих дефектов применяют вращающийся неплавящийся электрод при осевой подаче присадочной проволоки. Используе мые присадочные проволоки обычно имеют близкий к основ