Электроды для сварки хромистых сталей

Обновлено: 15.05.2024

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).

Электроды для коррозионностойких кислотостойких сталей

Основное требование при выборе электродов для сварки кислотостойких сталей - это обеспечение коррозионной стойкости металла шва в жидких агрессивных средах при нормальных и повышенных температурах и давлениях. К наиболее агрессивным жидким средам относятся кислоты и их растворы, которые обладают как окислительными, так и неокислительными свойствами.

Для сварки конструкций из кислотостойких сталей, работающих в неокислительных жидких средах при температурах до 360°С и не подвергающихся термической обработке после сварки, рекомендуются электроды марок ЭА-400/10Т, ЭА-400/10У и др., марок ОЗЛ-8, ОЗЛ-12, Л-39 и др., марки ЭЛ-606/10 и т. п. Термическая обработка сварных соединений, выполненных этими электродами, не допускается.

Для конструкций, работающих в неокислительных или малоокислительных жидких средах, для которых после сварки необходим отпуск, рекомендуются электроды марки ЭЛ-898/21 и др., которые обеспечивают стойкость шва против межкристаллитной коррозии как в исходном состоянии, так и после отпуска.

Конструкции, которые эксплуатируются в окислительных жидких средах, например в азотной кислоте, рекомендуется сваривать электродами типа Э-08Х19Н10Г2Б марок ЦТ-15, ЗИО-З и др.

Для низкоуглеродистых кислотостойких сталей, содержащих до 0,03% углерода, используются электроды типов Э-04Х20Н9 марок ОЗЛ-14Л, ОЗЛ-36; Э-02Х20Н14Г2М2 марок ОЗЛ-20 и др.

Характеристики электродов для сварки коррозионностойких кислотостойких сталей

Для коррозионностойких сталей

Марка электрода / проволоки
Обозначение кода по ГОСТ
Область применения
Технологические особенности

Покрытие

Род,
полярность тока

Коэффициент наплавки, г/А?ч

Положение в пространстве

ЦТ-15 / 07Х19Н10Б
Е- 2453 - Б20

ЗИО-3 / 07Х19Н10Б
Е - 2403 - Б20

ОЗЛ-8 / 04Х19Н9
Е - 2304 - Б20

Для сталей 08Х18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т и др., когда к металлу шва не предъявляются жесткие требования по стойкости против межкристаллитной коррозии. Сварка короткой дугой по зачищенным кромкам

ЛЭЗ-8/04Х19Н9
Е - 2004 - Р26

Для сталей 08Х18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т и др., когда к металлу шва не предъявляются жесткие требования по стойкости против межкристаллитной коррозии.

ОЗЛ-8С
Е - 2000 - П20

Для сталей 08X18Н10, 12Х18Н9, 12Х18Н10Т и др., когда к металлу шва не предъявляются жесткие требования по стойкости против межкристаллитной коррозии. Сварка короткой дугой по зачищенным кромкам

ЦТ-50/01Х19Н9
Е - 2004 - РБ36

Для сталей 08Х18Н10, 12Х18Н9,12Х18Н10Т и др., когда к металлу шва предъявляются жесткие требования по стойкости против межкристаллитной коррозии. Сварка короткой дугой по зачищенным кромкам

ЭА-606/10 / 05Х19Н9Ф3С2
Е - 2006 - Б20

Для сталей 09Х17Н7Ю, 09X15Н8Ю и других, а также для сталей 14Х17Н2 и др.

ЭА-400/10У 1 04Х19Н11М3
E - 2204 - Б20

Для сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т и др., работающих в жидких агрессивных средах при температурах до 350°С и не подвергающихся после сварки термической обработке. Пригодны для наплавки антикоррозионного покрытия. Стойкость против межкристаллитной коррозии обеспечивается в состоянии после сварки и после аустенизации. Электроды ЭА-400/10Т обеспечивают лучшую, чем ЭА-400/10У, отделяемость шлака. Электроды ЦЛ-11 для более коррозионностойких сталей

ЭА-606/11 /08Х19Н9Ф2С2
Е-2007-Б20

Для сталей 08Х18Н10Т, 12Х18Н9Т и др., работающих при температурах до 350°С и не подвергающихся после сварки термической обработке. Не рекомендуются для сварки сталей, не легированных титаном или ниобием

ГЛ-2 /08Х19Н9Ф2С2
E - 2006 - Б30

ЭА-898/21 /08Х19Н10Г2Б
E - 2304 - Б20

Для сталей 08Х18Н10Т, 08Х17Н13М2Т и др., работающих в окислительных и малоокислительных средах при температурах до 350°С и подвергаемых после сварки термической обработке

ОЗЛ-З6 / 01Х19Н9
Е - 2056 - РБ20

Для сталей 08Х18Н10Т, 06Х18Н11, 08Х18Н12Т, 04Х18Н10 и др., когда к металлу шва предъявляются требования по стойкости против межкристаллитной коррозии как в исходном состоянии, так и после кратковременных выдержек в интервале критических температур. Жаростойкость до 800°С без серосодержащих газов

Для коррозионностойких сталей с пониженным содержанием углерода

ОЗЛ-20 / 01Х17Н14М2
E - 2001 - П30

Для сталей 03X16H15M3, 03Х17Н14М2 при жестких требованиях к швам по стойкости против межкристаллитной коррозии

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 хромоникелевых аустенитных сталей

Высоколегированные хромоникелевые аустенитные стали обладают большой вязкостью, хорошо противостоят коррозии, действию кислот, окалинообразованию, действию высоких и низких температур, хорошо свариваются и поэтому широко применяются при изготовлении различных аппаратов для химических производств и изделий, работающих как при высоких, так и очень низких температурах и подвергающихся действию агрессивных жидкостей, паров и газов.

Наиболее распространенные марки этих сталей содержат 0,08— 0,2% углерода, 18—20% хрома и 8—10% никеля и имеют обозначение, например 0Х18Н9, 1Х18Н9 и т. д. Цифра 0 в обозначении марки указывает, что сталь содержит менее 0,07% углерода, цифра 1 —до 0,14%; цифра 2 — 0,15—0,25% углерода; обозначение Х18—хрома 17—20%; Н9 — никеля 8—11%.

Для предупреждения выпадения в стали карбидов хрома к ней добавляют до 0,8% титана или до 1,5% ниобия, которые связывают углерод и тем предупреждают выделение в структуре карбидов хрома. В этом случае в обозначение марки стали добавляется буква Т (титан) или Б (ниобий). Соответственно сталь обозначается 1Х18Н9Т или 1Х18Н11Б.

Для сварки хромоникелевых нержавеющих сталей применяют электроды с обмазками ЦЛ-2, ЦЛ-3, ЦЛ-4, ЦЛ-11, ЦЛ-22, УОНИ - 13/нж и многие другие. Покрытие ЦЛ-11 имеет состав: 38% мрамора, 44% плавикового шпата, 4% ферромарганца, 3% ферротитана, 2% ферросилиция, 4,5% двуокиси титана, 4,5% феррониобия, жидкого стекла — 520—540 см3 на 1 кг сухой смеси.

Основное затруднение при сварке хромоникелевых сталей, не содержащих титана или ниобия, состоит в том, что при нагревании до 500—700° они теряют свои антикоррозийные свойства и становятся хрупкими вследствие выделения карбидов хрома по границам зерен. Свойства стали можно снова восстановить нагреванием до температуры 850° (при которой карбиды хрома вновь растворяются в сплаве) и последующим быстрым охлаждением в воде, а для малых толщин — на воздухе. Такой вид термообработки называется стабилизирующим отжигом.

Хромоникелевые стали обладают низкой теплопроводностью и чувствительны к перегреву так же, как и хромистые стали. Поэтому их необходимо сваривать на постоянном токе обратной полярности и применять те же режимы, что и при сварке хромистых сталей. Электроду придают только поступательное движение, без поперечных колебаний. Для отвода тепла от места сварки используют медные подкладки. Кромки металла перед сваркой должны быть тщательно зачищены. Хромоникелевые стали с повышенным содержанием углерода свариваются с предварительным подогревом до 300—500°.

После сварки изделие рекомендуется подвергнуть термообработке — нагреву до 850° с последующим охлаждением в воде. Сталь толщиной 1—2 мм можно охлаждать на воздухе. Хромоникелевые стали, содержащие титан или ниобий, термообработке после сварки можно не подвергать.

Тонколистовую нержавеющую сталь 1Х18Н9Т толщиной 1—1,5 мм сваривают проволокой из хромоникелевой нержавеющей стали Св-02Х19Н9 или Св-04Х19Н9С2 по ГОСТ 2246—60. Проволока Св-04Х 19Н9С2 содержит повышенное количество кремния (от 2 до 2,75%), который способствует образованию феррита в структуре наплавленного металла. В качестве покрытия используют ЦЛ-2 или ЦЛ-11. Сварку ведут на постоянном токе обратной полярности. Ток берется для электродов диаметром 2 мм 40 а, диаметром 2,5 мм 40-—60 а. Покрытие ЦЛ-2 дает более плотный наплавленный металл, но внешний вид шва получается хуже.

При сварке стали 1Х18Н9Т может происходить науглероживание металла шва, вызывающее снижение его стойкости против межкристаллитной коррозии. Как показали исследования, основным источником науглероживания является мрамор, входящий в состав покрытия электрода и содержащий до 12% углерода, а при автоматической сварке — флюс. Поэтому лучшие результаты дает сварка нержавеющих сталей в среде защитных инертных газов— аргона и гелия.

Для сварки жаропрочных аустенитных сталей (например, марки 1Х18Н12МЗТ) применяют специальные электроды, обеспечивающие содержание в структуре наплавленного металла от 2 до 5% ферритной фазы. За последние годы разработан ряд новых марок таких аустенитно-ферритных электродов а именно: КТИ-5, ЦТ-15, ЦТ-7, ЦТ-16,ЗИО-3, ЗИО-7 и других, хорошо зарекомендовавших себя в различных отраслях промышленности. Электроды КТИ-5 и ЦТ-7 содержат дополнительные легирующие примеси — молибден и ванадий; электроды ЦТ-15 и ЗИО — ниобий. Кроме того, различные марки этих электродов отличаются содержанием углерода, марганца и никеля. Изменением содержания хрома регулируется количество ферритной фазы, получаемой в наплавленном металле.

Окалиностойкие стали Х23Н13, Х23Н18 и др. содержат больше хрома (от 22 до 25%), никеля (от 12 до 20%). Они склонны давать при температуре 850—950° горячие трещины. Их сваривают

Свариваемость высокохромистых сталей

Высокохромистые стали в зависимости от содержания в них углерода и хрома имеют либо однофазную мартенситную или ферритную структуру, либо промежуточную двухфазную - феррито-мартенситную. Это определяет их свойства и назначение, а также сопряжено с различными трудностями при сварке, что требует разного подхода к выбору электродов и технологии сварки.

При содержании в стали более 12,5% хрома (выше порога устойчивости) она приобретает стойкость против атмосферной коррозии и в слабо агрессивных средах. Поэтому марки, содержащие 13% хрома, называются нержавеющими. Наиболее распространенные стали этой группы - 08X13, 12X13, 20X13 - существенно различаются между собой по свариваемости в зависимости от содержания углерода.

В структуре стали 08X13 содержится значительное количество свободного феррита и она относится к полуферритному классу (по ГОСТ 5632 - 72 - к ферритному классу). Сталь 12X13 содержит до 10% феррита и относится к мартенсито-ферритному классу, а 20X13 и с более высоким содержанием углерода относятся к мартенситному классу.

Мартенситные и мартенсито-ферритные высокохромистые стали весьма склонны при сварке к закалке и образованию холодных трещин, поэтому они свариваются с предварительным подогревом (кроме 08X13) до температуры 250-300 °С (для 12X13) и 300-400°С (для 20X13, 30X13 и др.) с обязательным отпуском непосредственно после сварки при температуре 700 - 740 °С. Низкоуглеродистая полуферритная сталь 08X13 сваривается без подогрева при минимальной погонной энергии дуги с охлаждением до температуры ниже 100 °С после наложения каждого валика для предотвращения чрезмерного роста зерна и снижения ударной вязкости в околошовной зоне сварного соединения. Изменения термического цикла сварки не одинаково влияют на сопротивление образованию холодных трещин высокохромистых сталей. Для 20X13 увеличение скорости охлаждения металла шва с 15° до 180 °С/с в интервале температур 600 - 500° С монотонно снижает сопротивляемость образованию холодных трещин, а для 08X13 и 12X13 - холодные трещины возникают при скорости охлаждения более 15°С/с.

Содержание углерода в количестве 0,1 - 0,2% в мартенситной (20X13) и мартенсито-ферритной (12X13) сталях обусловлено необходимостью ограничения в структуре зоны термического влияния количества свободного феррита, образование которого повышает хрупкость сварных соединений, неустраняемой последующей термической обработкой.

Улучшение свариваемости высокохромистых сталей с 13% хрома достигнуто уменьшением количества углерода с одновременным легированием никелем.

При выборе электродов для сварки высокохромистых нержавеющих сталей требуется обеспечивать следующие основные свойства наплавленного металла и металла шва:

стойкость против атмосферной коррозии и в слабо агрессивных жидких средах;
жаростойкость до температуры 650 °С;
жаропрочность до температуры 550 °С.

Этим условиям удовлетворяет металл, наплавленный электродами типа Э-12Х13 (марки ЛМЗ-1, АНВ-1 и др.), который имеет химический состав, структуру и свойства, близкие к сталям этой группы.

Для сварки сталей с пониженным содержанием углерода и дополнительно легированных никелем рекомендуются сварочные электроды типа Э-06Х13Н (марка ЦЛ-41). Наряду с этим, более высокая стойкость металла шва и зоны термического влияния против образования холодных трещин в сварных соединениях коррозионностойких закаливающихся сталей (06Х12НЗД и др.) достигается при использовании электродов марки ЦЛ-51, обеспечивающих наплавленный металл с большим, чем у электродов ЦЛ-41 содержанием никеля (до 2,5%) и более низким содержанием углерода.

С повышением содержания хрома в высокохромистых сталях возрастает их коррозионная стойкость и жаростойкость. Стали, содержащие 17 - 18% хрома, обеспечивают возможность их эксплуатации в жидких средах средней агрессивности, поэтому они относятся к кислотостойким (12X17, 08Х17Т, 08Х18Т1 и др.). Дальнейшее увеличение содержания хрома до 25 - 30% придает им стойкость против газовой коррозии (жаростойкость) при температуре 1100 °С, поэтому они относятся к жаростойким (15Х25Т, 15X28 и др.). Для серосодержащих сред (крепких щелоков сернистого натрия и др.) пригодны стали и электроды, содержащие не менее 25% хрома.

Кислотостойкие и жаростойкие стали, содержащие от 17 до 30% хрома, содержат, как правило, небольшое количество углерода и имеют однофазную ферритную структуру с невысокими механическими свойствами.

Основным недостатком высокохромистых ферритных сталей является их неудовлетворительная свариваемость, т. к. под воздействием термического цикла сварки в металле околошовной зоны происходит чрезмерный рост зерен феррита, резко снижается ударная вязкость и возникает склонность к межкристаллитной коррозии.

Установлены 3 области опасных температур, в диапазонах которых происходит охрупчивание и появление склонности к межкристаллитной коррозии ферритных сталей при сварке:

1000 °С - Ts (до температуры солидуса);
550 - 850 °С (сигматизация);
400 - 550 °С (475-градусная хрупкость).

Рост зерна и связанная с этим хрупкость металла околошовной зоны ферритных сталей, возникающие под влиянием кратковременного воздействия термического цикла сварки, не устраняются последующей термической обработкой сварных соединений. Склонность к межкристаллитной коррозии может восстанавливаться отпуском после сварки при температуре 700 - 740 °С с быстрым охлаждением.

Худшей свариваемостью обладают ферритные стали, не содержащие карбидообразующих элементов или с недостаточным их содержанием. Для повышения стойкости ферритных сталей против межкристаллитной коррозии в них вводят преимущественно титан (реже ниобий) для связывания углерода в карбиды и карбонитриды в количестве Ti/C > 5. При этом для гарантии необходимое количество титана значительно превышают. Принято, что при содержании в 08Х17Т титана в количестве 0,6 - 1,0% (при Ti/C = 7,5 - 12,5) происходит охрупчивание стали при сварке вследствие образования эвтектики обогащенной титаном вблизи линии сплавления, а также, возможно, выделения ферритотитанидов. Следовательно, чрезмерно высокое содержание карбидообразующих элементов в высокохромистых ферритных сталях также отрицательно влияет при сварке на ударную вязкость металла околошовной зоны, как и их недостаточность.

Улучшение свариваемости высокохромистых ферритных сталей достигается снижением суммарного содержания в них углерода и азота. Установлено, что в сталях, содержащих 25% хрома, с суммарным содержанием углерода и азота до 0,198% резко снижается температура перехода в хрупкое состояние и после воздействия термического цикла сварки находится в интервале отрицательных температур. При этом обеспечивается также стойкость против межкристаллитной коррозии при испытании по методу АМУ ГОСТ 6032 - 89.

Нагревом в вакууме можно получить металл с ограниченным количеством углерода и азота. Снижение порога хладноломкости ферритных сталей, содержащих 15 - 30% хрома, в область отрицательных температур достигается при их выплавке вакуумно-индукционным способом. Однако улучшение свариваемости ферритных сталей путем повышения их чистоты (с минимальным содержанием углерода, азота и кислорода) усложняет технологию ее изготовления и существенно повышает стоимость. Поэтому изыскиваются и предлагаются другие более экономичные способы.

Предложен способ модифицирования ферритных сталей нитридами ванадия. Разработана ферритная сталь 03Х18Ф, которая, в отличие от не модифицированных, приобретает удовлетворительную ударную вязкость и стойкость против межкристаллитной коррозии после сварки и дополнительного отпуска при 900 °С. Это объясняется тем, что введение нитридов ванадия в высокохромистую ферритную сталь является эффективным способом перераспределения карбонитридных фаз от границ в объем зерна.

Улучшение свариваемости низкоуглеродистых ферритных сталей достигнуто также комплексным легированием титаном (0,3 - 0,5%), ванадием (0,2 - 0,4%) и азотом (0,03 - 0,04%). Совместное легирование титаном, ванадием и азотом влияет более эффективно, чем легирование каждым элементом в отдельности. На основе комплексного легирования разработана удовлетворительно сваривающаяся марка 04Х19АФТ. Положительное влияние азота в данном случае объясняется тем, что при нагреве до температуры 1100 °С карбиды и карбонитриды ванадия растворяются в железе, а азот переходит в твердый раствор, что приводит к расширению двухфазной (α + у) области и в структуре стали появляется аустенитная составляющая.

Охрупчивание высокохромистых ферритных сталей в интервале температур 400 - 500 °С (475-градусная хрупкость) изучалась многими исследователями, однако причина этого явления до сих пор является предметом дискуссии, т. к. все гипотезы, связанные с образованием и обособлением в феррите различных дисперсных фаз, а также с внутрифазовыми процессами без выделения избыточных фаз, не имеют исчерпывающих экспериментальных доказательств.

Некоторые исследователи считают, что 475-градусная хрупкость является латентной стадией образования σ - фазы, при которой происходит «внутрифазовый наклеп», связанный с появлением напряжений.

Это противоречит тому, что 475-градусная хрупкость характеризуется метастабильным состоянием и не сопровождается изменением параметров кристаллической решетки феррита.

Известно, что решающее значение в проявлении склонности к 475-градусной хрупкости ферритных сталей имеет концентрация хрома, с увеличением которой склонность возрастает. Дополнительное легирование молибденом и алюминием не оказывает влияния на 475-градусную хрупкость сталей, содержащих 17% хрома, и ускоряет проявление хрупкости у содержащих 25% хрома.

При выборе электродов для сварки высокохромистых сталей ферритного класса необходим различный подход в зависимости от содержания хрома.

Для сварки конструкций из ферритных сталей, содержащих 17% хрома, к которым предъявляются требования по коррозионной стойкости в жидких окислительных средах или по жаростойкости при температуре до 800 °С, ГОСТ 10052 - 75 регламентирует электроды типа Э-10Х17Т (марки ЦЛ-10, ВИ-12-6 и др.), обеспечивающие наплавленный металл, который удовлетворяет указанным требованиям.

Применение электродов, однородных по химическому составу с ферритными сталями, содержащими 25 - 30% хрома, не рекомендуется, т. к. сварные швы с таким содержанием хрома имеют низкую пластичность и, особенно, ударную вязкость, а также высокую склонность к межкристаллитной коррозии. ГОСТ 10052 - 75 не предусматривает электроды ферритного класса такого типа.

Поэтому для сварки ферритных сплавов, содержащих 25% хрома и более, рекомендуются хромоникелевые феррито-аустенитные электроды типа Э-08Х24Н6ТАФМ, обеспечивающие после отпуска наплавленный металл с высокой пластичностью и ударной вязкостью, а также стойкий против межкристаллитной коррозии при испытании по методу AM ГОСТ 6032-89.

Сварку высокохромистых ферритных сплавов следует выполнять при умеренных режимах, т. к. уменьшение погонной энергии способствует снижению порога хладноломкости ферритных сталей.

Рекомендуется после наложения каждого валика охлаждать металл околошовной зоны соединения до температуры ниже 100 °С, что обеспечивает минимальный рост зерен.

Высокохромистые жаропрочные стали на основе 13% хрома с дополнительным легированием молибденом, ванадием, вольфрамом и ниобием имеют мартенситную или мартенсито-ферритную структуру с содержанием до 15% свободного феррита. Введение вышеперечисленных легирующих элементов способствует увеличению содержания ферритной фазы, что снижает жаропрочность стали. Поэтому для предотвращения образования в структуре избыточного количества феррита в жаропрочных сталях, содержание хрома снижено до 10 - 12%. Эти стали имеют замедленную кинетику структурных превращений вследствие большой устойчивости аустенита, склонны при сварке к образованию в металле шва и околошовной зоне хрупкой мартенситной структуры даже при относительно малых скоростях охлаждения от высоких температур. Мартенситные превращения для этих сталей находятся в интервале температур 260 - 360°С (начало) и 10 - 240 °С (завершение). Для исключения возможности образования трещин при сварке высокохромистых жаропрочных сталей необходим высокий предварительный подогрев до температуры 300 - 400 °С с обязательным отпуском при температуре 700 - 740 °С (2 - 5 ч) после подстуживания до 150 - 100 °С для прохождения мартенситного превращения.

Медленное охлаждение до комнатной температуры и последующий отпуск допускается только для конструкций с толщиной свариваемых элементов до 20 - 25 мм. Отпуск высокохромистых сварных соединений непосредственно после сварки без промежуточного охлаждения не рекомендуется, т. к. при этом в металле шва и в околошовной зоне образуется грубая крупнозернистая структура с низкой пластичностью и ударной вязкостью. Наряду с этим при чрезмерно высоком подогреве и сварке высокохромистыми электродами с большой погонной энергией (большом тепловложении) появляется опасность образования в металле шва избыточного структурно свободного феррита, наличие которого более 5% сдвигает порог хладноломкости металла швов в область положительных температур с резким снижением ударной вязкости до 10 - 20 Дж/см 2 . Высокохромистый мартенсито-ферритный металл шва склонен также к образованию горячих кратерных трещин, особенно в корневых слоях при наличии зазоров. Поэтому при сварке кратеры должны выводиться на фаску свариваемых элементов соединения, а при появлении кратерных трещин они должны удаляться механическим способом. Сварка мартенситных и мартенситно-ферритных высокохромистых сталей должна выполняться только при положительной температуре окружающего воздуха.

При выборе электродов для сварки высокохромистых жаропрочных сталей основным требованием является обеспечение необходимого уровня жаропрочности металла шва. Это достигается при оптимальном легировании наплавленного металла, близкого по составу основному металлу, при условии содержания в нем не более 5% структурно свободного феррита. Этим условиям наиболее полно отвечают электроды типов: Э-12Х11НМФ (марка КТИ-9А), Э-12Х11НВМФ (марка КТИ-10), Э-14Х11НВМФ (марка ЦЛ-32) по ГОСТ 10052-75.

Читайте также: