Термическая обработка сварных соединений высоколегированных сталей.

Сварные конструкции из коррозионностойких, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов находят применение в химических, энергетических установках разного назначения и работают при воздействии активных сред в широком диапазоне температур

. Кроме предъявленных к ним требований конструктивной прочности, они должны обладать коррозионной стойкостью и прочностью при высоких температурах. Их широкой номенклатуры таких сплавов можно выделить стали с аустенитной и ферритной структурой, не претерпевающие полиморфных превращений при сварке и термообработке.

Высоколегированные хромистые стали содержат от 11 до 28% хрома.

Термообработка сварных соединений определяется фазовым и структурным состоянием ЗТВ и металла шва после сварки.

20Х13 – мартенситного класса;

12Х13, 14Х17Н2 – мартенсито-ферритного класса,

15Х25Т – ферритного класса;

08Х22Н6Т –феррито-аустенитного класса.

Наиболее частая термообработка – высокий отпуск, а также регулирование термического цикла предварительными, сопутствующими подогревами.

К классу аустенитных сталей относятся высоколегированные хромоникелевые стали: Х18Н10; 08Х18Н10Т; Х18Н9; Х18Р12ТБ; Х17Н13М2.

К основным структурнымпроцессам, формирующим их свойства, относятся растворение и выделение упрочняющих фаз (карбидов, нитридов, интерметаллидов), рост зерна. Наибольшей склонность к росту зерна обладают ферритные и феррито-мартенситные стали.

.

Стабилизирующий отжиг:

Эта операция используется для неупрочняемых однофазных и двухфазных аустенитных и ферритных сталей при температуре для снятия сварочных напряжений и восстановления свойств сварного соединения.

Для аустенитных сталей Нагрев до 850-900С – процесс растворения карбидов происходит медленно, а в стали с активными карбидообразующими элементами они вообще не растворяются, а наоборот, начнется процесс их коагуляции (укрупнения). Данный отжиг исключает развитие межкристаллитной коррозии и растрескивания. Если коррозионная среда отсутствует, то сварные соединения, эксплуатирующиеся до 500С, термообработке не подвергаются.

Остальные (двухфазные структуры) подвергаются высокому отпуску при температуре 680-760С.

При сварке аустенитных сталей распределение температур в ЗТВ приводит к тому, что в ней создаются участки различного фазового состава. Например, в области ЗТВ,нагревавшейся выше 1100С, расположен чистый аустенит. В зоне, нагревавшейся до 900-1000С могут оставаться частицы нерастворившихся карбидов, хотя в ней будет более мелкое зерно аустенита. По свойствам эти зоны посте сварки будут характеризоваться высокой коррозионной стойкостью и ударной вязкостью. Однако, если при эксплуатации конструкция будет нагреваться до 500-650С, то в этих зонах начнется процесс выделения карбидов. В результате основной карбидообразующий элемент в этой стали - хром будет связываться в карбид, тем самым уменьшается его концентрация на границах зерен аустенита.

При эксплуатации в агрессивной среде в этой зоне возникает межкристаллитная коррозия. В связи с этим, сварные соединения из таких сталей, работающих в агрессивных средах при повышенных температурах, подвергают термообработке, заключающейся в продолжительной нагреве при 900С в течение 3-4 часов. Такой нагрев одновременно с выделением карбидов приводит к ускорению диффузионных процессов внутри аустенитных зерен и к обогащению его границ хромом.

При сварке аустенитно-ферритными электродами может возникнуть опасность охрупчивания швов вследствие прохождения в температурном интервале 600-900С процесса образования сигма-фазы. С увеличением объемной доли феррита до 20% интенсивность этого процесса возрастает. Поэтому для снижения опасности охрупчивания содержание феррита ограничивают до 1-5%. Если сварные узлы из аустенитной стали термообработке не пожвергаются, то содержание ферритной фазы можно увеличить до 10%.

При использовании в конструкциях стали с карбидным упрочнением стабилизирующий отжиг не приводит к заметному изменению свойств основного металла. Если свариваются высокожаропрочные стади с интерметаллидным упрочнением (Ni 3(TiAl), которое устойчиво до 80-850С, то после стабидизирующего отжига прочность может падать за счет растворения интерметаллидов. В данных случаях применяют двухступенчатый отжиг, 1 – для снятия сварочных напряжений, а 2 – для частичного восстановления заданных свойств. Например, для ЭИ612 рекомендуется отжиг 950, 10 частов с последующим старением при 700С в течение 35-50 часов.

Операция стабилизирующего отжига связана с большими трудностями из=за высоких температур нагрева, особенно для крупногабаритных конструкций, иногда она невыполнима. Поэтому отказ от проведения термообработки связан с переходам к сталям, нечувствительным к воздействию сварки.

Аустенизация. Эти стали не всегда имеют в холодном состоянии однородную аустенитную структуру, после горячей или холодной прокатки они могут содержать в разных количествах феррит и карбиды. Эти фазовые составляющие снижают коррозионную стойкость сталей, пластичность и ударную вязкость. Поэтому для получения однофазного аустенитного состояния стали подвергают аустенизации. Для аустенизации сталей с содержанием углерода до 0,1% необходим нагрев от 750 до 950С в равновесных условиях (длительный нагрев). При наличии в стали карбидообразующих элементов интервал температур будет увеличиваться. Практически он составляет для высоколегированных сталей 1050-1150С с последующей закалкой.

Аустенитные стали целесообразно применять для конструкций, работающих при низких температурах, так как обладают высокой хладостойкостью и сохраняют ударную вязкость. Для таких сталей проводят аустенизацию при температурах 1050-1150С, которая позволяет гомогенизировать аустенит в ЗТВ и в основном материале.

Аустенитные стали в качестве жаропрочного материала используются в конструкциях, работающих при температуре до 650С. В них наряду с хромоникелевой и хромоникеле-марганцевой основой содержится большое количество молибдена, ванадия, ниобия и др, образующих упрочняющую интерметаллидную основу. Присутствие в стали карбидов титана, ниобия, циркония, дающих труднорастворимые карбиды для гомогенизации аустенита при термической обработке требуется более высокий нагрев. Чаще всего для аустенизации жаропрочных аустенитных сталей проводят аустенизацию при 1200С. Для таких сталей очень важен последующий нагрев после закалки: старение при 700-800С выделяется упрочняющая интерметаллидная фаза и дисперсные карбиды, что повышает жаропрочность сварного соединения и стали. Эффективно также двойное старение: первое при 650С (температура эксплуатации), второе – при 800С.

Аустенизация сварных соединений аустенитных сталей обеспечивает их максимальную пластичность при нормальных и криогенных температурах. Например для стали 12Х18Н9Т с аустенитно-ферритными швами проведение аустенизации обусловливает заметное снижение склонности швов к охрупчиванию при пониженной температуре за счет коагуляции в них ферритной фазы.

Трудности проведения, высокая стоимость, а также невозможность выполнения высокотемпературной обработки рассматриваемых сварных конструкций привели к разработке большой группы коррозионнос