Особенности сварки жаропрочных мартенситных сталей типа 15Х11В2МФ

Жаропрочные 12% хромистые стали, легированные молибденом, вольфрамом, ванадием, обладают по сравнению с низколегированными теплоустойчивыми сталями повышенной жаростойкостью и жаропрочностью. Так, предел длительной прочности сталей 15X11МФ, 15Х11В2МФ и 15Х12ВНМФ при температурах 580 - 610°С за 100000 часов изменяется в пределах 100—160 МПа.

Применение этих сталей вместо перлитных позволяет повысить рабочие температуры и давление пара в котлотурбинных установках без значительного увеличения толщины сечения рабочих элементов. Вследствие дополнительного легирования молибденом, вольфрамом в структуре стали, наряду с мартенситом, может содержаться до 20 - 40% феррита, независимого от температуры закалки. Установлено, что лучшими характеристиками жаропрочности обладают стали, содержащие не более 15 - 20% структурно свободного феррита. Более высокий процент обуславливает резкое разупрочнение стали при высоких температурах, нестабильность свойств, снижение пластичности. Для снижения феррита их легируют никелем и марганцем или повышают содержание в них углерода.

С целью предотвращения развития диффузионных процессов в зоне сплавления при эксплуатации сварных соединений химический состав швов стремятся приблизить к химическому составу свариваемой стали. При этом содержание δ - феррита в швах стремятся ограничить 10%, т. к. при большем содержании δ – феррита снижается как длительная прочность, так и ударная вязкость швов. Последнее достигается введением повышенного содержания углерода в швы (0,10 - 0,14%) и дополнительным легированием их никелем (0,6 - 1,0%). Так, для сварки стали 15Х11МФ рекомендуются электроды КТН-9 (тип Э-12X11НВМФ), а для стали 15Х11В2МФ электроды ЦЛ-32 (тип

Э-12X11НВМФ) и при сварке под окислительным флюсом АН-17
проволока ЭП-390 (Св-15X11ГНВМФ).

Сварка сталей обусловлена рядом трудностей.

1. Из-за низкой теплопроводности стали в зоне сварки возникает высокий 1радиент температур и, вследствие этого, повышенный уровень временных и остаточных сварочных напряжений.

2. Мартенситное превращение в этих сталях отрицательно влияет на образование холодных трещин в металле шва и в зоне термического влияния. В последней обязательно образуется мартенсит, т. к. мартенситный распад происходит при пониженных температурах (~ 150°С) и этим исключается протекание само отпуска. Образующийся мартенсит в этих условиях имеет повышенный уровень микронапряжений и повышенную хрупкость.

3. В связи с тем, что мартенситные стали являются термически улучшаемыми и используются после закалки и высокого отпуска (структура сорбит), участки зоны термического влияния, нагревавшиеся при сварке до температуры, близкой к А₁ (723°С), разупрочняются. Такое разупрочнение отрицательно влияет на жаропрочность. Разупрочнённые участки зоны термического влияния не могут быть ликвидированы последующей после сварки простой термообработкой — отпуском – и требуют сложной, двойной термообработки - нормализация с отпуском.

Высокохромистые стали можно сваривать различными способами сварки. Общим условием является использование технологии с наименее интенсивным тепловым воздействием сварочного источника теплоты на участки ЗТВ. Это уменьшает размеры мартенситной зоны. Для устранения градиента температур и уменьшения сварочных напряжений стали перед сваркой подогревают.

Повышенная склонность свариваемого металла и металла шва к образованию мартенсита и других закалочных структур требует применения высокого подогрева при сварке. Так, при толщине свариваемых элементов свыше 30 мм необходимая температура их подогрева составляет 350 - 400°С.

Распад мартенсита протекает в более благоприятных условиях. Подогрев может быть недостаточным для предотвращения холодных трещин, они могут возникнуть сразу после сварки или в процессе охлаждения. Для их предупреждения после окончания сварки рекомендуется задержание охлаждения сварного соединения при 100 - 150°С для распада остаточного аустенита в мартенсит с последующим высоким отпуском сварных соединений при температуре 740 - 760°С в течение 5 - 7 часов. Время выдержки зависит от содержания в стали углерода и толщины свариваемого изделия.

Такой термический режим сварки и режим термической обработки обеспечивает сорбитообразующую структуру и наиболее оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств. В связи с высоким уровнем легирования 12% хромистые жаропрочные стали являются структурно-стабильными (устойчивыми к отпуску) и в сравнительно малой степени подвержены разупрочнению при сварке. Длительная прочность сварных соединений составляет 85 - 95% от длительной прочности основного металла.

Мартенситные жаропрочные стали сваривают с присадочными материалами, обеспечивающими металл шва, по составу и свойствам близкий к основному. В этом случае должны соблюдаться все отмеченные выше условия сварки.

Иногда для монтажных или ремонтных условий, где проведение термообработки связано с большими трудностями, для сварки можно применять аустенитные присадочные материалы.