Сварка мартенситно ферритных сталей
Обновлено: 18.05.2024
К ферритным относятся хромистые стали, не претерпевающие превращений (g«a). Чистые железо-хромистые сплавы становятся однофазными при Сг > 13 %. В присутствии С g–область смещается вправо (см. рис. 34), что обусловлено уменьшением растворенного Сг вследствие образования стабильных его карбидов.
Ферритные стали являются перспективным конструкционным материалом (табл. 17, 18).
Механические свойства сварных соединений
| Марка стали | Сварочные электроды, проволоки | Флюс, защитный газ | Металл шва | Сварное соединение | |
| sв, МПа | d, % | y, % | KCV, МДж/м 2 | sв, МПа | KCV, МДж/м 2 |
| 08Х13 | Э-10Х25Н13Г2 (ОЗЛ-6, ЦЛ-25, ЦЛ-9) Э-08Х20Р15ФБ (АНВ-9, АНВ-10) | – | 0,5 | 0,5 | |
| Э-12Х13 (АНВ-1, УОНИ/НЖ, ЦЛ-51) | – | 0,5 | 0,5 | ||
| Св-07Х25Н12Г2Т Св-06Х25Н12ТЮ | АН-26, АНФ-14, ОФ-6, АН-18 | 0,5 | 0,5 | ||
| Св-06Х25Н12Г2Т Св-08Х25Н12БТЮ Св-07Х25Н12Г2Т | Аргон | 0,5 | 0,5 | ||
| 08Х14МФ | Э-10Х25Н13Г2 (ЦЛ-25) | – | 0,5 | 0,5 | |
| Св-07Х25Н13 | АН-26 | 0,9 | 0,5 | ||
| Св-04Х20Н5М6Б Св-07Х25Н13 | Аргон | 0,5 | 0,5 | ||
| 12Х13 | Э-12Х13 (ЛМЗ-1) Э-06Х13Н (ЦЛ-41) | – | 0,5 | 0,5 | |
| Э-11Х15Н25М6А2 (ЭА-395/9) | – | 0,4 | 0,5 | ||
| Э-10Х25Н13Г2 (ЗиО-8, ЦЛ-25) | – | 0,5 | 0,5 | ||
| Св-07Х25Н13, 14Х17Н2 | – | 0,5 | 0,5 | ||
| Э-10Х18ГН2 (АНВ-2) | – | 0,6 | 0,5 | ||
| Св-08Х18Н2ГТ Св-08Х14ГНТ | АН-26, АНФ-6, ОФ-6 | 0,7 | 0,5 | ||
| Св-08Х18Н2ГТ Св-08Х14ГНТ | Аргон | 0,8 | 0,5 |
По сопротивлению коррозии ферритные стали 08Х17Т, 15Х25Т и др. не уступают аустенитным, превосходя их по стойкости и коррозионному растрескиванию. При дополнительном легировании А1 и Si они могут использоваться в условиях окисления при Т < 1200°С.
Химический состав ферритных сталей
| Марка стали | Содержание элементов, % (по массе) | Прочие | ||||
| C | Cr | Mn | Si | Nb | ||
| 08Х17Т | < 0,08 | 16. 18 | < 0,8 | < 0,8 | – | Ti = 0,5. 0,6 |
| 15Х25Т | < 0,15 | 24,0. 27,8 | < 0,8 | < 1,0 | – | Ti = 0,5. 0,9 |
| 08Х23С2Ю | < 0,08 | 22. 24 | 0,4. 0,7 | < 1,8 | – | Al = 1,1. 1,6 |
| ЭП882-ВЧ | 0,015 | 16,5. 18,5 | < 0,5 | < 0,5 | 0,15. 0,35 | Mo = 1,5. 2,0 |
| ЭП904-ВЧ | 0,012 | 16,5. 18,5 | < 0,3 | < 0,3 | 0,10. 0,40 | Al = 2,2. 3,5 |
Механические свойства и назначение ферритных сталей
| Марка стали | sв, МПа | d, % | KCV, МДж/м 2 | Tmax эксп., °С | Примеры использования |
| 08Х17Т | – | Детали хим. аппаратов, корпуса, днище, патрубки и др. | |||
| 15Х25Т | 0,2 | ||||
| 08Х23С2Ю | – | Трубопроводы пиролиза ацетона и уксусной кислоты | |||
| ЭП882-ВЧ | 0,6 | Заменитель аустенитных сталей | |||
| ЭП904-ВЧ | 0,6 | Оборудование, работающее в условиях газовой коррозии |
Применение ферритных сталей для изготовления оборудования, работающего в условиях ударных и знакопеременных нагрузок, затруднялось из-за высокой чувствительности к надрезу и хрупкому разрушению.
Разработка новых марок ферритных сталей с малым содержанием примесей внедрения (за счет вакуумных печей и освоения технологии плавки с продувкой аргоном) позволило резко повысить KCV, d и sв. Применение ферритных сталей позволяет решать проблему дефицита Ni.
Ферритные стали не претерпевают g«a (М) – превращений, и структура их не может быть улучшена термообработкой.
Основными трудностями при сварке таких сталей являются:
1. Склонность к резкому охрупчиванию (потеря пластичности) под действием термического цикла сварки.
2. Образование холодных трещин.
3. Возможность межкристаллитной коррозии.
Высокая хрупкость сварного соединения связана с образованием в ЗТВ крупного зерна и пересыщенного С и N твердого раствора, т. к. при нагреве свыше 1150 °С происходит диссоциация карбидов хрома.
| Рис. 36. Влияние Т на пластичность стали 15Х25 | Охрупчивание ферритных сталей возможно также после выдержки при Т = 550. 850 °С, способствующей образованию s–фазы и явлению "хрупкости" при 475 °С (400. 500 °С) (рис. 36). Хрупкость при Т = 475 °С получает развитие уже при коротких выдержках, даже в процессе охлаждения в интервале 400. 500 °С после тепловой обработки. KCV после кратковременного нагрева при 475 °С снижается до 0,3 против 0,9 МДж/м 2 . |
| Рис. 37. Влияние Т "закалки" на пластичность (1) и ударную вязкость KCV (2) стали 15Х25, охрупченной после нагрева при Т = 475 °С | Устранить хрупкость при Т = 475 °С можно нагревом до высоких Т (рис. 37). Нагрев при 750. 760 °С практически восстанавливает исходный уровень KCV и металла. Более высокие Т менее эффективны, т. к. способствуют росту ферритного зерна, особенно заметного при 1000 °С. В этой связи особенно крупные зерна наблюдаются на участке перегрева сварного соединения, где величина зерна достигает 1 мм, а протяженность зоны охрупчивания – 2,5. 3,0 мм (2–3 слоя зерен). |
Склонность к образованию холодных трещин связана с потерей пластичности металла в процессе сварочного нагрева и в дальнейшем остается неизменной.
Устранение рассмотренных трудностей при сварке можно обеспечить за счет теплового режима сварки (табл. 19), исключающего перегрев металла (сварка с малой погонной энергией, короткими участками, валиками малых сечений, с перерывами и т. п.).
Тепловой режим ферритных сталей
| Марка стали | Т подогрева, °С | Время пролеживания до термообработки, ч | Термическая обработка |
| 08Х17Т, 15Х28, 15Х25Т | 150. 200 | – | Отжиг при 760 °С |
| 08Х23С2Ю | 200. 500 | Не допускается | Отжиг при 900 °С |
| ЭП882-ВЧ | Без подогрева | – | – |
| ЭП904-ВЧ | Без подогрева | – | – |
Рекомендуют также применять сварочные материалы (табл. 20), содержащие элементы-модификаторы (Ti, A1) для измельчения зерна металла шва (Св-10Х18Т, Св-05Х25Н2ТЮ).
Во всех случаях целесообразно уменьшать содержание С, О2, N и других примесей внедрения.
Ферритные стали приобретают склонность к МКК после нагрева свыше 900 °С и быстрого охлаждения. При этом на границах зерен выпадают карбиды хрома, а обедненные хромом периферийные участки зерен подвергаются МКК.
Чтобы повысить стойкость ферритных сталей к МКК в сварное соединение вводят элементы, которые обладают большей склонностью к углероду, чем хром (Ti, Nb). Они образуют прочные карбиды и затрудняют образование карбидов хрома и железа. Отжиг при Т = 700. 780 °С также обеспечивает повышение стойкости против МКК.
Мартенситно-ферритные стали
Мартенситно-ферритные стали . К этому классу относят стали с частичным γ→α(м)-превращением. Термокинетическая диаграмма у этих сталей состоит из двух областей превращения. При температурах >600 о С при низкой скорости охлаждения возможно образование ферритной составляющей структуры. При больщой скорости охлаждения
Другие страницы по теме
Мартенситно-ферритные стали:
Содержание хрома в мартенситно-ферритных сталях 13 . 14 %, что оптимально по коррозионной стойкости. Такой уровень легирования хромом обеспечивает пассивацию поверхности в агрессивных средах, связанных с нефтехимическим производством; в воде высоких параметров, в том числе с борным регулированием.
Дальнейшее повышение содержания хрома практически без увеличения коррозионной стойкости сталей в указанных средах способствует формированию в их структуре значительного количества ферритной составляющей. Стали с большим содержанием δ-феррита в структуре отличаются повышенной склонностью к хрупкому разрушению, их сварка связана с риском образования холодных трещин.
Мартенситно-ферритные стали находят довольно широкое применение для изготовления нефтехимической аппаратуры и энергетического оборудования (табл. 1и 2).
По свариваемости мартенситно-ферритные стали являются неудобными материалами. В связи с неизбежной подкалкой при сварке сварные соединения мартенситно-ферритных сталей склонны к образованию трещин замедленного разрушения. Кроме того, при перегреве в 3ТВ часто наблюдают трещины хрупкого разрушения.
Ударная вязкость металла в 3ТВ сварных соединений 13%-ных хромистых сталей снижается до 10 дж/см 2 . В случае низкого содержания δ-феррита последующим термическим отпуском при 700 о С, способствующим распаду структур закалки и выделению карбидов, можно повысить ударную вязкость металла в 3ТВ до 50. 100 Дж/см 2 При способах сварки, способствующих значительному перегреву металла в 3ТВ с образованием структуры с большим содержанием о-феррита, термический отпуск мало влияет на ударную вязкость, в результате чего сварные соединения отличаются высокой хрупкостью и не годятся для нагруженных конструкций.
Таблица 1. Мартенситно-ферритные стали: химический состав.
| Марка стали | С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | S | P | прочих элементов |
| 15Х12ВНМФ | 0,12..0,18 | ≤0,4 | 0,5..0,9 | 11.0. 13,0 | 0,4 . 0,8 | 0,5 . 0,7 | 0,15. 0,30 | ≤0,025 | ≤0,030 | 0,7. 1,1 W |
| 12Х13 | 0,09..0,15 | ≤0,8 | ≤0,8 | 12,0. 14,0 | - | - | Не регламен- тируется | |||
| 14Х17Н2 | 16,0. 18,0 | 1,5 . 2,5 | ||||||||
| 08ХI4МФ | 0,03. 0,12 | 0,20. 0,45 | 0,8 . 1,2 | 12,0. 14,0 | - | 0,2 . 0,3 | 0,15. 0,3 | |||
Таблица 2. Механические свойства хромистых мартенситно-ферритных сталей, не менее .
| Марка стали | σв, МПа | σ0,2,МПа | δ5, % | ψ,% | KCU, Дж/см 2 | Примеры использования |
| 15Х12ВНМФ | 740 | 590 | 15 | 45 | 60 | Детали паровых, газовых, гидравлических турбин и компрессоров |
| 12Х13 | 590 | 410 | 20 | 60 | 100 | |
| 14Х17Н2 | 835 | 635 | 10 | 30 | 50 | Детали внутренних устройств оборудования АЭС |
| 08ХI4МФ | 450 | 300 | 22 | - | Теплообменники тепловых и атомных электростанций, облицовки хранилищ | |
Эффективным способом снижения содержания ферритной составляющей в структуре хромистых сталей является легирование их углеродом и никелем.
Образование большого количества δ-феррита в структуре околошовного металла характерно для 13 . 14%-ных хромистых сталей с δ-феррита в структуре может быть подавляющим. Ширина таких участков мало зависит от температуры подогрева при сварке, но возрастает с погонной энергией сварки.
Мартенситно-ферритные стали сваривают, как правило, с предварительным и сопутствующим подогревом (табл. 10.45).
Для низкоуглеродистой стали 08Х14МФ подогрев при сварке не при меняют, так как легирование карбидообразующими элементами снижает эффективное содержание углерода.
Способы сварки и применяемые для мартенситно-ферритных сталей сварочные материалы приведены в табл. 10.46.
Таблица 3. Рекомендации по тепловому режиму сварки мартенситно-ферритных сталей .
| Марка стали | Температура подогрева, о С | Продолжительность хранения до термической обработки, ч | Термическая обработка |
| 15Х12ВНМФ | 300 | не допускается | Отпуск при 700. 720 о С. При толщине >30 мм перед отпуском рекомендуется подстуживание до 100 о С |
| 12Х13 | 2 | Отпуск при 700. 720 о С | |
| 14Х17Н2 | 150. 250 | не ограничено | Отпуск при 620. 640 о С |
| 08Х14МФ | Без подогрева | Не регламентируется | Отпуск при 680. 700 о С |
Таблица. Способы сварки, сварочные материалы и механические свойства сварных соединений мартенситно-ферритных сталей .
| Марка стали | Способ сварки, сварочные материалы | Механические свойства сварных соединений | |
| σв, МПа | KCU, Дж/см 2 | ||
| 15Х12ВНМФ | РДС: - электроды Э-12Х11НМФ КТИ-9 | 735 | 50 |
| - электроды Э-11Х15Н25М6АГ2 ЭА-395/9 | 588 | 40 | |
| 12Х13 | РДС: - электроды Э-12Х13 ЛМ3-1, Э-06Х13Н ЦЛ-41, ЦЛ-51 | 637 | 50 |
| - электроды Э-11 Х 15Н25М6АГ2 ЭА-395/9 | 588 | 40 | |
| - электроды Э-lОХ25Н13Г2 3иО-8, ЦЛ-25 | 540 | 50 | |
| 14Х17Н2 | РДС: электроды Э-I0ХI8Н2 АНВ-2. АДС: проволока Св-08Х 18Н2ГТ, Св-08Х 14ГНТ, флюсы АН-2бс, Оф-б, АНВ-б. АрДС: проволока Св-08Х 18Н2ГТ, Св-08Х 14ГНТ, аргон | 755 | 50 |
| 08Х14МФ | РДС: электроды Э-l ОХ25Н 13Г2, ЦЛ-25 | 540 | |
| АДС: проволока Св-07Х25Н 13, АН-2б | |||
| АрДС: проволока Cb-04Х20Н5МББ | 490 | ||
| Св-07Х25Н 13, аргон | 540 | ||
Таблица 1. Мартенситно-ферритные стали : химический состав .
| Марка стали | С | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | V | S | P | прочих элементов |
| 15Х12ВНМФ | 0,12..0,18 | ≤0,4 | 0,5..0,9 | 11.0. 13,0 | 0,4 . 0,8 | 0,5 . 0,7 | 0,15. 0,30 | ≤0,025 | ≤0,030 | 0,7. 1,1 W |
| 12Х13 | 0,09..0,15 | ≤0,8 | ≤0,8 | 12,0. 14,0 | - | - | Не регламентируется | |||
| 14Х17Н2 | 16,0. 18,0 | 1,5 . 2,5 | ||||||||
| 08ХI4МФ | 0,03. 0,12 | 0,20. 0,45 | 0,8 . 1,2 | 12,0. 14,0 | - | 0,2 . 0,3 | 0,15. 0,3 | |||
Таблица 2. Механические свойства хромистых мартенситно-ферритных сталей, не менее .
Таблица. Способы сварки, сварочные материалы и механические свойства сварных соединений мартенситно-ферритных сталей .
Сварка мартенситно-ферритных сталей
Высокая коррозионная стойкость хромистых сталей обеспечивается при содержании Cr пределах 12. 14 %, так как при Cr > 12 % коррозионная стойкость более не увеличивается.
Вместе с этим при Cr > 12 % наблюдается склонность стали к охрупчиванию и снижению прочности в связи с формированием в структуре значительного количества ферритной составляющей.
Хромистые (13. 14 %) стали имеют частичное g«a (М) – превращение (рис. 35) и относятся к мартенситно-ферритным, при охлаждении которых полиморфные превращения соответствуют реакции: d – g + d – a (М) + d.
| Рис. 35. Термокинематическая диаграмма распада аустенита при непрерывном охлаждении 13 % -ной хромистой стали с различным содержанием С | Количество d–феррита в сталях повышается с увеличением содержания Cr и снижением концентрации углерода. С введением С границы области g–твердых растворов сдвигаются в сторону большего содержания Cr (см. рис. 34). Эти стали находят широкое применение при изготовлении химических агрегатов и энергетического оборудования (табл. 13 и 14). |
Химический состав мартенситно-ферритных сталей
| Марка стали | Содержание элементов, % (по массе) | ||||
| C | Cr | Si | Mn | Прочие | |
| 08Х13 | < 0,08 | 12. 14 | < 0,8 | < 0,8 | – |
| 12Х13 | 0,09. 0,15 | 12. 14 | < 0,8 | < 0,8 | – |
| 20Х13 | 0,16. 0,25 | 12. 14 | < 0,8 | < 0,8 | – |
| 08Х14МФ 14Х17Н2 | 0,03. 0,12 0,11. 0,17 | 12. 14 16. 18 | 0,2. 0,4 < 0,8 | 0,8. 1,2 < 0,8 | V = 0,15. 0,3 Mo = 0,2. 0,4 Ni = 1,5. 2,5 |
Примечание. Содержание S < 0,025 %, P < 0,03 %.
Механические свойства и назначение мартенситно-ферритных сталей
| Марка стали | sв, МПа | d, % | y, % | KCV, МДж/м 2 | Т эксп., °С | Примеры использования |
| не менее | ||||||
| 08Х13 12Х13 | 1,0 0,9 | 40–550 | Корпуса, детали хим. аппаратов, паровых и газовых турбин, рабочие направляющие лопатки, диафрагмы | |||
| 20Х13 | 0,8 | Детали насосов | ||||
| 08Х14МФ | – | – | Теплообменники ТЭС и АЭС | |||
| 14Х17Н2 | 0,5 | Детали внутренних устройств АЭС |
Трудности при сварке мартенситно-ферритных сталей связаны с охрупчиванием металла и возможностью образования холодных трещин. Это обусловлено характером распада аустенита в процессе охлаждения. Диаграмма распада аустенита стали 08X13 (см. рис. 35) имеет две области превращения: в интервале 600. 930 °С – соответствующем образованию ферритно-карбидной структуры, и в интервале 120. 420°С – мартенситной структуры.
Количество превращенного аустенита в указанных интервалах зависит от скорости охлаждения. Так, при охлаждении со средней скоростью 0,025 °С/с превращение аустенита происходит в верхней области с образованием феррита и карбидов. Лишь 10 % аустенита в этом случае превращается в мартенсит в процессе охлаждения от 420°С. Повышение Vохл до 10 °С/с способствует переохлаждению аустенита до Мн = 420 °С и полному его бездиффузионному превращению в мартенсит. С увеличением доли мартенсита резко падает KCV. Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в области более низких Т границы превращения.
У сталей с 0,1. 0,25 % С полное мартенситное превращение возникает при Vохл = 1 °С/с. При образовании мартенситной структуры KCV CC снижается до 0,05. 0,1 МДж/м 2 (в 10 раз). Последующий отпуск при 650. 700 °С приводит к распаду структуры закалки, выделению карбидов и повышению KCV до 1,0 МДж/м 2 . Формирование значительного количества d–феррита в ЗТВ резко уменьшает склонность сварных соединений к образованию холодных трещин, но снижает вязкость сварных соединений.
С учетом возможности восстановления KCV после термообработки стали имеют повышенное содержание С для предотвращения образования большого количества феррита в структуре, что позволяет избежать охрупчивания. Но при этом ухудшается свариваемость вследствие склонности сварного соединения к холодным трещинам в ЗТВ из-за снижения вязкости металла околошовной зоны. Дополнительное легирование сталей карбидообразующими элементами (Мо и V) снижает "эффективное" содержание С и устойчивость аустенита в процессе охлаждения, способствуя его распаду уже при 300 °С.
Таким образом, повышение содержания углерода в сталях, с одной стороны, позволяет улучшить свойства сварного соединения за счет термообработки, а с другой – ухудшает свариваемость из-за охрупчивания ЗТВ. Устранить указанные трудности позволяет правильный выбор теплового режима сварки.
Читайте также: