Сварка специальных сталей и сплавов
Обновлено: 19.05.2024
5.1. Сварка закаливающихся высоколегированных сталей.
5.1.1. Влияние термического цикла сварки на структуру и свойства закаливающихся сталей
1. Стали мартенситного класса 20X13 и 14X17Н2,мартенситно-ферритного — 12X13, 15X11МФБ, 15Х12ВНМФ, 14Х12В2МФ, 18Х12ВМБФР и сталь 08X13, относящаяся к ферритному классу, при воздействии сварочного термического цикла претерпевают закалку, в результате чего металл в околошовной зоне сварного соединения становится более твердым, прочным и хрупким.
2. Степень изменения этих свойств зависит прежде всегоот содержания в стали углерода и других легирующих элементов, упрочняющих твердый раствор и снижающих температуру превращения аустенита в мартенсит, а также от способа и режима (погонной энергии) сварки. Например, при дуговой сварке с минимальной погонной энергией (минимальный варочный ток, максимально возможная скорость сварки), при которой металл околошовной зоны нагревается и охлаждается весьма быстро, степень подкалки этого металла значительно большая, чем при электрошлаковой сварке.
3. Существует оптимальная температура отпуска сварных соединений этих сталей:
а) после 3—5-часового отпуска при температуре 680—720° С (с охлаждением на воздухе) металл в околошовной зоне сварных соединений этих сталей приобретает наиболее оптимальные механические свойства;
б) температура отпуска сварных соединений высокохромистых жаропрочных сталей несколько выше (730—750° С), а скорость нагрева для отпуска и скорость охлаждения после отпуска меньше, чем обычных хромистых;
в) после отпуска сварных соединений ударная вязкость металла у линии сплавления несколько ниже, чем той же стали, не подвергавшейся воздействию сварочного термического цикла. Это особенно заметно у стали 08X13. Снижение ударной вязкости металла в околошовной зоне этих сталей при воздействии сварочного нагрева обусловлено ростом ферритных зерен. Металл в околошовной зоне этих сталей состоит из крупных зерен низкоуглеродистого феррита (светлые зерна) и мелкоигольчатого мартенсита;
г) с повышением погонной энергии сварки размер зерна и увеличение количества низкоуглеродистого (структурн-свободного) феррита в околошовной зоне этих сталей возрастает, а ударная вязкость еще больше снижается;
д) при высоком отпуске после сварки карбиды выделяются исключительно из мартенситной фазы, а строение и микротвердость низкоуглеродистого феррита сохраняются неизменными Металл при этом разупрочняется. При температуре отпуска 680— 720° С твердость стали становится минимальной, а значения ударной вязкости — максимальные, несколько не достигающие, однако, исходных.
5.1.2. Сварка высоколегированных сталей с 13 % хрома
1. Стали 08X13 толщиной до 16—20 мм, 12X13 толщиной до 10— 12мм и 20X13 — до8—10мм при отсутствии жестких закреплений соединений можно сваривать без предварительного и сопутствующего подогрева. При большей толщине незакрепленных соединений или при указанных толщинах сталей, но жестко закрепленных,необходим общий или местный предварительный и сопутствующий подогрев изделий до температур 250-300° С
2. Стали 08X13, 12X13 и 20X13 в виде монометалла (сталь 08X13 преимущественно в виде биметалла) часто применяют для сварных изделий, эксплуатирующихся без динамических нагрузок.
В этом случае изделия после сварки не подвергаются термической обработке. Особенно это относится к стали 08X13. Максимальная пластичность таких соединений получается при использовании для дуговой сварки аустенитной проволоки и электродов с повышенным содержанием никеля и хрома — проволоки Св-07Х25Н13 и Св-13Х25Н18, электроды из этих проволок. Может также применяться проволока Св-08Х20Н9Г7Т. При однопроходной автоматической сварке лучше использовать проволоку Св-13Х25Н18.
3. К недостаткам соединений высокохромистых мартенситных сталей, сваренных аустенитными проволоками и электродами, относятся пониженные характеристики прочности металла шва, особенно по сравнению со сталями с повышенным содержанием углерода, а также повышенная концентрация углерода по линии сплавления и связаннаяс этим несколько более высокая твердость и хрупкость этого металла после отпуска.
4. Учитывая отмеченные недостатки сварных соединений мартенситных сталей с аустенитно-ферритным швом, применять аустенитные проволоки целесообразно лишь для сварки изделий из стали 08X13 без последующей термической обработки. Для сварки сталей 12X13 и20X13 аустенитный присадочный металл может быть рекомендован только в случае эксплуатации изделий при статических нагрузках без значительных давлений.
5. Для обеспечения равнопрочности шва с основным металлом и высокой пластичности и вязкости сварных соединений сталей 12X13 и, тем более, 20X13 механизированную дуговую одно- или двухпроходную сварку их под флюсом и газоэлектрическую сварку (аргонодуговую, в углекислом газе) следует выполнять проволоками Св-10Х13 и Св-06Х14 и ручную дуговую сварку—электродами типа ЭФ-Х13 из этих проволок. Отпуск сварных соединений или изделий в этом случае является обязательным. Сварные швы, выполненные по такой технологии, по механическим свойствам практически не отличаются от основного металла. Причем в состоянии после сварки эти швы отличаются высокими характеристиками прочности и низкими пластичностью и вязкостью.
6. При многослойной сварке в углекислом газе толстого металла проволоки Св-10Х13и Св-06Х14 могут оказаться непригодными из-за недостаточного содержания в них кремния и марганца, которые интенсивно выгорают при данном методе сварки. В этом случае швы могут быть поражены порами
7. Влияние химического состава и структуры на физико-механические свойства шва:
- заметное увеличение количества низкоуглеродистого феррита и связанное с этим снижение вязкости и стойкости против образования трещин шва наблюдается при увеличении в нем содержания хрома более 13% и кремния более 0,35%.
- трещины не образуются при легировании наплавленного металла титаном в количестве 0,10—0,40%. Шов при этом приобретает мелкозернистую дезориентированную структуру, что повышает стойкость его против образования трещин;
- сварные швы, содержащие 12—13% хрома и 0,10—0,25% титана и не более 0,30%кремния, обладают оптимальными механическими свойствами. При увеличении в таких швах содержания титана выше 0,3% количество низкоуглеродистого (структурно-свободного) феррита в них резко возрастает, а ударная вязкость при этом, несмотря на измельченную, дезориентированную структуру, снижается;
- повышением содержания марганца от 0,35 до 0,8% в шве с 12—13% хрома ударная вязкость его возрастает;
- аналогично марганцу влияет никель. Влияние увеличения содержания марганца и никеля на ударную вязкость шва в данном случае связано с уменьшением количества низкоуглеродистого (структурно-свободного) феррита в нем;
- аналогично марганцу и никелю действует азот, содержание которого в швах с таким количеством хрома из условий предотвращения пористости не должно превышать 0,08%.
8. Чтобы обеспечить достаточнуюстойкость против образования холодных трещин при сварке стали 20X13 толщиной до 10мм без предварительного подогрева и получить удовлетворительные механические свойства сварных соединений после высокого отпуска, необходимо иметь следующий химический состав металла швов: до 0,12% С; 0,5—0,8%Мо; 0,20—0,35%Si; 12—13%Cr; 0,4—0,8%Ni; 0,15—0,25%Ti. Сталь 20X13 не проявляет склонности к 475-градусной хрупкости и поэтому может применяться в качестве жаропрочного материала для сварных изделий, работающих при температуре до 500 °С.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
Абрашин, А.В. Сварка специальных сталей и сплавов: учеб. пособие. – Брянск: БГТУ, 2005. – 116 с.
Показано влияние легирующих элементов на процессы, происходящие при сварке, условия плавления и кристаллизации металла сварочной ванны, механизм химической и физической неоднородности, свариваемость.
Рассмотрены свойства, области применения, свариваемость и технология сварки перлитных жаропрочных, хромистых, хромоникелевых, аустенитных и разнородных сталей, а также сплавов на никелевой основе.
Даны сведения о способах, материалах и режимах сварки, видах и режимах термической обработки и свойствах сварных соединений.
Учебное пособие предназначено для студентов специальности 150202 – "Оборудование и технология сварочного производства" при изучении дисциплины "Сварка специальных сталей и сплавов", может быть полезно работникам промышленных предприятий.
Табл. 33. Ил. 47. Библиогр. – 9 назв.
Научный редактор Кащук М.Г.
Рецензенты: кафедра "Технология конструкционных
материалов и ремонт машин" Брянской
к.т.н. Кузнецов Л.Д.
технический университет, 2005
ПРЕДИСЛОВИЕ
Специальные стали и сплавы относятся к большой группе конструкционных материалов, обеспечивающих работу узлов и деталей машин в условиях воздействия высоких температур, агрессивных сред, радиационного излучения и т.п.
Целью учебного пособия является обобщение современной информации о способах и технологии сварки указанных материалов таким образом, чтобы она была доступна для студентов при изучении и выполнении курсовых и дипломных проектов.
Данное пособие содержит информацию о свойствах сталей и сплавов, особенностях и трудностях при их сварке, возможных дефектах и способах их предупреждения и устранения.
Изложение материала в пособии включает краткое изложение особенностей работы сварных конструкций из специальных сталей и сплавов; влияния легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке; рассматривает вопросы свариваемости и технологии сварки жаропрочных перлитных, хромистых, аустенитных хромоникелевых сталей, никелевых сплавов и разнородных сталей.
Основное содержание пособия соответствует требованиям Государственного общеобразовательного стандарта по специальности 150202 – "Оборудование и технология сварочного производства".
В пособии рассмотрено влияние легирующих элементов на процессы, протекающие в сталях при сварке, на физические свойства сталей, свариваемость легированных сталей и природа образования холодных и горячих трещин при сварке. Для каждой группы сталей представлены свойства и области применения при изготовлении сварных конструкций. Определены трудности и представлена технология сварки, обеспечивающая получение сварных соединений с требуемыми свойствами. В приложении приведены условные обозначения химических элементов, перечень лабораторных и практических работ и темы индивидуальных докладов для студентов. Для оценки усвоения материала учебного пособия в конце каждой главы предлагаются контрольные вопросы.
Автор выражает свою признательность научно-методическому консультанту, зам. председателя РИСО БГТУ, к.т.н. А.П. Шлюшенкову за полезные замечания при редактировании пособия. Автор будет благодарен всем, кто выскажет конструктивные замечания и предложения для дальнейшей работы над данным учебным пособием.
Наш адрес: 241035, Россия, г. Брянск, бульвар им. 50-летия Октября, д.7, БГТУ, кафедра "ОиТСП", тел./факс (0832) 56-09-93.
ВВЕДЕНИЕ
Основным конструкционным материалом в промышленности являются углеродистые и низколегированные стали. Но с развитием энергетики, авиации, ракетной и атомной техники, химического машиностроения и судостроения, криогенной технологии и других отраслей непрерывно возрастает потребность в новых конструкционных материалах, обладающих специальными свойствами. Такие стали и сплавы называют специальными.
Эти свойства определяются непрерывным повышением рабочих температур и давлений, созданием установок большой мощности, работой в различных агрессивных средах при низких и высоких температурах. Высокие температуры необходимы для обеспечения эффективной работы энергетических установок (тепло- и атомные станции, реактивные двигатели и т.д.). Так, реактивные двигатели должны изготавливаться из материалов, способных обеспечивать необходимую прочность при температурах более 1000 °С, а оборудование электрических станций работает в условиях действия термомеханических нагрузок (давление пара 25 МПа, температура 600 °С).
К этому добавляется коррозионное действие на металл активной водяной, паровой или газовой среды. Многие сварные конструкции работают в условиях коррозии и кавитации под действием высоких и низких температур, нейтронного облучения и т. п. В этой связи возникает необходимость изучения особенностей сварки специальных сталей и сплавов. Целью настоящего курса является изучение металлургических и технологических особенностей сварки плавлением этих материалов, обеспечивающих необходимую работоспособность сварных соединений в различных условиях эксплуатации.
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
В тексте приняты следующие условные обозначения:
АДС – автоматическая дуговая сварка;
АрДС – аргонодуговая сварка;
ЭЛС – электронно-лучевая сварка;
ЭШС – электрошлаковая сварка;
РДС – ручная дуговая сварка штучными электродами;
ГЦК – гранецентрированная кристаллическая решетка;
ОЦК – объемно-центрированная кристаллическая решетка;
Тпп – температура предварительного подогрева;
Тпл – температура плавления;
Тл (Тс) – температура ликвидуса (солидуса);
ТИХ – температурный интервал хрупкости;
ГТ – горячие трещины при сварке;
XT – холодные трещины при сварке;
Vкр – критическая скорость деформации;
sT – физический предел текучести стали;
sВ – временное сопротивление;
s – условный предел текучести;
d – относительное удлинение при разрыве;
y – относительное сужение;
KCV – ударная вязкость;
Мн, Мк – температура начала (конца) мартенситного превращения
ЗТВ – зона термического влияния;
ВДП – вакуумно-дуговой переплав;
ШП – шлаковый переплав;
ВИП – вакуумно-индукционный переплав;
ЛЭ – легирующие элементы;
МКК – межкристаллитная коррозия;
ОШЗ – околошовная зона;
ЛТ – ламелярные трещины;
ТПН – трещины повторного нагрева;
ХР – хрупкие разрушения;
МХН – микрохимическая неоднородность.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ И СПЛАВОВ
Классификация сталей и сплавов осуществляется по следующим показателям:
1. По химическому составу:
А. Углеродистые стали:
– низкоуглеродистые (до 0,22 % С);
– среднеуглеродистые (0,23. 0,45 % С);
– высокоуглеродистые (более 0,45 % С).
Б. Легированные стали:
а) низколегированные (количество легирующих элементов не превышает 5 %), которые, в свою очередь подразделяются:
– на низкоуглеродистые конструкционные (09Г2, 14Г, 10ХСНД);
– теплоустойчивые (12ХМ, 20ХН, 20ХМФ);
– среднеуглеродистые (30ХГСА, 35ХМ).
б) среднелегированные (количество легирующих элементов составляет 5. 10 %):
– конструкционные (30ХГСНД, 30ХН2МФА);
– теплоустойчивые (20Х2МА, 12Х5МА).
в) высоколегированные стали (количество легирующих элементов от 10 до 55 %).
г) высоколегированные сплавы:
– сплавы на железоникелевой основе – твердый раствор хрома в железоникелевой основе (Fe+Ni > 65 %);
– сплавы на никелевой основе – твердый раствор хрома и других элементов в никелевой основе (Ni > 55 %).
2. По назначению в зависимости от основных свойств:
– коррозионно-стойкие, способные сопротивляться разрушениям в условиях воздействия коррозионной среды (воды, газа, пара, кислот, щелочей и т. п.) в течение расчетного срока эксплуатации (стали 12X13, 20X13, 30X13, 04Х18Н10, 12Х17Г9АН4, 10Х17Н13М2Т и другие);
– жаростойкие (окалиностойкие), способные сопротивляться окисляющему действию рабочей среды при Т > 500 °С, работающие в слабонагруженном состоянии в течение расчетного срока эксплуатации; для Т< 900°С – стали 12X17, 08Х17Т, 15X18СЮ; для Т < 1300°С – сталь 15Х25ТЮ;
– жаропрочные, способные сохранять прочность, пластичность и стабильность структуры при высоких температурах, работающие в нагруженном состоянии и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью; для Т < 550 °С – стали 25Х2МФ, 11Х11Н2В2МФ; для Т = 600. 700 °С – стали 12Х18Н10Т, 45Х14Н14В2М, 10X11Н20Т3Р.
Стали коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные называют также нержавеющими.
– холодостойкие, сохраняющие достаточную пластичность и вязкость при температурах от 0 до -269 °С. Для Т = -196 °С – сталь 03Х13АГ19, для Т = -253 °С – сталь 03Х9К14Н6М3Т, для Т = -269 °С – сталь 12Х18Н10Т;
– радиационно-стойкие, способные сохранять структуру и свойства в условиях облучения. Наибольшее влияние структурные изменения оказывают на механические свойства (sВ, sТ растут, а d, y, KCV уменьшаются в зависимости от суммарного потока нейтронов, снижается жаропрочность и происходит "разбухание" металла на 3. 10 %).
3. По системе легирования:
· хромистые стали (X) – 20X13, 12X17 и др.
· хромоникелевые (ХН) – 08Х18Н10, 12Х18Н10Т и др.
· хромомарганцовистые (ХМ) – 03Х13НГ19, 10Х14АГ15 и др.
· хромоникельмарганцовистые – 08Х18Н2Г8Т, Х19Н8Г10АМ.
Основными легирующими элементами являются Cr и Ni. Они определяет свойства и структуру высоколегированных сталей и сплавов. В качестве легирующих элементов применяются С, Si, Mn, W, Ti, Al и др., которые обеспечивают особые свойства сталей и сплавов.
4. По структуре(табл. 1):
· мартенситные – стали 15Х12ВНМФ, 18Х11МНФБ, 15Х11МФ;
· мартенситно-ферритные – кроме мартенсита не менее 5 % феррита – стали 08X13, 12X13, 20X13, 08Х14МФБ и др.;
· ферритные – не претерпевающие a«g превращений – стали 15X28, 15Х25Т, 18Х17Т, 08Х23С2Ю, ЭП 882-ВИ, ЭП 904-ВИ и др.;
· аустенитно-ферритные с содержание феррита более 10% – стали 08Х22Н6Т, Х21Н5Т, Х28АН, 12Х21Н5Т, 08Х23Н6, 03Х22Н6М2;
· аустенитно-мартенситные – стали 09Х15Н8Ю, 08Х17Н5М3;
Структурные составляющие системы "железо–углерод" (Fe–C)
| Элемент | Фаза | Вид и параметры кристаллической решётки, нм | Растворимость углерода (С), % | Удельный объём, см 3 /г | Свойства |
| Феррит (Ф) | Твердый раствор внедрения углерода в a–железе (также и d–железе) | ОЦК 2,86 | 0,006 при 0 °С 0,02 при 723 °С | 0,1271 | Пластичен, мягок, ферромагнитен до 768 °С. sВ = 300 МПа; d = 40 %; sТ = 120 МПа; y = 80 %; KCV = 2,5 МДж/м 2 |
| Аустенит (А) | Твердый раствор внедрения углерода в g–железе | ГЦК 3,56 | 2,14 при 1130 °С | 0,1275 | Мягок, прочнее феррита, пластичен, хладостоек, жаростоек, кислотостоек. KCV = 2,5 МДж/м 2 ; d = 40%; sВ = 650 МПа; y = 55 %; sТ = 120 МПа; НВ = 1800 |
| Цементит (Ц) | Химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), Fe3C | Сложная ромбическая | 6,69 | 0,1304 | Хрупок, тверд, слабомагнитен НВ = 8000 (65 HRC) |
| Перлит (П) | Эвтектоидная (механическая) смесь Ф + Ц | – | 0,80 | 0,1286 | Прочная структурная составляющая d = 16 %; НВ = 1900; sв = 850 МПа |
| Ледебурит (Л) | Эвтектоидная смесь А + Ц | – | 4,3 при 1130 °С | – | Хрупок, тверд НВ > 6000 |
| Мартенсит (М) | Пересыщенный твердый раствор С в a–железе | ОЦК тетрагональная | – | 0,1310 | Хрупок, тверд HRC ³ 60 |
| Карбиды (К) | Соединение С с одним или несколькими металлами | – | – | – | Хрупкие, очень твердые |
Принадлежность стали к той или иной структурной группе можно определить по диаграмме Шеффлера (рис. 1).
Рис. 1. Структурная диаграмма металлов (по Шеффлеру)
5. По системе упрочнения твердого раствора:
· карбидное – характерно для жаропрочных и жаростойких сталей с содержанием углерода 0,2. 1,0 %; при выдержке стали при Т = 600. 650 °С выпадают сложные карбиды Fe, Cг, Nb, V, W типа Me23C6, Ме6С, MeC и другие, которые располагаются по границам зерен и "заклинивают" их;
· боридное – характерно образованием боридов Fe, Cr, Mo, Nb;
· интерметаллидное – характерно для никельсодержащих жаропрочных сталей легированных Ti (1,0. 3,5 %) и Аl (до 6 %). При Т = 650. 850 °С образуются мелкодисперсные интерметаллиды типа Ni3 (Ti, Al), (Ni; Fe)2Ti и другие. Наличие других элементов может привести к карбидному виду упрочнения.
Контрольные вопросы к главе 1
1. По каким показателям классифицируются стали и сплавы?
2. Перечислите структурные составляющие системы Fe–C.
3. Чем отличается аустенит от феррита?
4. Как классифицируются стали по назначению?
5. Каким образом определяется принадлежность стали к структурному классу?
Сварка специальных сталей и сплавов: Методические указания и контрольные задания
Бурное развитие атомной и тепловой энергетики, авиационной и ракетной техники, химического нефтехимического машиностроения и других отраслей привело к созданию разнообразных металлических материалов со специальными свойствами, обеспечивающими надежность и работоспособность конструкций в различных условиях эксплуатации.
Специальные свойства металлических материалов (в том числе сталей и сплавов) в основном обеспечиваются путем сложного легирования. Однако добавка в металлические материалы легирующих элементов наряду с приданием им специальных свойств – жаропрочности, окалиностойкости, коррозионной и хладостойкости и др. – иногда резко ухудшает их свариваемость.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА КУРСА
Цель курса – дать студенту углубленные знания о состоянии и перспективах развития сварки плавлением при производстве сварных конструкций из специальных сталей и сплавов на железной и никелевых основах в энергетическом, химическом, криогенном и других производствах.
В курсе освещается научный подход к выбору принципиальной технологии сварки специальных сталей и сплавов, работающих при высоких и низких температурах, в условиях коррозии, нейтронного облучения и других экстремальных условиях.
Студент должен уметь с учетом условий эксплуатации сталей и сплавов и системы их легирования выбрать способ сварки, технологические режимы,| сварочные материалы, термическую обработку сварных соединений и дать другие необходимые рекомендации, обеспечивающие высокую эксплуатационную надежность изделий.
Для изучения курса «Сварка специальных сталей и сплавов» необходимо знание следующих дисциплин: «Материаловедение», «Теория сварочных процессов», «Технология и оборудование сварки плавлением и термической резки». Материалы дисциплины «Сварка специальных сталей и сплавов» должны использоваться при изучении курса «Специальные сплавы прочности», а также в деловой игре и при дипломном проектировании.
Учебные занятия по курсу включают лекции, лабораторные занятия, консультацию, самостоятельную работу студентов с учебниками и другой рекомендованной литературой и выполнение контрольных работ.
Студент обязан выполнять в соответствии с учебным планом одну контрольную работу и четыре лабораторные работы. После изучения курса, выполнения лабораторных и контрольных работ студент сдает экзамены.
Настоящие методические указания и задания на контрольные работы составлены на основании учебного плана ГОУВПО «Комсомольский-на-Амуре Государственный технический университет» по заочной форме обучения, утвержденного 10 апреля 2002 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА И
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ТЕМАМ КУРСА
Содержание и значение курса. Состояние и перспективы использования легированных, теплоустойчивых, жаропрочных, жаростойких, хладостойких, коррозионно-стойких сталей и жаропрочных никелевых сплавов в энергетической, криогенной, химической. Нефтехимической и других отраслях машиностроения для производства сварных конструкций.
Основные сведения о специальных сталях, сплавах и поведении при сварке.
Характеристики работоспособности сварных соединений жаропрочных, жаростойких, хладостойких и коррозионно-стойких сталей. Влияние легированных сталей на принадлежность их к различным структурным классам. Поведение при сварке сталей перлитного мартенситного, ферритного, аустенитного классов и сплавов на никелевой основе. Изменение свойств сталей в околошовной зоне в результате структурных превращений под действием термодеформационного цикла сварки.
Технологическая прочность сварных соединений. Склонность швов к образованию газовых включений.
Металлургическая характеристика способов сварки плавлением и сварочных материалов, используемых при производстве сварных конструкций из специальных сталей и сплавов.
Виды термической обработки сварных соединений, ее назначение и способы осуществления.
Методические указания
Вопросы для самопроверки
1) Какие стали относятся к легированным, теплоустойчивым, жаропрочным, жаростойким, хладостойким, коррозионно-стойким. Приведите пример марок сталей, относящихся к указанным группам.
2) В результате чего металлические материалы приобретают специальные свойства?
3) Назовите причину изменения свойств в зоне термического влияния сварных соединений.
4) перспектива производства специальных сталей и сплавов.
5) Укажите области применения специальных сталей и сплавов.
2 Сварка специальных сталей и никелевых сплавов
в энергетическом машиностроении
2.1 Трудности, возникающие при сварке теплоустойчивых сталей перлитного и мартенситного классов типа 15Х2НМФА, 15Х1М1Ф, 15Х11В2МФ и др., предназначенных для изготовления оборудования тепловых и атомных электростанций, работающего при 400-500 0 С. Выбор сварочных материалов для дуговой и электрошлаковой сварки, режимов сварки, температур подогрева свариваемых изделий и термической обработки сварных соединений, обеспечивающих их стойкость против образования холодных трещин, высокую жаропрочность (1, с. 151-158; 2, с. 17-25, 342-356, 404-40, 431-443; 6, 9, 13, с. 302-313).
2.2 Трудности, возникающие при сварке жаропрочных аустенитных сталей на никелевой основе типа 06Х16Н9Н2, Х25Н2ОС2, 15Х25Т, ХН7ОВМТЮ и др., работающих при температурах 600-900 0 С. Выбор сварочных материалов, режимов дуговой, электронно-лучевой сварки, а также режимов термической обработки сварных соединений, обеспечивающих стойкость сварных швов против образования горячих трещин, необходимую жаропрочность, жаростойкость сварных соединений и стойкость против локальных разрушений в процессе эксплуатации /1, с. 184-220, 269-288; 3, 4, с. 26-44; 5, 7, 11, 12, 13, с. 290-300, 314-330/.
При изучении этой темы студент должен, прежде всего, обратить внимание на влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали, а также их влияние на образование горячих и холодных трещин. Знание причин и степени воздействия легирующих элементов на металл шва и зоны термического влияния позволит обоснованно подойти к выбору сварочных материалов, режимов сварки и термической обработки.
Федеральное агентство по образованию
Научный редактор Кащук м.Г.
Предисловие
Содержание
1. Структура и свойства высоколегированных специальных сталей
1.1. Классификация и характеристика высоколегированных специальных сталей и сплавов.
К специальным относятся, в первую очередь, высоколегированные стали, обладающие рядом специфических свойств: высокой жаростойкостью жаропрочностью, коррозионной стойкостью, хладостойкостью т.п. К высоколегированным сталям относят сплавы, содержащие более 45% железа, суммарное количество легирующих элементов в которых составляет не менее 10% при содержании одного из элементов не менее 8%. Если суммарное содержание легирующих элементов в материале более 50% - материал называется уже не сталь, а сплав.
КЛАССИФИКАЦИЯ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СВОЙСТВ И НАЗНАЧЕНИЯ. В зависимости от основных свойств и назначения высоколегированные стали подразделяют на следующие группы:
коррозионно-стойкие, обладающие стойкостью против электрохимической коррозии (влажной атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой, морской и др.), в том числе против межкристаллитной коррозии под напряжением, питтинговой (точечной) коррозии и др.;
жаростойкие (окалиностойкие), обладающие стойкостью против химического разрушения(коррозии) их поверхности в газовых средах (в том числе в сухой воздушной атмосфере) при температурах выше 550° С, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии;
жаропрочные, работающие в нагруженном состоянии при высоких температурах в течение определенного гарантированного времени и обладающие при этом достаточной окалиностойкостью.
Все эти стали, как правило, коррозионностойки в атмосферных условиях, поэтому их часто называют общим названием — нержавеющие.
4. Самостоятельную группу, хотя и не предусмотренную стандартом, составляютхладостойкие высоколегированные стали и сплавы, сохраняющие на протяжении ограниченно или неограниченно длительного времени под напряжением достаточную пластичность и вязкость при температурах вплоть до - 269° С.
Группу собственно нержавеющих в атмосферных условиях составляют стали, содержащие свыше 10% хрома. К коррозионностойким в различных агрессивных средах относятся стали, содержащие 15% и более хрома.
Жаростойкими до температуры 900° С являются нержавеющие стали марок 12X17, 08X17Т, 15Х18СЮ; до температуры 1100° С — 15Х25Т, 15X28, 20Х25Н20С2 и другие; до температуры 1300° С — 15Х25Ю5 и др.
Весьма перспективными коррозионностойким и хладостойкими являются стали с низким содержанием углерода и дополнительно легированные азотом (08Х21Н5АГ7 и др.). Последний целесообразно использовать как для частичной замены никеля, так и для повышения прочностных характеристик стали. Как будет показано дальше, перспективность таких сталей с низким содержанием углерода и наличием азота основана на лучшей свариваемости и более высокой коррозионной стойкости.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТРУКТУРЫ.
В зависимости от структуры, определяемой химическим составом, получаемой при охлаждении на воздухе после высокотемпературного нагрева, высоколегированные стали подразделяют на следующие классы:
1. мартенситный — стали с основной структурой мартенсита;
2. мартенситно-ферритный — стали, содержащие в структуре, кроме мартенсита, не менее 5% феррита;
3. ферритный — стали имеющие структуру феррита, не претерпевающие превращений;
4. аустенитно-мартенситный — стали, имеющие смешанную структуру аустенита и мартенсита, количество которых можно изменять в широких пределах;
5. аустенитно-ферритный (или ферритно-аустенитный) — стали, имеющие смешанную структуру аустенита и феррита, количество последнего в которых составляет более 10%;
6. аустенитный — стали, имеющие преимущественно однофазную аустенитную структуру.
Отметим, что большинство выпускаемых отечественных аустенитно-ферритных сталей, кроме марки 08Х23Н1З и опытной перспективной 06Х21АН5 (и ей подобных), содержат 40% и более феррита, поэтому их правильнее называть ферритно-аустенитными в отличие от аустенитно-ферритных сталей зарубежных марок и сварных швов, содержащих от 3 до 20% феррита.
КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО ХИМИЧЕСКОМУ СОСТАВУ.
По составу различают стали:
5. перечисленные стали, дополнительно легированные азотом (сталь 08Х21Н5АГ7и т.п.), а также с добавками специальных легирующих элементов (молибдена, вольфрама и др.)и карбидообразующих (титана, ниобия, тантала), играющих роль стабилизаторов структуры и свойств(сталь 08Х18Н11М3Б, сталь 10Х17Н13М2Т и т.п.).
Основные виды сталей по данной классификации приведены в таблице 1 с учетом условных обозначений легирующих элементов в марках сталей и сплавов (см табл. 2).
Таблица 1. ПОДРАЗДЕЛЕНИЕ СТАЛЕЙ НА ТИПЫ, КЛАССЫ
Тип, класс стали
Марка стали
Ст.3, 10. 20, 15К, 16К,18К, 20К, 22К, 20ЮЧ
Низколегированный марганцовистый, марганцово-кремнистый
16ГС, 17ГС, 17Г1С, 09Г2С, 10Г2СФ, 09Г2. 10Г2С1, 10Г2, 10Г2С1Д, 09Г2СЮЧ, 16ГМЮЧ, 09Г2СФБ
15X5, 15Х5М, 15Х5ВФ, 12Х8ВФ,20Х13,Х9М, 12X13
08X13, 08Х17Т, 15Х25Т
08Х22Н6Т, 12X21Н5Т, 08Х18Г8Н2Т, 15Х18Н12С4ТЮ
10Х14Г14Н4Т, 08Х18Н10Т, 08X18H12Б, 10XI7H13M2T, 08Х17Н15МЗТ,03Х17Н14М3, 12Х18Н12Т, 02Х18Н11, 02Х8Н22С6, 0ЗХ19АГЗН10Т, 07ХГ3АГ20, 12Х18Н10Т, 12Х18Н9Т, 03X21Н21М4ГБ
Сплавы на железо-никелевой и никелевой основе
06Х28МДТ, 0ЗХ28МДТ, ХН32Т
Низколегированный хромомолибденовый хромомолибденованадиевый
12МХ, 12ХМ, 15ЧМ, 10Х2М1,
10Х2Г3М. 12Х1МФ, 10Х2М1ФБ, 15Х2МФА, 18Х2МФА, 25Х2МФА, 25Х3МФА
* Стали указанного типа и класса склонны к подкалке.
Таблица 2. Условные обозначения основных легирующих элементов в марках легированных сталей
Читайте также: