Технологические особенности сварки коррозионностойких мартенситных сталей типа 12Х5МА, работающих при повышенных температурах

Хром придает сплавам железа ряд особых, специфических свойств. Например, при наличии ~12% Cr по массе возникающая при окислении поверхностная пленка приводит к пассивации этой поверхности. Пассивация металлов - это переход поверхности металла в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия; пассивация вызывается поверхностным окислением металлов. Сталь становится коррозионностойкой при относительно невысокой температуре.

По влиянию хрома и углерода (обычное содержание примесей) на кристаллическую решетку при близкой к комнатной температуре хромистые стали по структуре подразделяются на мартенситные, мартенситно-ферритные и ферритные.

При малой концентрации углерода (~0,05-0,06%) стали с содержанием до 12-13% Cr относятся к мартенситному классу, при 13-16% Cr - к мартенситно-ферритному, а при Cr> 16% - к ферритному.

Для хромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритных классов применяют общий или местный подогрев изделия до температуры 200-450°С. Температуру подогрева повышают с увеличением склонности стали к закалке, которая возрастает с увеличением содержания углерода в сталях и жесткости изделия. Можно и даже предпочтительней не нагревать металл до температур, вызывающих повышение хрупкости, а ограничивать температуру сопутствующего подогрева при сварке; например, для стали 08X13 такой температурой оказывается 100-120°С. Верхний предел сопутствующего подогрева необходимо ограничивать переходом стали к отпускной хрупкости и синеломкости, т. е. температурой для различных сталей в интервале 200-250°С.

При сопутствующем подогреве весьма опасны резкие охлаждения подогретой детали, так как при этом могут появляться трещины. Поэтому для улучшения структуры и свойств необходим высокий отпуск. Однако термообработка не может выполняться отдельно от сварки. Если непосредственно после сварки остудить изделие до комнатных температур, то образуется мартенситная структура. Последующий высокий отпуск приведет к получению хорошей сорбитной структуры. Но за периоды охлаждения при температурах ниже 100°С и вылеживания изделия до начала термообработки в сварных соединениях будут образовываться трещины с выходом на поверхность и внутренние надрывы размером 1-4 мм, которые впоследствии могут получить развитие.

Стали мартенситного класса марок 12Х5М, 12Х5МФ, 12Х6СМ предназначены для изготовления корпусов и внутренних элементов аппаратов нефтеперерабатывающих заводов, работающих при температуре до 600°С в контакте с крекинг газом, парами бензина и керосина.

В зависимости от типа конструкций и их назначения, к сварным соединениям из среднелегированных сталей предъявляются требования: необходимой и достаточной прочности в условиях эксплуатации, коррозионной стойкости, стойкости против взрывных нагрузок и т. д.

В связи с особыми свойствами (физико-химическими) среднелегированных сталей выполнение этих требований является достаточно сложной задачей. Восприимчивость этих сталей к закалке, а также высокий уровень механических свойств обусловливают ряд специфических трудностей, возникающих при сварке:

1. Склонность сварных соединений к холодным трещинам в около шовной зоне (реже в металле шва) из-за повышенного содержания углерода и под воздействием водорода.

2. Пониженная стойкость металла шва к образованию кристаллизационных трещин, обусловленная повышенным содержанием углерода и легирующих элементов и воздействием серы.

3. Трудность получения металла шва, около шовной зоны и сварного соединения в целом с механическими свойствами, одинаковыми с основным металлом или близкими к его свойствам.

Холодные трещины - наиболее распространённый дефект около шовной зоны и металла шва сталей, склонных к резкой закалке, имеющие в результате термического цикла сварки структуру мартенсита и остаточного аустенита. Поэтому, если для сварки применяли сварочную проволоку того же состава, что и основной металл или близкую к его составу, то возникает закалочная структура мартенсита и остаточного аустенита. При наличии и повышенной концентрации водорода и воздействии внутренних напряжений могут возникнуть холодные трещины. Холодные трещины возникают как в интервале температур образования мартенсита (250°С и ниже), так и после полного остывания сварного изделия, спустя некоторое, иногда значительное время после сварки (через 24 - 48 ч). Чем ниже температура распада аустенита, грубее структура мартенсита, выше уровень внутренних сварочных и структурных напряжений, тем вероятнее образование холодных закалочных трещин. С увеличением толщины свариваемого металла возможность образования закалочных трещин возрастает. Элементы, снижающие температуру мартенситного превращения, усиливают склонность металла к образованию холодных закалочных трещин. К этим элементам, прежде всего, относится углерод. Температура мартенситного превращения снижается при повышении содержания марганца, никеля, хрома, молибдена и др.

О свариваемости, применительно к её чувствительности к закаливаемости,   ориентировочно  судят  по  коэффициенту эквивалентности по углероду для различных легирующих элементов: С_э = С% + (Мn6)% + (Сr/5)% + (V/5)% + (Мо/4)% + (Ni/15)% + + (Сu/13)% + (Р/2)%.

Стали с эквивалентом по углероду >0,45 - склонны к образованию трещин при сварке. Однако этот критерий не является основанием для неприменения стали в сварной конструкции.

Образование холодных трещин спустя некоторое время после полного остывания сварного соединения является наиболее неприятным, т.к. качество изделия теряется после его контроля. Замедленное разрушение связано с тем, что углерод и легирующие элементы увеличивают устойчивость аустенита и смещают мартенситное превращение в область пониженных температур. Нестабильный остаточный аустенит в структуре мартенсита с течением времени распадается при 20°С. Интенсивность этого процесса усиливается при охлаждении ниже 0°С.

При распаде остаточного аустенита образуется хрупкая структура не отпущенного мартенсита, что вызывает дополнительные структурные напряжения, кроме сварочных, в области хрупких структур шва и около шовной зоны. Вследствие увеличения микрообъемов металла при распаде остаточного аустенита происходит зарождение и развитие трещин в ранее образовавшемся мартенсите. Чем грубее структура первичного мартенсита, тем она боле хрупка, и образование трещин более вероятно.

Возникающие структурные превращения при распаде остаточного аустенита суммируются с растягивающими напряжениями сварки от реакции жёсткой заделки и в критических случаях приводят к появлению трещин в течение времени. Этот эффект усугубляется наличием различных концентраторов напряжений: подрезами, не проварами, включениями и т. д.

Образованию трещин с течением времени способствует водород, растворённый в металле; он, растворённый в металле, с распадом аустенита, постепенно выделяясь в несплошности структуры в виде молекулярного водорода, создаёт местные внутренние давления, облегчающие возможность образования микротрещин. Если наплавленный металл имеет устойчивую аустенитную структуру, трещины в около шовной зоне не возникают, даже если в зоне сплавления резко возрастает концентрация водорода. Объясняется это тем, что аустенит хорошо растворяет водород, но обладает плохой для него проницаемостью и в этом случае служит своеобразным запорным слоем для перемещения водорода и его скопление в опасных зонах. В то же время аустенитные швы обладают высокой деформационной способностью, что ослабляет напряжённое состояние металла и тем самым снижает отрицательное действие водорода.

Для предотвращения холодных трещин при сварке необходимо:

1. Применять меры по предупреждению попадания водорода в зону сварки - использование низко водородистых сварочных материалов, зачистка свариваемых кромок от ржавчины, масел. Это достигается высокотемпературным режимом прокалки сварочных материалов (550 - 750°С).

2. Применять меры, направленные на снижение скорости охлаждения в мартенситном интервале температур (250°С и ниже), и создание условий для развития само отпуска мартенсита, в результате чего получится более пластичный металл. Это достигается за счёт применения подогрева перед сваркой и отпуска после сварки.

3. Отсутствие грубой дендритной закалочной структуры литого металла шва за счёт применения специальных присадочных проволок и флюсов, многослойной сварки, колебательных движений электрода при автоматической сварке, импульсного режима сварочного тока (при малых толщинах металла), подбора оптимальных режимов сварки. Получение равнопрочных основному металлу сварных соединений достигается двумя путями:

1. Сварные соединения, подвергающиеся термической обработке после сварки.

2. Сварные соединения, не подвергающиеся термической обработке после сварки.

В первом случае металл шва близок по химическому составу к основному. Термообработка заключается в закалке с высоким отпуском, иногда проводится лишь высокий отпуск - для получения более равновесных структур и полного снятия сварочных напряжений. Повышается пластичность и ударная вязкость.

Если сварные соединения работают при температуре выше 450°С, когда при эксплуатации по линии сплавления возможно развитие диффузионных процессов, в частности миграции углерода, для сварки используются присадочные материалы, близкие по составу к свариваемой стали. Так, при ручной дуговой сварке применяют электроды марки ЦЛ-17 (тип Э-10Х5МФ), а при автоматической под флюсом АН-15 - сварочную проволоку Св-10Х5М. В этом случае для предотвращения образования холодных трещин сварку выполняют с предварительным и сопутствующим подогревом свариваемых изделий до 300 - 350°С, а сварочные материалы подвергают высокотемпературной прокалке перед сваркой (для удаления углерода). После окончания сварки необходимо использовать отпуск сварных соединений при температуре 750 - 760°С со скоростью охлаждения не более 50°С/час для снятия остаточных сварочных напряжений, стабилизации структуры твёрдости и других механических свойств.

Термообработка после сварки не проводится, если для сварки применяли аустенитные присадочные материалы. Металл шва получается с аустенитной структурой. Шов отличается высокой пластичностью и ударной вязкостью. Для равнопрочности с основным металлом увеличивают сечение шва. В этом случае металл шва, отличаясь по химическому составу от основного металла, сохраняет высокую деформационную способность и имеет повышенную стойкость около шовной зоны к образованию холодных трещин.

Если температура эксплуатации сварных соединений ниже 450°С, а толщина свариваемых элементов менее 20 мм, появляется возможность отказа от подогрева свариваемых изделий и термической обработки сварных соединений за счёт применения аустенитных присадочных материалов, обеспечивающих получение пластичного металла шва. В этом случае для ручной дуговой сварки используются электроды марок ЦЛ-9, ОЗЛ-6 или другие типы Э-10Х25Н1ЗГ2Б, а для автоматической сварки под флюсом АН-22 - проволока Св-Х20Н9Г7Т.

Серьёзной проблемой свариваемости является пониженная сопротивляемость горячим трещинам. Элементы, обусловливающие образование горячих трещин - сера, углерод, фосфор, кремний, медь, никель. Элементы, повышающие стойкость и нейтрализующие действие серы - Мn, Тi, Сr, V. Меры предупреждения трещин - технологические и металлургические.

 

 

Контрольные вопросы к главе 4.

1. Какие проблемы свариваемости хладостойких никелевых сталей и как они решаются?

2. Как изменяются механические свойства и пластичность металла в эффективном интервале кристаллизации?

3. Какая технология дуговой сварки хладостойких никелевых сталей обеспечивает работоспособность сварных соединений?

4. Какие факторы влияют на запас пластичности металла и как его определить?

5. Какие факторы влияют на образование кристаллизационных трещин?

6. Если сварные соединения коррозионностойких мартенситных сталей работают при температуре выше 450°С, какая технология дуговой сварки возможна?

7. Какие факторы влияют на образование холодных трещин?

8. Какие проблемы свариваемости коррозионностойких мартенситных сталей и как они решаются?