Режимы термообработки стали
Режимы термообработки стали
Термическую обработку применяют для устранения напряжений, оставшихся в изделии после сварки, а также для улучшения структуры металла сварного шва. После сварки или в процессе сварки применяют такие виды термической обработки, как отжиг, нормализация, отпуск.
Нагрев при отжиге изделия в предварительной печи ведут постепенно. Для низко и среднеуглеродистых сталей температура достигает 600-680°С. При этой температуре сталь становится пластичной, и напряжения снижаются. После нагрева следует выдержка при достигнутой температуре из расчета 2,5 минуты на 1 мм толщины свариваемой детали, но не менее 30 минут. Затем изделие охлаждается вместе с печью.
Существуют и другие виды отжига: местный и полный отжиг. Режимы отжигов выбирают согласно справочной литературе. Для разных сталей применяют свои технологические параметры отжига.
Нормализация отличается от отжига тем, что после отжига сваренную конструкцию охлаждают на спокойном воздухе. После нормализации сохраняется мелкозернистая структура металла, что позволяет обеспечить его относительно высокую прочность и твердость, но без напряженного состояния.
Стали с высоким содержанием углерода в процессе сварки закаливаются, возрастает их твердость и хрупкость. Такие изделия из углеродистых сталей подвергают нормализации с последующим отпуском. В этом случае нагревание производят до 400-700°С, и после этого сваренные детали медленно охлаждают.
При газовой сварке сталей термическая обработка служит средством повышения пластичности металла шва. В некоторых случаях участки шва нагревают до светло-красного цвета каления и в этом состоянии проковывают. Зерна металла измельчаются, пластичность и вязкость повышаются. Во избежание появления наклепа (новое напряженное состояние) проковку следует прекратить при остывании металла до темно-красного цвета. После проковки необходимо провести повторную нормализацию.
Режимы термообработки стали
Термическая обработка для конструкций из углеродистых и низколегированных сталей марок СТЗсп, Ст3пс, 20, 25, 30, 25Л, ЗОЛ, 20К, 22К, 09Г2С, 15ГС, 16ГС, 20ГСЛ, 1 ОХСНД, О8ГДНФЛ- Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.
- Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.
- Выдержка при температуре 300+25°С на протяжении 1-2 часов.
- Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=590°С.
- Выдержка при температуре 590°С ± 15°С назначается из расчета 1 час на каждые 25 мм наибольшего сечения сварного шва конструкции с округлением в большую сторону до целого часа.
В случае заварки выборок выборка берется из расчета 1 час на 25 мм глубины выборки. Началом выдержки следует считать время, когда показания печных или подставных термопар будут находиться в интервале 590°С ± 15°С. Примечание: При наличии в садке конструкций разных толщин выдержка назначается по максимальной толщине.
Термическая обработка аустенитных сталей, типа Х18Н10Т после сварки, для которых требуется испытание на МКК
- Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=300°С.
- Нагрев со скоростью не более 100-120°С в час до Т=850°С.
- Выдержка при температуре 850°С для толщин:
- ⌀ = 10 мм — 2 часа,
- ⌀ = 20 мм — 4 часа,
- ⌀ = 30 мм — 6 часов,
- ⌀ = 50 мм — 8 часов,
- свыше 50 мм — 10 часов,
Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.
Термическая обработка для конструкций из углеродистых стали и сталей 08Х13 после сварки электродами ЭА-39519- Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т-300°С.
- Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.
- Выдержка при температуре 300°С — 1 час.
- Нагрев со скоростью не более 50°С в час до Т=680°С.
- Выдержка при температуре 680°С ± 10°С для толщин:
- ⌀ = 4-50 мм — 3 часа,
- ⌀ = 60-80 мм — 5 часов,
- ⌀ = 90 мм — 8 часов.
Термическая обработка для конструкций из углеродистых и низколегированных сталей марок СТ3сп, Ст3пс, 20, 25, 30, 25Л, ЗОЛ, 20К, 22К, 09Г2С, 15ГС, 16ГС, 20ГСЛ, 10ХСНД, 08ГДНФЛ
- Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.
- Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С.
- Выдержка при температуре 300°С ± 25°С на протяжении 1-2 часов.
- Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=590°С.
- Выдержка при температуре 590°С ± 15°С назначается из расчета 1 час на каждые 25 мм наибольшего сечения сварного шва конструкции с округлением в большую сторону до целого часа.
В случае заварки выборок выборка берется из расчета 1 час на 25 мм глубины выборки. Началом выдержки следует считать время, когда показания печных или подставных термопар будут находиться в интервале 590°С ± 15°С. Примечание: При наличии в садке конструкций разных толщин, выдержка назначается по максимальной толщине.
Промежуточная термическая обработка для конструкций из стали ОбХ12НЗД и О6Х12НЗД-Л, после сварки электродами ЦЛ-51
- Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.
- Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=620°С ± 10°С.
- Выдержка при температуре 620°С ± 10°С для толщин:
- ⌀ = 40-70 мм — 4 часа,
- ⌀ = 80 мм — б часов,
- ⌀ = 100 мм — 8 часов,
- ⌀ = 200 мм 10 часов,
- ⌀ = З00 мм — 18 часов.
Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.
Окончательная термическая обработка для конструкций из стали ОБХ12НЗД и О6Х12НЗД-Л, после сварки электродами ЦЛ-51- Посадка в «холодную» или нагретую печь до Т=200°С.
- Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=630°С ± 10°С.
- Выдержка при температуре 630°С ± 10°С для толщин:
- ⌀ = 40-70 мм — 4 часа,
- ⌀ = 80 мм — 5 часов,
- ⌀ = 100 мм – 6 часов,
- ⌀ = 200 мм — 10 часов,
- ⌀ = 300 мм — 18 часов.
Термическая обработка для конструкций из стали 08Х13 и 12Х13, после сварки электродами марки Э-12Х13
- Посадка в нагретую печь до Т=300°С.
- Нагрев со скоростью не более 70°С в час до Т=710°С.
- Выдержка при температуре 710°С ± 10°С для толщин:
- ⌀ = 4-8 мм — 3 часа,
- ⌀ = 10-15 мм — 4 часа,
- ⌀ = 20-30 мм — 5 часов,
- ⌀ = 40 мм — 6 часов,
Примечание: Время выдержки выбирается по наибольшей толщине в конструкции.
Читайте также:
Автоматы для дуговой сварки
Аппараты для дуговой автоматической сварки
Сварка двухслойных сталей
Вредное влияние сварочной дуги
Наплавка сталей
Способы и режимы закалки и отпуска стали
Термическая обработка сталей – одна из самых важных операций в машиностроении, от правильного проведения которой зависит качество выпускаемой продукции. Закалка и отпуск сталей являются одними из разнообразных видов термообработки металлов.
Тепловое воздействие на металл меняет его свойства и структуру. Это позволяет повысить механические свойства материала, долговечность и надежность изделий, а также уменьшить размеры и массу механизмов и машин. Кроме того, благодаря термообработке, для изготовления различных деталей можно применять более дешевые сплавы.
Также вам не помешает знать, как правильно варить полуавтоматом.
Как закалялась стальТермообработка стали заключается в тепловом воздействии на металл по определенным режимам ля изменения его структуры и свойств.
К операциям термообработки относятся:
- отжиг;
- нормализация;
- старение;
- закалка стали и отпуск стали (и пр.).
Термообработка стали: закалка отпуск – зависит от следующих факторов:
- температуры нагрева;
- времени (скорости) нагрева;
- продолжительности выдержки при заданной температуре;
- скорости охлаждения.
Закалка
Закалка стали – это процесс термообработки, суть которого заключается в нагреве стали до температуры выше критической с последующим быстрым охлаждением. В результате этой операции повышаются твердость и прочность стали, а пластичность снижается.
При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения.
После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправимым. Режимы закалки закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию.
Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные (сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этом чрезмерно быстрое охлаждение приводит к появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую среду.
Нагрев металла
Все способы закалки стали состоят из:
- нагрева стали;
- последующей выдержки для достижения сквозного прогрева изделия и завершения структурных превращений;
- охлаждения с определенной скоростью.
Изделия из углеродистой стали нагревают в камерных печах. Предварительный подогрев в этом случае не требуется, так как эти марки сталей не подвергаются растрескиванию или короблению.
Сложные изделия (например, инструмент, имеющий выступающие тонкие грани или резкие переходы) предварительно подогревают:
- в соляных ваннах путем двух-или трехкратного погружения на 2 – 4 секунды;
- в отдельных печах до температуры 400 – 500 градусов по Цельсию.
Нагрев всех частей изделия должен протекать равномерно. Если это невозможно обеспечить за один прием (крупные поковки), то делаются две выдержки для сквозного прогрева.
Если в печь помещается только одна деталь, то время нагрева сокращается. Так, например, одна дисковая фреза толщиной 24 мм нагревается в течение 13 минут, а десять таких изделий – в течение 18 минут.
Защита изделия от окалины и обезуглероживания
Для изделий, поверхности которых после термообработки не шлифуются, выгорание углерода и образование окалины недопустимо. Защищают поверхности от подобного брака применением защитных газов, подаваемых в полость электропечи. Разумеется, такой прием возможен только в специальных герметизированных печах. Источником подаваемого в зону нагрева газа служат генераторы защитного газа. Они могут работать на метане, аммиаке и других углеводородных газах.
Если защитная атмосфера отсутствует, то изделия перед нагревом упаковывают в тару и засыпают отработанным карбюризатором, чугунной стружкой (термисту следует знать, что древесный уголь не защищает инструментальные стали от обезуглероживания). Чтобы в тару не попадал воздух, ее обмазывают глиной.
Соляные ванны при нагреве не дают металлу окисляться, но от обезуглероживания не защищают. Поэтому на производстве их раскисляют не менее двух раз в смену бурой, кровяной солью или борной кислотой. Соляные ванны, работающие на температурах 760 – 1000 градусов Цельсия, весьма эффективно раскисляются древесным углем. Для этого стакан, имеющий множество отверстий по всей поверхности, наполняют просушенным углем древесным, закрывают крышкой (чтобы уголь не всплыл) и после подогрева опускают на дно соляной ванны. Сначала появляется значительное количество языков пламени, затем оно уменьшается. Если в течение смены таким способом трижды раскислять ванну, то нагреваемые изделия будут полностью защищены от обезуглероживания.
Степень раскисления соляных ванн проверяется очень просто: обычное лезвие, нагретое в ванне в течение 5 – 7 минут в качественно раскисленной ванне и закаленное в воде, будет ломаться, а не гнуться.
Охлаждающие жидкости
Основной охлаждающей жидкостью для стали является вода. Если в воду добавить небольшое количество солей или мыла, то скорость охлаждения изменится. Поэтому ни в коем случае нельзя использовать закалочный бак для посторонних целей (например, для мытья рук). Для достижения одинаковой твердости на закаленной поверхности необходимо поддерживать температуру охлаждающей жидкости 20 – 30 градусов. Не следует часто менять воду в баке. Совершенно недопустимо охлаждать изделие в проточной воде.
Недостатком водяной закалки является образование трещин и коробления. Поэтому таким методом закаливают изделия только несложной формы или цементированные.
- При закалке изделий сложной конфигурации из конструкционной стали применяется пятидесятипроцентный раствор соды каустической (холодный или подогретый до 50 – 60 градусов). Детали, нагретые в соляной ванне и закаленные в этом растворе, получаются светлыми. Нельзя допускать, чтобы температура раствора превышала 60 градусов.
РежимыПары, образующиеся при закалке в растворе каустика, вредны для человека, поэтому закалочную ванну обязательно оборудуют вытяжной вентиляцией.
- Закалку легированной стали производят в минеральных маслах. Кстати, тонкие изделия из углеродистой стали также проводят в масле. Главное преимущество масляных ванн заключается в том, что скорость охлаждения не зависит от температуры масла: при температуре 20 градусов и 150 градусов изделие будет охлаждаться с одинаковой скоростью.
Следует остерегаться попадания воды в масляную ванну, так как это может привести к растрескиванию изделия. Что интересно: в масле, разогретом до температуры выше 100 градусов, попадание воды не приводит к появлению трещин в металле.
Недостатком масляной ванны является:
- выделение вредных газов при закалке;
- образование налета на изделии;
- склонность масла к воспламеняемости;
- постепенное ухудшение закаливающей способности.
- Стали с устойчивым аустенитом (например, Х12М) можно охлаждать воздухом, который подают компрессором или вентилятором. При этом важно не допускать попадания в воздухопровод воды: это может привести к образованию трещин на изделии.
- Ступенчатая закалка выполняется в горячем масле, расплавленных щелочах, солях легкоплавких.
- Прерывистая закалка сталей в двух охлаждающих средах применяется для обработки сложных деталей, изготовленных из углеродистых сталей. Сначала их охлаждают в воде до температуры 250 – 200 градусов, а затем в масле. Изделие выдерживается в воде не более 1 – 2 секунд на каждые 5 – 6 мм толщины. Если время выдержки в воде увеличить, то на изделии неизбежно появятся трещины. Перенос детали из воды в масло следует выполнять очень быстро.
Процесс отпуска
Отпуску подвергаются все закаленные детали. Это делается для снятия внутренних напряжений. В результате отпуска несколько снижается твердость и повышается пластичность стали.
В зависимости от требуемой температуры отпуск производится :
- в масляных ваннах;
- в селитровых ваннах;
- в печах с принудительной воздушной циркуляцией;
- в ваннах с расплавленной щелочью.
Температура отпуска зависит от марки стали и требуемой твердости изделия, например, инструмент, для которого необходима твердость HRC 59 – 60, следует отпускать при температуре 150 – 200 градусов. В этом случае внутренние напряжения уменьшаются, а твердость снижается незначительно.
Быстрорежущая сталь отпускается при температуре 540 – 580 градусов. Такой отпуск называют вторичным отвердением, так как в результате твердость изделия повышается.
Изделия можно отпускать на цвет побежалости, нагревая их на электроплитах, в печах, даже в горячем песке. Окисная пленка, которая появляется в результате нагрева, приобретает различные цвета побежалости, зависящие от температуры. Прежде чем приступать к отпуску на один из цветов побежалости, надо очистить поверхность изделия от окалины, нагара масла и т. д.
Обычно после отпуска металл охлаждают на воздухе. Но хромоникелевые стали следует охлаждать в воде или масле, так как медленное охлаждение этих марок приводит к отпускной хрупкости.
4. Термообработка после сварки (табл. 12).
Тепловой режим сварки мартенситных сталей
Марка стали | Температура подогрева, С | Время пролеживания до термообработки, ч | Термическая обработка |
15Х11МФ 15Х12ВНМФ 18Х11МНФБ 13Х11Н2В2МФ | 300 | Не допускается | Отпуск при Т = 700…720 С (без охлаждения ниже Тпод). При толщине t 30 мм перед термообработкой рекомендуется «подстуживание» до 100 С |
| 12Х11В2МФ | 250…300 | 72 | Отпуск при Т = 715…745 С (предварительный) и 735…765 С (окончательный) |
10Х12НД | 100 | Не допускается | Отпуск при Т = 650 С с предварительным «подстуживанием» |
06Х12Н3Д | 200 | Не допускается | Отпуск при Т = 610…630 С (предварительный) и 625…650 С (окончательный) |
6.2.1. Технология сварки и свойства сварных соединений
Среди способов сварки мартенситных сталей плавлением наибольшее распространение получила РДС, которая позволяет получить сварные швы однородные по химическому составу с основным металлом. Это электроды КТИ-9, КТИ-10 и ЦЛ-32 фтористо-кальциевого типа, обеспечивающие наплавленный металл с 10…12 % Cr, 0,8 % Niи 1 %Mo, а для ЦЛ-32 еще и 1 %
Пониженное содержание углерода (0,02…0,08 %) повышает вязкость швов. Наряду с «однородными» электродами применяют также аустенитные электроды марок ЗиО (Э-10Х25Н13Г2) и ЭЛ-395/9 (Э-11Х15Н25М6АГ2).
Для АДС под флюсом используют сварочные проволоки Св-15X12НМВФБ и Св-15X12ГНМБФ и низкокремнистые безмарганцовистые солеоксидные флюсы ОФ-6 и ФН-17, позволяющие получать наплавленный металл с низким содержанием диффузионного водорода (до 3 см3/100 г).
Независимо от толщины изделий сварного соединения мартенситных сталей, как правило, подвергают термообработке (табл. 12) для снятия остаточных напряжений, распада закалочных структур и улучшения механических свойств. Термообработку проводят немедленно после сварки (без охлаждения не ниже Тпод). Иногда производят «подстуживание» до 100 °С для завершения (М) – превращений. Температуру отпуска выбирают не выше Ас1.
6.3. Сварка мартенситно-ферритных сталей
Высокая коррозионная стойкость хромистых сталей обеспечивается при содержании Cr пределах 12…14 %, так как при Cr > 12 % коррозионная стойкость более не увеличивается.
Вместе с этим при Cr > 12 % наблюдается склонность стали к охрупчиванию и снижению прочности в связи с формированием в структуре значительного количества ферритной составляющей.
Хромистые (13…14 %) стали имеют частичное (М) – превращение (рис. 35) и относятся к мартенситно-ферритным, при охлаждении которых полиморфные превращения соответствуют реакции: – + – (М) + .
Рис. 35. Термокинематическая диаграмма распада аустенита при непрерывном охлаждении 13 % -ной хромистой стали с различным содержанием С | Количество –феррита в сталях повышается с увеличением содержания Cr и снижением концентрации углерода. С введением С границы области –твердых растворов сдвигаются в сторону большего содержания Cr (см. рис. 34). Эти стали находят широкое применение при изготовлении химических агрегатов и энергетического оборудования (табл. 13 и 14). |
Таблица 13
Химический состав мартенситно-ферритных сталей
Марка стали | Содержание элементов, % (по массе) | ||||
C | Cr | Si | Mn | Прочие | |
08Х13 | 0,08 | 12…14 | 0,8 | 0,8 | – |
12Х13 | 0,09…0,15 | 12…14 | 0,8 | 0,8 | – |
20Х13 | 0,16…0,25 | 12…14 | 0,8 | 0,8 | – |
08Х14МФ 14Х17Н2 | 0,03…0,12 0,11…0,17 | 12…14 16…18 | 0,2…0,4 0,8 | 0,8…1,2 0,8 | V = 0,15…0,3 Mo = 0,2…0,4 Ni = 1,5…2,5 |
Примечание. Содержание S 0,025 %, P 0,03 %.
Таблица 14
Механические свойства и назначение мартенситно-ферритных сталей
Марка стали | в, МПа | , % | , % | KCV, МДж/м2 | Т эксп., С | Примеры использования |
не менее | ||||||
08Х13 12Х13 | 590 590 | 20 20 | 60 60 | 1,0 0,9 | 40–550 500 | Корпуса, детали хим. аппаратов, паровых и газовых турбин, рабочие направляющие лопатки, диафрагмы |
20Х13 | 650 | 16 | 55 | 0,8 | 500 | Детали насосов |
08Х14МФ | 450 | 22 | – | – | 350 | Теплообменники ТЭС и АЭС |
14Х17Н2 | 835 | 10 | 30 | 0,5 | 400 | Детали внутренних устройств АЭС |
Трудностипри сварке мартенситно-ферритных сталей связаны с охрупчиванием металла и возможностью образования холодных трещин. Это обусловлено характером распада аустенита в процессе охлаждения. Диаграмма распада аустенита стали 08X13 (см. рис. 35) имеет две области превращения: в интервале 600…930 °С – соответствующем образованию ферритно-карбидной структуры, и в интервале 120…420°С – мартенситной структуры.
Количество превращенного аустенита в указанных интервалах зависит от скорости охлаждения. Так, при охлаждении со средней скоростью 0,025 °С/с превращение аустенита происходит в верхней области с образованием феррита и карбидов. Лишь 10 % аустенита в этом случае превращается в мартенсит в процессе охлаждения от 420°С. Повышение Vохл до 10 °С/с способствует переохлаждению аустенита до Мн = 420 °С и полному его бездиффузионному превращению в мартенсит. С увеличением доли мартенсита резко падает KCV. Увеличение содержания углерода приводит к сдвигу в области более низких Т границы превращения.
У сталей с 0,1…0,25 % С полное мартенситное превращение возникает при Vохл = 1 °С/с. При образовании мартенситной структуры KCV CC снижается до 0,05…0,1 МДж/м2 (в 10 раз). Последующий отпуск при 650…700 °С приводит к распаду структуры закалки, выделению карбидов и повышению KCV до 1,0 МДж/м2. Формирование значительного количества –феррита в ЗТВ резко уменьшает склонность сварных соединений к образованию холодных трещин, но снижает вязкость сварных соединений.
С учетом возможности восстановления KCV после термообработки стали имеют повышенное содержание С для предотвращения образования большого количества феррита в структуре, что позволяет избежать охрупчивания. Но при этом ухудшается свариваемость вследствие склонности сварного соединения к холодным трещинам в ЗТВ из-за снижения вязкости металла околошовной зоны. Дополнительное легирование сталей карбидообразующими элементами (Мо и V) снижает «эффективное» содержание С и устойчивость аустенита в процессе охлаждения, способствуя его распаду уже при 300 °С.
Таким образом, повышение содержания углерода в сталях, с одной стороны, позволяет улучшить свойства сварного соединения за счет термообработки, а с другой – ухудшает свариваемость из-за охрупчивания ЗТВ. Устранить указанные трудности позволяет правильный выбор теплового режима сварки.
Термообработка лег. стали после сварки — Термообработка
Продолжил эксперименты.
1) Взял образец ступичной стали до сварки и стал ломать в тисках
кувалдой.
Образец погнулся, а потом сломался.
Фото излома, наименее зернистого.
2) Тиски таки треснули.
Фото излома, самого крупнозернистого.
3) Сварил образец без предварительного подогрева и последующего
отжига.
Фото излома, менее зернистого, чем у чугуна в (2), и более
зернистого, чем в (1)
4) Нагрел перед сваркой образец до жёлтого каления, сварил,
_сразу_ сунул в печь, нагрел до жёлтого каления и оставил
остывать на четыре часа.
Фото излома, Зернистость как в (1)
5) Нагрел перед сваркой образец до жёлтого каления, сварил,
_сразу_ сунул в печь, нагрел до тёмно-красного каления и оставил
остывать на четыре часа. Под ударами кувалды образец погнулся
примерно как в (1) и затем треснул.
Фото излома, Зернистость как в (1)
Во всех случаях излом ступичной стали был рядом со швом. Шов
довольно твёрдый, сверло его не берёт, но напильник пилит.
Однако сверлу поддаётся металл на изломе. По субъективным
ошушениям, стойкость к долбанию кувалдой у всех образцов
одинаковая. Однако в (3) зернистость чуть больше, чем у
изначальной стали и у термообработанной сваренной. То же самое
можно сказать про цвет излома, у (3) он самый светлый,
свеетло-серенький. У остальных образцом он темнее.
Итог: термообработка нужна, видимо, судя по цвету и зернистости.
Прочность на излом после сварки и последующего отжига по моим
ошушениям не хуже изначальной ступичной стали.
Проверено кувалдой. 🙂
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СВАРНЫХ СОЕДИНЕНИЙ АУСТЕНИТНЫХ СТАЛЕЙ — Студопедия
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. Эти фазы аустенитной стали могут присутствовать одновременно.
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. С другой стороны, при наличии до 1 % С в стали типа Х18Н10, закаленной на аустенит, при нагреве до 650 °С будут выделяться карбиды, а, при недостаточной устойчивости аустенита — α-фаза. 4. Последующий нагрев закаленной аустенитной стали также приводит к фазовым изменениям:
— 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 ЗТВ приводит 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 коррозии в 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.
Что должен знать инспектор по сварке о предварительном нагреве и термообработке после сварки
Что должен знать инспектор по сварке о предварительном нагреве и термообработке после сварки
При сварке некоторых основных материалов и для некоторых условий эксплуатации может потребоваться предварительный нагрев и / или термообработка после сварки. Эти типы термической обработки обычно требуются для обеспечения надлежащей целостности сварного шва и обычно предотвращают или устраняют нежелательные характеристики в готовом сварном шве.Любая форма термообработки является дорогостоящей, поскольку требует дополнительного оборудования, дополнительного времени и дополнительных операций. По этим причинам термическую обработку следует проводить только после тщательного анализа преимуществ, которые она может предложить. В некоторых случаях термическая обработка будет обязательной, как в случае тяжелых профилей из низколегированных сталей, тогда как в других случаях она будет оправданной мерой предосторожности против преждевременного выхода из строя.
Существует ряд причин для включения этих термических обработок в процедуру сварки, и мы рассмотрим некоторые из наиболее распространенных.
Предварительный нагрев
Предварительный нагрев, как определено в Стандартных условиях сварки AWS, — это « тепло, прикладываемое к основному металлу или подложке для достижения и поддержания температуры предварительного нагрева». Температура предварительного нагрева определяется в том же документе, что и «температура основного металла в объеме, окружающем точку сварки, непосредственно перед началом сварки. При многопроходной сварке это также температура непосредственно перед началом второго и последующих проходов ”(Температура между проходами).
Предварительный нагрев может выполняться с помощью газовых горелок, кислородно-газового пламени, электрических одеял, индукционного нагрева или нагревания в печи. Для получения хороших результатов важно, чтобы нагрев был равномерным по всей области стыка. Интенсивный неравномерный нагрев мало полезен для замедления охлаждения и может быть вредным, вызывая более высокие остаточные напряжения, деформацию или нежелательные металлургические изменения в основном материале. Если указан предварительный нагрев, все сварное соединение должно быть равномерно нагрето по толщине материала до желаемой минимальной температуры.Чтобы получить равномерную температуру по толщине материала, желательно приложить источники нагрева к одной стороне поверхности материала и измерить температуру материала на противоположной стороне. Если нагревание и измерение температуры должны проводиться с одной и той же поверхности, инспектор должен убедиться, что нагрета не только поверхность материала. Важно убедиться, что вся толщина материала прогрета до однородной температуры. Помимо установки температуры предварительного нагрева, для некоторых приложений может потребоваться ограничение температуры между проходами.Эта информация должна быть указана в спецификации процедуры сварки. Если указана температура между проходами, область сварного шва должна быть проверена перед нанесением следующего сварного шва. Сварка не может продолжаться, если измеренная температура превышает максимальные условия между проходами, указанные в процедуре сварки. Перед продолжением сварки необходимо дать сварной детали остыть до указанного верхнего предела температуры между проходами.
В зависимости от металлургических свойств материала и / или желаемых механических свойств свариваемого компонента, предварительный нагрев и температура между проходами могут оцениваться по разным причинам.Например, процедура сварки низкоуглеродистой стали с низким содержанием углерода, относительно низкой закаливаемой способностью и используемая в приложении, не требующем особых требований к обслуживанию, может учитывать минимальную температуру предварительного нагрева и промежуточного прохода в зависимости от толщины материала. В процедурах сварки, используемых для термообрабатываемых низколегированных сталей и хромомолибденовых сталей с требованиями к ударной нагрузке, обычно устанавливаются минимальные и максимальные требования к температуре предварительного нагрева и промежуточного прохода. Эти низколегированные материалы могут иметь высокую закаливаемость и подвержены водородному растрескиванию.Слишком быстрое охлаждение этих материалов или их перегрев может серьезно повлиять на их эксплуатационные характеристики. При сварке никелевых сплавов мы в первую очередь озабочены тепловложением во время операции сварки. Подвод тепла в процессе сварки, а также температура предварительного нагрева и промежуточного прохода могут серьезно повлиять на эти материалы. Высокий подвод тепла может привести к чрезмерному растворению, выделению карбидов и другим вредным металлургическим явлениям. Эти металлургические изменения могут способствовать растрескиванию или потере коррозионной стойкости.Процедуры сварки некоторых алюминиевых сплавов, таких как термообрабатываемые, серии 2ххх, 6ххх и 7ххх, часто связаны с общим снижением тепловложения. Для этих материалов максимальная температура предварительного нагрева и промежуточного прохода контролируется, чтобы минимизировать влияние отжига и старения на зону термического влияния (HAZ) и, как следствие, потерю прочности на разрыв.
В критических случаях необходимо точно контролировать температуру предварительного нагрева. В этих ситуациях используются регулируемые системы нагрева, и к ним прикрепляются термопары для контроля нагреваемой детали.Эти термопары подают сигнал на блок управления, который может регулировать источник питания, необходимый для нагрева. Используя оборудование этого типа, можно контролировать нагреваемую деталь с очень жесткими допусками.
Некоторые из причин предварительного нагрева:
a) Для удаления влаги из зоны сварного шва : Обычно это выполняется путем нагрева поверхности материала до относительно низкой температуры, чуть выше точки кипения воды. Это высушит поверхность пластины и удалит нежелательные загрязнения, которые в противном случае могут вызвать пористость, водородное охрупчивание или растрескивание из-за введения водорода во время процесса сварки.
b) Для снижения температурного градиента : Во всех процессах дуговой сварки используется высокотемпературный источник тепла. Между локализованным источником тепла и свариваемым холодным основным материалом возникает резкая разница температур. Эта разница температур вызывает дифференциальное тепловое расширение и сжатие, а также высокие напряжения в зоне сварки. Уменьшение перепада температур путем предварительного нагрева основного материала минимизирует проблемы, связанные с деформацией и чрезмерным остаточным напряжением.Если предварительный нагрев не выполняется, между областью сварного шва и основным материалом может возникнуть большая разница в температуре. Это может вызвать быстрое охлаждение, что приведет к образованию мартенсита и вероятному растрескиванию при сварке некоторых материалов с высокой закаливаемостью.
Термическая обработка после сварки
По разным причинам и для разных материалов используется ряд различных видов термообработки после сварки.
a) Термическая обработка после сварки чаще всего используется для снятия напряжений.Целью снятия напряжений является устранение любых внутренних или остаточных напряжений, которые могут присутствовать в процессе сварки. Снятие напряжения после сварки может быть необходимо для снижения риска хрупкого разрушения, предотвращения последующей деформации при механической обработке или для устранения риска коррозии под напряжением.
b) Для некоторых легированных сталей может потребоваться термический отпуск для получения подходящей металлургической структуры. Эта обработка обычно выполняется после охлаждения сварного шва, но при определенных обстоятельствах может потребоваться выполнить эту обработку до его охлаждения, чтобы предотвратить растрескивание.
c) Чрезвычайно грубые сварные конструкции стали, например, полученные с помощью процесса электрошлаковой сварки, могут потребовать нормализации после сварки. Эта обработка улучшит крупнозернистую структуру, снизит напряжения после сварки и удалит все твердые зоны в зоне термического влияния.
d) Сплавы с дисперсионным твердением, такие как термообрабатываемые алюминиевые сплавы, иногда требуется подвергнуть термообработке после сварки для восстановления своих первоначальных свойств. В некоторых случаях используется только обработка старением, хотя термообработка с полным растворением и обработка искусственным старением обеспечат лучшее восстановление свойств после сварки.
Когда сварочные операции включают предварительный нагрев и / или термообработку после сварки, важно, чтобы инспектор по сварке понимал эти требования, чтобы убедиться, что они выполняются правильно и с точки зрения соответствующих спецификаций и / или правил процедуры сварки. требования.