Бондаренко. Брянский государственный технический университет
 Скачать 7.13 Mb.
|
|
7.4. Термическая обработка Сварные узлы из аустенитных жаропрочных сталей, эксплуатируемые без воздействия активных сред до 500 °С, могут не подвергаться термообработке. При работе их в коррозионной среде проводят стабилизирующий отжиг при 850...950 °С, что позволяет полностью снять остаточные напряжения. Для жаропрочных термоупрочняемых сталей проводят двухступенчатый отжиг: 900 °С – 10 ч. + 750 °С – 30 ч. При работе в условиях ползучести сварные узлы подвергаются закалке (аустенизации) при Т = 1050...1100 °С или двойной аустенизации при Т = 1150...1200 °С и 1000 °С, при которой обеспечивается коагулирование карбидов на границах зерен. Для коррозионно-стойких сталей основным видом термообработки является закалка при Т = 1050...1100 °С, выдержка 1,0...1,5 мин на 1 мм толщины стали с последующим охлаждением в воде или на воздухе. При сварке с малой погонной энергией (ЭЛД, плазма и др.) сверхнизкоуглеродистых жаропрочных сталей, легированных Мо, послесварочная обработка не обязательна. Контрольные вопросы к главе 7 1. Почему аустенитные хромоникелевые стали называют металлом атомного века? 2. Как влияет скорость охлаждения на структуру аустенитных сталей? 3. Как избежать появления горячих трещин в сварных соединениях аустенитных сталей? 4. Как уменьшить темп деформаций при сварке? 5. Как можно повысить пластичность металла шва? 6. Для чего в аустенитные стали вводят вторую фазу? 7. Пути устранения МКК в металле шва и околошовной зоне. 8. С какой целью в сварочную ванну вводят твёрдый присадочный материал? 9. Что такое струйный перенос металла? 10. В чём преимущество импульсно-дуговой сварки? 8. СВАРКА РАЗНОРОДНЫХ СТАЛЕЙ Использование сварных соединений, разнородных по составу или структурному классу, позволяет: 1. Экономить дорогостоящие легированные стали. Очень часто только часть конструкции работает в специфических условиях (воздействия агрессивной среды, высокой температуры и др.) и нет необходимости изготавливать всю конструкцию из легированной стали. 2. Отказаться от термообработки сварного соединения. Во многих случаях при сварке закаливающихся сталей не представляется возможности осуществить термообработку (трубопроводы больших размеров, отсутствие соответствующего оборудования и т.п.). Сварка таких соединений аустенитным металлом шва позволяет не использовать термообработку без опасности появления трещин в ЗТВ со значительной твердостью после сварки. Закалившиеся участки сварного соединения находятся между "мягкими" зонами отпуска и металлом шва. 3. Улучшить свойства сварочного соединения. Так, при сварке ферритных высокохромистых сталей аустенитным присадочным материалом получается более работоспособное сварное соединение, чем при сварке однородным материалом. Таким образом, при сварке разнородных сталей можно выделить два случая: А. Свариваемые стали относятся к одному структурному классу и отличаются степенью легирования, например перлитные стали низкоуглеродистые и низколегированные. Б. Соединяемые стали относятся к разному структурному классу. Чаще всего используют аустенитный металл шва, т.е. осуществляют сварку стали аустенитного класса со сталью другого класса. 8.1. Образование и строение зоны сплавления Строение и свойства сварных соединений разнородных сталей связаны с формированием зоны сплавления и возможностью изменения состава и структурного состояния этой зоны и прилегающих участков в процессе нагрева при эксплуатации, термообработке, в процессе сварки и даже последующего охлаждения. Любой метод сварки плавлением связан с расплавлением и перемешиванием металлов. Вблизи границ сплавления выявляется кристаллизационная прослойка промежуточного состава между основным металлом и швом. Их протяженность зависит от способа и режима сварки и находится в пределах 0,005...0,6 мм. При сварке сталей одного структурного класса, но разного легирования наличие кристаллизационных прослоек обычно не влияет на свойства сварного соединения. При сварке сталей разного структурного класса образование сварного соединения связано с условиями совместной кристаллизации материалов с разными структурными решетками (– и –фазы). При этом в зоне сплавления образуется промежуточный слой сопрягающихся между собой деформированных структурных решеток. Чем меньше ширина такого слоя, тем больше степень структурной неоднородности. В пределах изменения состава зоны кристаллизованных прослоек структура и свойства их могут значительно меняться. Так, в зоне сплавления перлитной стали с аустенитным швом участок кристаллизационной прослойки с содержанием 3...12 % Сг и 2...7 % Ni имеет структуру высоколегированного мартенсита и является хрупким, что снижает эксплуатационную надежность сварной конструкции.
При этом металл шва б на никелевой основе даже в условиях значительного перемешивания с перлитной сталью а (до 70...80 %) сохраняет аустенитную структуру без мартенситных образований в переходных участках шва в и без опасности образования хрупких прослоек. Целесообразно обеспечить минимальное разбавление аустенитного металла неаустенитным, регулируя величину провара свариваемых кромок. 8.2. Образование диффузионных прослоек в зоне сплавления При сварке, термообработке или высокотемпературной эксплуатации в зоне сплавления могут создаваться переходные прослойки, обусловленные диффузионным перераспределением элементов на линии раздела разнородных материалов. В наибольшей степени указанные прослойки связаны с миграцией углерода. Активность углерода обусловлена малым размером его атома, образующим с железом твердые растворы внедрения. Диффузионная подвижность углерода во много раз больше, чем у других легирующих элементов как в –, так и в –Fe. Так, коэффициент диффузии хрома в –железе при Т = 1050 °С составляет 5810-12 см2/с, а углерода – 2,610-12 см2/с. Высокая активность С приводит к образованию обезуглероженной "белой" прослойки со стороны менее легированной стали. Диффузия углерода и образование диффузионных прослоек обусловлены: – различной растворимостью углерода в твердом и жидком железе в период контакта сварочной ванны с основным металлом; – различной растворимостью углерода в – и –Fe; – образованием химических соединений в стали, куда перемещается углерод, и стимулированием за счет этого протекания процесса реактивной диффузии. Основное влияние на диффузию углерода оказывает наличие карбидообразующих элементов в свариваемых сталях, так как углерод диффундирует в металл, содержащий элементы, образующие более стойкие карбиды (рис. 44). Процесс образования диффузионной прослойки относится к процессу реактивной диффузии, обусловленной разной термодинамической активностью карбидов в контактирующих материалах и образованием на границе раздела со стороны легированной стали устойчивых карбидов (Mn, Сг, Mo, V, Nb, Ti). При отпуске или высокотемпературной эксплуатации со стороны менее легированной составляющей выявляется полностью обезуглероженная прослойка ("белая"), а со стороны легированной составляющей – науглероженная прослойка с содержанием до 15 % С (рис.45).
Кинетика роста прослоек определяется экспоненциальной зависимостью от Т (рис. 46, а) и квадратичной от времени выдержки (рис.46, б). В координатах lg –Т и –t рост прослоек отображается прямыми линиями. Для снижения миграции углерода рекомендуют: 1. Уменьшать различие в содержании карбидообразующих элементов между основным и металлом шва (промежуточные облицовочные наплавки). 2. Вводить в малолегированную сталь карбидообразующие элементы Сг, Mo, V, Ti в количествах, необходимых для полного связывания углерода в стойкие карбиды. Так, достаточно ввести в низколегированную сталь 5 % Сг, чтобы подавить диффузию углерода в легированный аустенитный шов при Т = 500...520 С. 3. Применять электродные материалы с повышенной степенью аустенитности. В этом случае никель, как графитизатор, снижает стойкость карбидов, уменьшая связи углерода в карбиде. Применение электродных материалов на никелевой основе ( 80 % Ni ) позволяет избежать появления диффузионных прослоек в сварных швах, работающих при Т < 550 °С.  Рис. 46. Влияние температуры и длительности выдержки на ширину обезуглероженной зоны стали 30 со швом Э-10Х25Н13Г2: а – зависимость (lg )–T; б – зависимость –t (  )8.3. Дефекты сварных соединений К дефектам сварных соединений разнородных сталей относятся: 1. Технологические трещины в участках многослойных швов со значительным проплавлением основного металла и на границе раздела. Рекомендуется сварка с минимальным проплавлением. 2. Холодные трещины в диффузионных прослойках с мартенситной структурой. Применение аустенитных сварочных материалов является одним из путей решения этой проблемы. 3. Горячие трещины в соединениях аустенитных сталей разного легирования. Применение аустенитно-ферритных (до 5 % феррита) сварочных материалов уменьшает возможность образования ГТ. 4. Остаточные напряжения и деформации. Величина их определяется неравномерностью температурного поля (из-за разного коэффициента теплопроводности) и жесткостью соединяемых деталей. Разность коэффициентов термического расширения сказывает меньшее влияние. Наиболее неблагоприятное влияние эти факторы оказывают при охлаждении изделия, что требует особого внимания при разработке теплового процесса сварки. 8.4. Рекомендации по сварке разнородных сталей 1. РДС обеспечивает наибольшую гибкость регулирования степени проплавления свариваемых кромок. Перспективными являются ЭЛС, сварка взрывом и диффузионная сварка. 2. Во всех случаях предпочтительными являются способы сварки, обеспечивающие минимальное проплавление свариваемых кромок сварного соединения. 3. Металл шва и режим термообработки выбирают в соответствии с рекомендациями табл. 27. 4. Режим сварки подбирают исходя из выбранных сварочных материалов и оптимальной погонной энергии. 5. Для уменьшения вероятности образования технологических трещин рекомендуют применять предварительный подогрев. Так, при сварке сталей разного легирования Тпп выбирают близкой к Тпп для более легированной стали; при сварке электродами на базе 12 % Сг Тпп > 300°С. Таблица 27 Рекомендации по сварке разнородных сталей
Контрольные вопросы к главе 8 1. В каких случаях применяют сварку разнородных металлов? 2. Как влияет содержание никеля в металле аустенитного шва на ширину хрупких мартенситных прослоек? 3. Что означает понятие "реактивная диффузия"? 4. Как снижается миграция углерода в сварных соединениях? 9. СВАРКА СПЛАВОВ НА НИКЕЛЕВОЙ ОСНОВЕ Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью, окалиностойкостью и коррозионной стойкостью в газовых, соляных и жидкометаллических средах при Т = 1000...1100 С (табл. 28). Mo, W, Со, Cr упрочняют матричный твердый раствор на основе никеля; А1 и Ti вместе с Ni образуют метастабильную '–фазу с такой же структурой, как и матричный раствор (ГЦК); углерод в количестве до 0,1...0,15 % формирует дисперсные карбиды на границах зерен. Периоды решеток – и '–фаз отличаются незначительно (0,1 %), поэтому полученная метастабильная структура сохраняется при высоких температурах в течение 20...30 тыс. часов. Никелевые сплавы делятся на две группы: 1. Гетерогенные термоупрочняемые дисперсионным твердением, имеющие несколько исходных состояний. В закаленном состоянии сплавы имеют наименьшую жаропрочность, но наибольшую пластичность. В дисперсно-упрочненном (состаренном) состоянии пластичность минимальна, а жаропрочность максимальна и зависит от объема, химического состава и морфологии упрочняющих фаз. 2. Гомогенные нетермоупрочняемые. Главная роль в обеспечении жаропрочности никелевых сплавов принадлежит '–фазе (интерметаллиды типа Ni (Ti, Al), Ni Al (Nb, Al) с ГКЦ-решеткой), общее количество которой пропорционально содержанию (Ti+А1) или (Nb+А1). Если (Ti+Al) > 8 %, доля '–фазы достигает 60 %. Выделяясь в объемах зерен при 600...950 °С в виде большого числа когерентных мелкодисперсных частиц, '–фаза создает эффективные барьеры движения дислокаций. В то же время '–фаза значительно пластичнее карбидов, а прочность ее возрастает с увеличением Т. Таблица 28 Химический состав и применение высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов, %
Наряду с '–фазой возможно образование побочных некогерентных фаз, которые выделяются по границам зерен вследствие сегрегации или ликвации и приводят к охрупчиванию сплавов: –фаза (NiTi), –фаза (FeCr), карбиды (Ме23C6 и Ме6С), бориды (Ме3В2). В перестаренном состоянии (старение при повышенных Т) сплавы имеют промежуточные значения жаропрочности и пластичности вследствие коагуляции упрочняющих фаз. 9.1. Трудности при сварке никелевых сплавов Обусловлены особенностями однофазной кристаллизации сварного шва, изменениями в ЗТВ процесса дисперсионного упрочнения и старения. К этим трудностям относятся: 1. Транскристаллитность металла сварных швов с высоким уровнем ликвации. 2. Изменения в ЗТВ. 3. Трещины в сварных соединениях. 4. Охрупчивание при эксплуатации. Первичная структура металла шва формируется путем зарождения на подложке оплавленных зерен основного металла – укрупненных столбчатых кристаллов, конкурентный рост которых приводит к выклиниванию других, неблагоприятно ориентированных кристаллов и прекращению их роста. Эти особенности однофазной кристаллизации приводят к резкому укрупнению кристаллов в швах. Вместе с этим наблюдается высокий уровень неоднородности металла шва (табл. 29). | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
