ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ ХРОМИСТЫХ СТАЛЕЙ — Инструмент, проверенный временем
Высоколегированные хромистые стали содержат от 11 до 28 % Сг. Термическая обработка сварных соединений этих сталей определяется фазовым и структурным состоянием ЗТВ и металла шва после сварки, которое зависит в основном от содержания в стали хрома, углерода и никеля. Некоторое значение может иметь дополнительное легирование стали небольшими количествами молибдена, вольфрама, ванадия, ниобия и других элементов.
О процессах, которые могут протекать в высокохромистых сталях при нагреве и охлаждении, и соответственно о фазовом и структурном состоянии металла ЗТВ и шва можно судить по диаграммам состояния сплавов (рис. 8.11 и 8.12). В безникелевых высокохромистых сталях в условиях сварочного нагрева может протекать а у-превращение, поэтому структура может быть частично или полностью мартенситной, так как при высоком
Рис. 8.11. Влияние содержания Рис. 8.12. Влииние содержания никеля
хрома иа сужение у-области в сила — иа фазовое состояние сплавов железа с
вах железа с углеродом углеродом, содержащих 18% Сг:
а — 2 % N1; в — 4 % N1
содержании легирующих элементов в свариваемой стали или в металле шва у->- a-превращение при охлаждении, как правило, происходит в области пониженных температур (ниже Мы) с образованием мартенсита (полностью или частично).
Сплавы, которые при нагреве не претерпевают а у-превра — щения, остаются ферритными. Особенность однофазных ферритных сталей — повышенная склонность к росту зерна. Даже наличие небольшого количества карбидов практически не препятствует росту зерна. Рост зерна, как правило, сопровождается ухудшением свойств. Для сталей с полным или частичным а у-превра — щением, у которых в металле шва или ЗТВ может быть значительное количество мартенсита, рациональной операцией термической обработки является отпуск на температуру в пределах стабильного существования a-фазы.
При термической обработке сварных соединений высокохромистых сталей необходимо считаться и с другими обстоятельствами. Высокое содержание хрома и других легирующих элементов снижает теплопроводность сталей, а это ведет к увеличению градиента температуры по сечению, сопровождающемуся ростом временных напряжений при нагреве и остаточных при охлаждении. Уменьшение градиента температур по сечению может быть достигнуто снижением скорости нагрева и охлаждения при термической обработке. Однако ферритные и полуферритные хромистые стали при медленном нагреве в интервале 470—500 ЬС могут охрупчи — ваться. Поэтому в этом интервале температур нагрев и охлаждение сталей, чувствительных к 475-градусной хрупкости, не должны происходить с низкими скоростями.
При термической обработке сварных соединений высокохромистых сталей необходимо также учитывать назначение и условия работы конструкции. Для теплоустойчивых высокохромистых сталей термическая обработка должна обеспечить требуемые от конструкции жаропрочность и жаропластичность. Для этого сварные соединения жаропрочных высокохромистых сталей чаще всего подвергают отпуску при 720—770 °С.
Если конструкция из высокохромистых сталей работает в коррозионно-активных средах, то для предотвращения склонности к межкристаллитной коррозии проводят стабилизирующий отжиг. Однако стабилизирующий отжиг при 850—900 °С, обычный для аустенитных сталей, может привести к ухудшению механических свойств и стойкости к межкристаллитной коррозии выг. окохро — мистых сталей в связи с активным выпадением при этой температуре избыточных фаз. Для высокохромистых сталей, работающих в коррозионно-активных средах, применяют либо отпуск при 710—750 °С, либо гомогенизацию при нагреве в пределах 1000— 1100 °С.
Режимы термической обработки сварных соединений
высокохромистых сталей
Сталь | Струк тура | Тип металла шва | Температура подогрева, °С | Термо обработка | HV, МПа, не более |
20X13 15Х11МФ 18Х11МНФБ | Мартен сит | 10X13 06X14 12ХПМНФ 12Х11ВНМФ | 300 | Отпуск при 680—760 °С То же, при 740—770 °С То же | 5000/2000 4000/2000 4500/2000 |
12X13 15Х12ВНМФ 14X17Н2 | Мартен- сит+ +феррит | 10X13, 06X14 Аустенит 12X17, 12X13 | 250—350 | Отпуск при 700—750 °С или отжиг при 800 °С Отпуск при 700—750 °С То же | 4000/1800 4500*/2000 4000/1800 |
08X13 08Х17ТТ 15Х25Т | Феррит | 12X13 12X17 Аустенит | 200 | — | 2000/— 2300/— 2500/— |
08Х22Н6Т | Фер- | Аустенит | 150 | _ | 2500/— |
08Х21Н6М2Т | рит-j — аустенит | » | 2500/— |
* Твердость ЗТВ.
Примечание. В числителе твердость до термической обработки, в знаменателе — после термической обработки.
Таким образом, термическая обработка сварных соединений высокохромистых сталей определяется многими факторами и, прежде всего, структурами свариваемой стали и металла шва, назначением и условиями работы конструкции (табл. 8.16).
Updated: 29.02.2016 — 13:35
← Previous Post
Next Post →
Инструмент, проверенный временем Frontier Theme
6. Термическая обработка сварных соединении специальных сталей
6.1. Термическая обработка сварных соединений аустенитных сталей
Высоколегированные хромоникелевые
стали даже при отсутствии дополнительного
легирования малыми количествами
карбидообразующих элементов (молибден,
титан, ниобий и др.) чаще всего не являются
однородными аустенитными, а после
горячей или холодной прокатки содержат
в различных количествах феррит и карбиды.
Для получения однофазного аустенитного состояния стали подвергают аустени-тизации. Так как наличие феррита и карбидов в аустенитной стали заметно сказывается на свойствах. Часто эти фазовые составляющие снижают коррозионную стойкость сталей, а также отрицательно сказываются на ее пластичности и ударной вязкости Принципиальная схема термической обработки данных сталей представлена на рисунке.(см. ниже) (Рис 6.1.)
Рис 6.1. Принципиальная схема термической обработки нестабилизированной (а) и стабилизированной (б) стали типа Х18Н10 после сенсибилизации:
I— закалка;II—стабилизирующий отжиг
3. Для аустени-тизации сталей с
содержанием углерода до 0,1 % нужен нагрев
от 750°С до 950 °С в равновесных условиях
(длительный нагрев). При наличии в стали
карбидообразующих элементов интервал
температур будет увеличиваться. Поэтому
практически при термической обработке
температура аустенитизации составляет
1050— 1150°С.
— нагрев до температуры 500 °С приводит к выделению из закаленного аустенита карбидов. Это вызывает повышение прочности стали, понижение ее пластичности, ударной вязкости и коррозионной стойкости;
— при более высоком нагреве (850—900 °С) процесс растворения карбидов идет очень медленно, а в стали с активными карбидообразующими элементами растворения вообще не происходит, наоборот, может начаться медленное их выделение. При таком протекании процессов повышение прочности стали и снижение ее пластичности будет меньшим, чем при нагреве до 750 °С.
Коррозионная стойкость стали при нагреве до 900 °С повышается и приближается к коррозионной стойкости закаленной стали.
При сварке аустенитных сталей распределение
температур в ЗТВприводит к тому, что
в ней создаются участки различного
фазового состава. Если учесть, что
продолжительность пребывания металла
при высокой температуре в ЗТВ невелика,
то рассмотренные выше процессы изменения
фазового состояния аустенитных сталей
при сварке сдвинутся в сторону более
высоких температур:
— чисто аустенитной зоной будет зона, нагревавшаяся при сварке выше температуры 1100°С;
— в зоне, нагревавшейся приблизительно в интервале 900—1000 °С, могут остаться частицы нерастворившихся карбидов. Однако эта зона будет близка к чисто аустенитной и по сравнению с более высоко нагревавшейся зоной будет иметь более мелкие зерна аустенита.
8. Особенности ЗТВ:
— по свойствам в состоянии после сварки без дополнительного нагрева эти зоны будут характеризоваться повышенной вязкостью и коррозионной стойкостью;
— если при эксплуатации эти участки
будут подвергаться дополнительному
нагреву в интервале 500—650 °С, то в них
начнется процесс выделения карбидов
раствора, даже в том случае, если в
стали содержатся активные карбидообразующие
элементы (титан или ниобий). Правда, при
наличии этих элементов потребуется
больше времени, но если количество этих
элементов близко к нижнему пределу,
процесс выделения карбидов будет
заметным;
— причиной понижения коррозионной стойкости сварных соединений аустенитных сталей в указанных зонах считают обеднение границ зерен аустенита хромом при выделении из них карбидов, содержащих, как правило, хром. В связи о этим коррозия в околошовной зоне протекает по границам зерен (межкристаллитная коррозия).
9. А).Для предотвращения такой коррозиив ОКОЛОШОВНЫХ ЗОНАХ сварных соединений аустенитных сталей,эксплуатирующихся в корозионно-активных средах при повышенных температурах, их следует подвергать термической обработке, заключающейся в продолжительном (3—5 ч) нагреве при 900 °С:
— такой нагрев одновременно с выделением карбидов из аустенита приводит к развитию диффузионных процессов внутри аустенитных зерен и к обогащению хромом приграничных участков зерна, откуда хром перешел в карбиды;
— для таких сварных соединений закалка
или нормализация о высоких температур
(1000—1150°С) недопустима, поскольку они
приводят к аустенитизации, выделению
карбидов и понижению стойкости, к
межкристаллитной коррозии в околошовной
зоне при 500—650 °С. Например, сварные
соединения стали 08Х18Н10Т, склонные после
сварки к межкристаллитной коррозии при
эксплуатационных нагревах 650 °С,
после стабилизирующего отжига при 875
°С в течение 3 ч при последующем
эксплуатационном нагреве при 500 °С в
течение 10000 ч склонности к межкристаллитной
коррозии не обнаруживают.
— нагрев до 600 °С приводит к снижению стойкости не только к межкристаллитной коррозии, но и стойкости к коррозионному растрескиванию. Как известно, причиной понижения стойкости к коррозионному растрескиванию изделий из аустенитных и неаустенитных сталей, работающих в коррозионно-активных средах при статических нагрузках ниже предела текучести, является сегрегация атомов водорода.
Б).Для сварных соединений, которые эксплуатируются в коррозионно-активных средах без нагрева (температура до 300 °С), закалка или нормализация с высокой температуры
является допустимой:
— в зоне сварного соединения, нагретой
до 900 °С, можно ожидать некоторое
повышение прочности и снижение
пластичности, а также коррозионной
стойкости металла в результате
выделения из раствора карбидов. Для
этой зоны послесварочная закалка с
температуры1050—1150 °С будет полезна в
целях восстановления свойств. В зоне
сварного соединения, нагревающейся до
700 °С, процессы карбидообразования также
будут протекать достаточноактивно и
скажутся на изменении свойств, поэтому
для этой зоны закалка также будет
полезна;
— в остальных зонах сварных соединений аустенитных сталей существенных изменений фазового состояния и свойств не происходит, хотя длительная эксплуатация при температуре 400— 500 °С может вызвать выделение карбидной фазы в дисперсном виде, кратковременный нагрев на эту же температуру при сварке к таким изменениям фазового состояния не приводит.
9. Закалка сварных соединений высоколегированных аустенитных сталей является рациональной операцией, если сварные соединения не эксплуатируются в коррознонноактивных средах при температуре 500— 650 °С.
10. Существуют дополнительные особенности термической обработки данных сталей:
А).Аустенитные стали целесообразно применять для конструкций, работающих при низких температурах, так как они обладают высокой хладостойкостью и сохраняют ударную вязкость:
— наиболее высокую вязкость аустенитных сталей при гомогенном состоянии и их сварных соединений можно достичь аустенитнзацией — закалкой с 1050—1150 °С;
— аустенитизация сварных соединений
хладостойких конструкций рациональна
и по другой причине. При недостаточной
стабильности аустенита в стали,
определяемой ее составом, глубокое
охлаждение может привести к распаду
аустенита о образованием мартенсита и
снижением вязкости. Наличие в отдельных
участках ЗТВ сварки карбидных выделений
приводит к обеднению аустенита в этих
участках легирующими элементами.
Б) Термическая обработка сварных соединений жаропрочных аустенитных сталей имеет и некоторые особенности:
— в сварных соединениях жаропрочных сталей металл шва, как правило, по составу заметно отличается от состава свариваемой стали;
— металле шва часто содержится значительно
меньше углерода, чем в свариваемой
стали. В ЗТВ имеются участки, где
по-разному прошли процессы растворения
и выделения карбидных и интерметаллидных
фаз. Все это приводит к тому, что при
последующем длительном эксплуатационном
нагреве процессы фазовых превращений
и связанные с этим объемные изменения
и изменения свойств разных участков
могут протекать по-разному. Описанное
выше приводит иногда к локальным
разрушениям по одному из участков ЗТВ. Для получения однородных свойств
сварного соединения следует прибегать
к высокому нагреву (1150—1180°С) для
аустенитизации.
В) Столь высокий нагрев сварной конструкции практически осуществить трудно, поэтому для аустенитизации проводится более низкий нагрев (1050—1100 или 1075—1125°С). При 1075—1125 °С обеспечивается более полное растворение карбидов, большая стабильность аустенита, высокие пластичность и ударная вязкость, более равномерные свойства зон сварного соединения, а следовательно, и большая устойчивость к локальным разрушениям.
Повышение стабильности свойств при длительных эксплуатационных нагревах может быть достигнуто в результате старения при 750—800 °С в течение 3—10 ч, проводимого после стабилизации. Правда, в этом случае наблюдается некоторая потеря пластичности и ударной вязкости.
Некоторую стабилизацию свойств может
дать старение при 650—950 °С в течение3—5
ч без предварительной аустенитизации.
Однако в этом случае сохраняется
неоднородность свойств сварного
соединения и не гарантируется отсутствие
локальных разрушений при эксплуатации.
Сварные соединения жаропрочных аустенитных сталей на неответственных конструкциях и конструкциях с большим запасом прочности можно эксплуатировать без всякой термической
обработки после сварки. Естественно, при этом не будут использованы все возможности жаропрочных аустенитных сталей как по уровню свойств, так и по их стабильности при эксплуатации и однородности в зоне сварки.
Stainless Foundry
Карбиды хрома образуются в нержавеющих сталях по обеим сторонам сварного шва. Эти карбиды образуются там, где металл находится в диапазоне температур примерно 1100–1500 F. Поскольку температура сварочной ванны намного выше этой температуры, а основной металл ниже ее, всегда есть часть свариваемой детали, которая находилась в этом диапазоне температур. . Количество образующихся карбидов зависит от нескольких факторов, включая время пребывания в критическом температурном диапазоне и концентрации углерода и хрома. Поскольку нержавеющие стали по определению содержат большое количество хрома, уровень хрома не является контролируемым фактором.
Карбиды хрома нежелательны, поскольку хром в сочетании с углеродом больше не обеспечивает коррозионную стойкость. Результатом является «ножевая» атака вдоль сварных швов. Для сквозных сварных швов атака может проникнуть через стену. Обратите внимание, что «ножевая» коррозия представляет собой особую форму межкристаллитной коррозии, которая возникает в нержавеющих сталях, которые не были должным образом термообработаны (в том числе после сварки). Межкристаллитная коррозия вызывает большую озабоченность в одних агрессивных средах, чем в других.
Выпадения карбида и связанной с этим подверженности коррозии можно избежать, используя одно или несколько из следующих средств:
- Повторная термическая обработка сварной детали для растворения карбидов хрома и восстановления максимальной коррозионной стойкости. Эта термическая обработка обычно аналогична термической обработке исходного раствора. Термическая обработка с полным раствором обычно искажает размеры с жесткими допусками и часто ухудшает чистоту поверхности, в зависимости от атмосферы в печи и используемой техники закалки.
- Использование сверхнизких уровней содержания углерода, обычно ниже 0,03 процента. Теория состоит в том, что карбиды не будут образовываться, если уровень углерода ниже некоторого критического значения. На самом деле, некоторые карбиды образуются даже при низком уровне углерода и в должным образом термообработанном материале, но их очень мало.
- Использование углеродных стабилизирующих элементов, таких как колумбий (ниобий) или титан. Сплавы с добавлением этих элементов подвергаются специальной термообработке с образованием карбидов колумбия (или титана). Таким образом, углерод больше не может образовывать карбиды хрома, оставляя хром свободным для обеспечения коррозионной стойкости. Добавки титана не используются в литых сплавах из-за образования оксидов титана. Оксиды являются нежелательными включениями в металле. Кроме того, титан становится недоступным для образования карбидов, что делает металл «нестабилизированным». Марки подшипников из колумбийского сплава, такие как CF8C, склонны к горячему разрыву, что снижает литейные свойства металла.
- Длительная выдержка в диапазоне температур образования карбида хрома. Теория состоит в том, что хром будет диффундировать в области с низким содержанием хрома, оставшиеся после образования карбида, тем самым восстанавливая коррозионную стойкость. Этот метод очень редко используется и, возможно, не доказал свою эффективность.
- Использование методов сварки с низким подводом тепла. Эти методы сводят к минимуму время осаждения карбидов, тем самым сводя к минимуму количество переноса хрома в карбиды. Этот подход часто используется, когда обработка раствора после сварки нецелесообразна, например, когда речь идет об обработанных поверхностях.
- Конструкция сварного соединения такова, что околошовная зона не подвергается воздействию агрессивной среды.
Обратите внимание, что ASTM A744 разрешает сварку без термообработки после сварки, если температура смачиваемой поверхности не превышает 800 F. Это относится к методам 5 и 6, указанным выше.
Дополнительные пункты, которые следует упомянуть, включают:
- Некоторые считают, что марки со сверхнизким содержанием углерода вообще не нуждаются в термообработке, что их можно использовать в литом состоянии.
Мы категорически не согласны с этим утверждением, поскольку первоначальная термообработка выполняет важные функции, помимо растворения карбидов хрома.
- Некоторые люди отмечают, что стабилизированные марки не могут быть невосприимчивы к межкристаллитной коррозии, поскольку операция сварки может растворять карбиды колумбия, таким образом обеспечивая углерод для образования карбида хрома. Мы согласны с тем, что это возможно, но не видели работ, подтверждающих или опровергающих это.
- Многие тонны как литых, так и кованых нержавеющих сталей были введены в эксплуатацию без PWHT и работали удовлетворительно. Вероятно, это связано с удачным совпадением хороших технологий сварки (минимальная погонная энергия), небольших сварных швов и воздействия сред, не вызывающих межкристаллитную коррозию. Другими словами, обстоятельства не всегда требуют предельной композиции и практики.
Сварочная и послесварочная термическая обработка сталей нового поколения в электроэнергетике
Уровень развития теплового оборудования в электроэнергетике определяется таким важным фактором, как эффективность сжигания топлива, повышение производительности оборудования, а также снижение негативного воздействия на окружающую среду. Решением, позволяющим получить максимальный экономический эффект и значительно снизить количество вредных выбросов в атмосферу, является повышение рабочих параметров оборудования. Это потребовало разработки серии новых сталей для котельных труб и паропроводов с новой методикой сварки и послесварочной термической обработки.
Марки стали нового поколения успешно применяются в энергетике при более высоких рабочих параметрах, чем это было возможно ранее. Кроме того, использование новых сталей позволяет уменьшить толщину стенок труб и впоследствии в несколько раз снизить металлоемкость трубопроводных систем, снизить материальные затраты на создание нового котельного оборудования и модернизацию мощностей действующих электростанций. .
Широко распространенным представителем материалов нового поколения является сталь Р91 сорт (Х10CrMoVNb9-1). Эта сталь используется при высоких температурах из-за высокой стойкости к явлению ползучести. Сопротивление ползучести определяется созданием устойчивых карбидных выделений легирующих элементов, равномерно распределенных в стальной основе. Выделяет блокирующие границы зерен, препятствуя их взаимному смещению и тем самым повышая их сопротивление ползучести. Эти выделения в необходимом количестве и в соответствующей форме должны равномерно распределяться в структуре, обеспечивая однородность свойств в металле. Количество и форма выделений зависят от количества легирующих элементов и характера термического воздействия. Благодаря нормализации и последующему отпуску в стали создается стабильная микроструктура, которая остается стабильной в критических условиях эксплуатации.
Основными компонентами стали Р91 являются железо и хром, дополнительными — молибден, ванадий, ниобий, никель, кремний и марганец.
Наличие в составе хрома, молибдена и ванадия повышает его склонность к твердению и способствует образованию холодных, горячих и отпущенных трещин. Эта особенность отрицательно влияет на технологические свойства материала и ограничивает его свариваемость.
Для сварных соединений Р91 следует использовать следующие способы сварки: ручная дуговая сварка металлическим электродом (111), сварка вольфрамовым электродом в среде инертного газа (141), а также электродуговая сварка в среде активного газа 135 и дуговая сварка в среде защитного газа 131.
T Выбор присадочного материала для сварки часто зависит от химического состава основного материала и условий эксплуатации сварного соединения. При сварке стали марки Р91 присадочные материалы должны обеспечивать химический состав шва и его механические свойства, максимально приближенные к соответствующим свойствам основного материала. Сопротивление сварки в отношении ползучести и коррозии также должно быть близко к характеристикам свариваемой стали.
При выполнении сварных соединений необходимо строго контролировать параметры режима сварки, предварительного подогрева и термической обработки после сварки. Диапазон параметров сварки для Р91 значительно сужен по сравнению с требованиями к сварочным работам с более старыми марками стали.
При назначении температуры предварительного нагрева для Р91 следует учитывать температуры начала мартенситного превращения Ms и окончания Mf.
Если температура нагрева выше температуры Ms, а соединение в конце сварки не охлаждается до температуры Mf, а термическая обработка проводится сразу, то мартенситное превращение будет происходить в процессе охлаждение соединения после всего цикла сварки и послесварочной термообработки. В результате будет получена твердая и хрупкая структура в сварном соединении.
Для предотвращения роста твердости стали температуру предварительного подогрева перед сваркой необходимо выбирать так, чтобы она была выше температуры мартенситного превращения, а после окончания сварки соединение охлаждать до ниже Mf, так что мартенситное превращение происходит полностью в металле. Затем при последующем отжиге происходит трансформация мартенсита, в результате чего в сварном соединении формируется благоприятная структура.
Поддержание соответствующей температуры в течение всего процесса сварки предотвращает появление трещин, снижает сварочные напряжения и деформации. Минимальная температура сварки каждого последующего слоя должна быть как минимум равна температуре предварительного нагрева. Слишком высокая температура может привести к росту зерен в околошовной зоне и в шве, снизить пластические свойства сварного соединения и повысить склонность к образованию трещин.
В процессе из стали Р9Сварка 1 класса должна быть без разрывов, особенно при низких температурах окружающей среды, поскольку она может способствовать образованию структур с низкой пластичностью. Когда по каким-либо причинам сварка прерывается, отжиг при температуре 300-350°С предотвращает образование холодных трещин в неполностью выполненном стыке (не менее 1/3 толщины стенки). Соединение следует медленно охлаждать до температуры окружающего воздуха, следует избегать внешних воздействий из-за пониженных пластических свойств металла шва.
Послесварочная термическая обработка после завершения соединения из стали марки Р91 сложна, но в то же время обязательна для получения оптимальных механических свойств. Основными параметрами термической обработки являются температура и время. Процесс занимает несколько часов при различных температурах с контролируемой скоростью охлаждения. Если при термической обработке будет превышена максимально допустимая температура основного материала, то в микроструктуре стали вновь могут появиться карбидные выделения, что приведет к снижению механических свойств металла. Температура не должна превышать 760°C.
При термообработке стали Р91 возможно образование трещин в зоне термического влияния основного материала. Эти трещины межкристаллитные и появляются вблизи линии сплавления в крупнозернистой зоне. На склонность к образованию трещин при послесварочной термообработке влияет содержание карбидообразующих элементов, таких как хром, молибден и ванадий, а также остаточное содержание примесей меди, олова, фосфора, серы, мышьяка и сурьмы.
Технология сварки и послесварочной термической обработки стали марки Р91 приобретает решающее значение в предупреждении образования трещин, предотвращении ухудшения прочностных и пластических характеристик металла шва и в околошовной зоне. Основную роль играет строгое выполнение технологических инструкций.
Роль координации сварки и надзора за выполнением сварочных работ, термической обработки после сварки и неразрушающего контроля становится очень важной.