Технология сварки высокохромистых мартенситных, мартенситно - ферритных и ферритных сталей

Свойства сварных соединений высокохромистых сталей, наиболее близкие к свойствам катаного или кованого основного металла, могут быть получены только в тех случаях, если химический состав металла швов подобен по составу свариваемого металла и после сварки возможна термообработка в виде высокого отпуска. Однако это не всегда выполнимо, особенно в условиях монтажа или ремонта.
В швах по составу аналогичных основному металлу и в зоне термического влияния сварных соединений, выполненных без предварительного и сопутствующего подогрева и последующей термообработки, часто образуются трещины, кроме того, соединения обладают низкой деформационной способностью.
Поэтому в таких случаях приходится отказываться от получения швов, подобных по составу свариваемой хромистой стали. Более работоспособные сварные соединения получаются при аустенитной или аустенитно-ферритной структуре металла сварных швов, обычно хромоникелевых с достаточным количеством аустенизаторов, в основном никеля и марганца. Последующая термообработка по режиму, необходимому для измененного сварочным термодеформационным циклом основного металла, как правило, ухудшает свойства металла шва и вызывает резкие перепады остаточных напряжений вблизи границы сплавления. Поэтому термообработку таких сварных соединений обычно не проводят.
Однако даже при получении швов, подобных по составу основному металлу, необходимо учитывать, что часть наиболее важных свойств сварных соединений может быть получена, когда металл шва по составу несколько отличается от свариваемой стали, например имеет меньшую концентрацию углерода, содержит некоторое количество титана и т.д. В связи с тем, что такое регулирование состава металла шва легче обеспечивается при дуговой сварке, этот способ сварки наиболее распространен при изготовлении и ремонте изделий из высокохромистых сталей. Большинство сварочных работ с этими сталями выполняют ручной дуговой сваркой стальными покрытыми электродами. Наряду с этим используют дуговую сварку плавящимся электродом в углекислом газе, в инертных газах (аргоне, аргонно-гелиевых смесях) и сварку под специальными флюсами.
В связи с тем, что растворяющийся при сварке в расплавленном металле водород значительно усиливает склонность к образованию холодных трещин в хрупком металле швов и околошовной зоны, для ручной сварки высокохромистых сталей не следует применять электродные покрытия, содержащие в качестве газообразующих органические соединения. В этом случае используют электродные покрытия фтористокальциевого типа, при которых газовая защита сварочной зоны образуется за счет распада карбонатов покрытия, в основном мрамора.
Образующиеся при этом высококальциевые шлаки благоприятны для удаления из сварочной ванны серы и фосфора - вредных примесей, ограничиваемых в высокохромистых сталях в большей степени, чем в обычных углеродистых. Окислительное влияние газовой фазы (СО2 и продуктов распада) компенсируется использованием электродов, содержащих раскислители в металлическом стержне или чаще в покрытии.
Для уменьшения возможного поглощения водорода электроды перед сваркой следует прокаливать при температуре 450 ... 500 °С течение 2 ч (режим часто приводится в паспорте на электроды). Сварку выполняют постоянным током обратной полярности.
При сварке высокохромистых сталей в инертных защитных газах (аргоне и смесях на его основе) имеются благоприятные металлургические условия для снижения выгорания Cr и других легирующих элементов. Причем в основном используют сварку неплавящимся вольфрамовым электродом, а присадочный материал подбирают аналогичным желаемому составу наплавленного металла. При этом виде сварки в шов удается вводить почти без потерь такие весьма активные элементы (улучшающие свойства металла шва), как титан и алюминий. Однако из-за понижения производительности сварки применение этого метода обычно ограничивается изготовлением изделий малых толщин и выполнением корневого валика в многослойных швах металла большой толщины. В связи с тем, что ценный для свойств металла шва азот (для большинства таких сталей) при содержании его более 0,08 % может вызывать пористость, его количество в металле шва следует ограничивать, обеспечивая хорошую газовую защиту расплавленного металла от воздуха, и не допускать большего его количества в защитном газе.
Сварка плавящимся электродом в углекислом газе хотя и обеспечивает обычно достаточное оттеснение воздуха от сварочной зоны, однако оказывает значительное окислительное воздействие на металл. Для борьбы с недопустимым окислением металла шва в электродную проволоку необходимо вводить раскислители в количествах, достаточных для предохранения от выгорания основных элементов, определяющих свойства металла шва.
Сварка под флюсом также требует разработки специальных сварочных материалов. Широко применяемые окислительные высококремнистые, высокомарганцовистые флюсы не пригодны для сварки высокохромистых сталей в связи с происходящими при этом процессами окисления не только активных легирующих элементов, но и основного легирующего элемента - хрома. В ряде случаев повышение концентрации кремния, а также марганца в высокохромистом металле вредно для его свойств, в частности, уменьшает его пластичность и вязкость.
Фторидные бескислородные флюсы не обеспечивают достаточно хорошего формирования швов. Поэтому для сварки высокохромистых сталей рекомендуется применение либо безокислительного, высокоосновного флюса, почти не изменяющего в процессе плавления состава электродной проволоки, либо слабоокислительного (за счет введения в низкокремнистый флюс некоторого количества окислов железа) флюса в комбинации со специальными проволоками Св-15Х12НМВФБ и Св-15Х12ГНМБФ.
При выборе вида сварки, сварочных материалов и режимов сварки высокохромистых сталей, особенно жаропрочных, необходимо учитывать, что даже небольшие отклонения в химическом составе металла швов (по ряду элементов в пределах десятых долей процента) могут приводить к значительному изменению их служебных свойств.
При использовании аустенитного или аустенитно-ферритного наплавленного металла обязательно необходимо учитывать и долю основного металла, попадающего в металл шва и тем самым влияющего на его состав, структуру и свойства.

Сварка мартенситных хромистых сталей

Для деталей из высоколегированных мартенситных сталей применяют в основном ручную дуговую сварку покрытыми электродами, обеспечивающими получение сварных швов, близких по химическому составу основному металлу. Это электроды с наплавленным металлом, содержащим 10 ... 12 % Сr, до 0,8 % Ni и до 1 % Мо. Пониженное содержание углерода (0,02 ... 0,08 %) приводит к повышению вязкости металла швов, по химическому составу приближающихся к хромоникелевым мартенситным сталям. Наряду с электродами близкими по составу основному металлу применяют аустенитные электроды.
Для автоматической сварки используется проволока Св-15Х12НМВФБ и Св-15Х12ГНМБФ и флюсы АН-17 и ОФ-6.
Независимо от толщины изделий сварные соединения высокохромистых мартенситных сталей, как правило, подвергают термической обработке для снятия остаточных напряжений, распада закалочных структур и формирования механических свойств заданного уровня.
Во всех случаях сварные соединения подвергают немедленному (без охлаждения ниже температуры подогрева) термическому отпуску. В некоторых случаях перед отпуском производится подстуживание до 100°С для завершения γ → α (М)-превращения. Температура отпуска выбирается не выше значений критической точки Aс1 (табл.1).
Прочность сварных соединений определяется свойствами применяемых для сварки присадочных материалов. В случае однородных с основным металлом швов свойства сварных соединений близки к основному металлу.

Табл. 1 Особенности теплового режима сварки мартенситных сталей

Марка стали

Т, °С, подогрева

Продолжительность хранения до термической обработки, ч

Термическая обработка

15X11МФ 15Х12ВНМФ

18Х11МНФБ 13Х11Н2В2МФ

300

Не допускается

Отпуск при 700 ... 720 °С (без охлаждения ниже температуры подогрева). При толщине более 30 мм перед термообработкой рекомендуется "подстуживание" до 100 °С

12Х11В2МФ

250 ... 300

72

Отпуск при 715 ... 745 °С (предварительный) и 735 ... 765 °С (окончательный)

10Х12НД

>100

Не допускается

Отпуск при 650 °С (с предварительным "подстуживанием")

06Х12НЗД

>200

То же

Отпуск при 610 ... 630 °С (предварительный) и 625 ... 650 °С (окончательный)

Сварка мартенситно - ферритных сталей

Для стали 08X13 применяют различные способы сварки: ручная покрытыми электродами и в защитных газах, автоматическая под флюсом.
Наибольшее распространение имеют сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие получение аустенитного наплавленного металла (электроды типа Э-10Х25Н13Г2, проволока Св-07Х25Н12Г2Т). Присадочные материалы для ручной дуговой сварки (электроды типа Э-10Х18Н2), аргонодуговой и автоматической сварки под флюсом (проволока Св-08Х18Н2ГТ и Св-08Х14ГНТ) стали 14Х17Н2 по химическому составу близки к основному металлу.
Сварные соединения мартенситно - ферритных сталей должны быть подвергнуты термическому отпуску для "смягчения" структур закалки и снятия остаточных напряжений.
Так как для сталей 08X13, 08Х14МФ, 12X13 и 20X13 применяют в основном аустенитные сварочные материалы, прочностные свойства их сварных соединений ниже по сравнению с основным металлом. Равнопрочность достигается при использовании для сварки электродов и проволок, обеспечивающих получение металла швов с мартенситной структурой.

Сварка ферритных хромистых сталей

В качестве присадочных материалов для ручной дуговой сварки, сварки под флюсом и в защитных газах преимущественно применяют хромоникелевые сварочные электроды и проволоки, обеспечивающие получение наплавленного металла типа Х25Н13 с аустенитной структурой.
При наличии требований по МКК для сварных соединений применяют присадочные материалы, легированные Nb или Ti и Аl. Для сварки узлов из стали 08X17Т в химическом машиностроении применяют иногда электроды типа Э-10Х17Т. Проволоку Св-10Х17Т используют также при аргонодуговой сварке и автоматической сварке под флюсом. В случае применения аустенитных электродов и проволок металл шва сварных соединений обычных и "чистых" по примесям сталей отличается высокой пластичностью и ударной вязкостью. Если для сварки применены однородные электроды и проволоки с обычным содержанием примесей, то пластичность и ударная вязкость металла шва крайне низкие и какие-либо требования к этим характеристикам не предъявляются.
В связи с невозможностью измельчения структуры ферритных сталей методами термической обработки хрупкость их сварных соединений является необратимой. Термическая обработка, применяемая для сварных соединений сталей ферритного класса, положительно сказывается в основном на снижении уровня остаточных напряжений. Отжиг при 760 °С является универсальным для сталей ферритного класса. При этой температуре практически полностью релаксируют остаточные напряжения. Этот режим способствует также снижению склонности к межкристаллитной коррозии.