Состав, структура, свойства и применение
Ферритные стали
Хром – основной легирующий элемент для получения коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сталей. При его содержании более 12,6 % резко повышается электрохимический потенциал и сталь становится коррозионно-стойкой (нержавеющей). Хром способствует образованию на поверхности металла плотной оксидной пленки, защищающей металл от окисления при высоких температурах, и придаёт стали жаростойкость (окалиностойкость). Чем больше в стали содержание хрома, тем выше жаростойкость. Поэтому в жаростойких ферритных сталях его содержание доводят до 13 – 27 %. Сталь 08Х13 применяют в условиях воздействия сернистых газов при температуре до 500 °С, стали 08Х17Т, 12Х17 жаростойкие до 900 °С, сталь 15Х25Т – до 1100 °С Жаростойкость повышают также алюминий и кремний (сталь 15Х18СЮ).
Хром имеет решетку объемноцентрированного куба, изоморфную α – железу. В связи с этим он является основным стабилизатором ферритной структуры. При нагревании и охлаждении ферритные стали не претерпевают фазовых превращений и при охлаждении на воздухе сохраняют ферритную структуру.
Для получения жаропрочных свойств хромистые стали легируют карбидообразующими элементами вольфрамом, молибденом, ванадием и ниобием при некотором снижении содержания хрома до 11 – 12 % (мартенситно-ферритные стали 14Х12В2МФ, 18Х11МНФБ). Эти элементы увеличивают дисперсность карбидной фазы и устойчивость её против коагуляции и тем самым увеличивают эффект упрочнения и сохранения прочности при нагреве. Кроме того, при наличии этих элементов в стали образуется интерметаллидная фаза Fe2(W, Mo) в высокодисперсной форме. Применяют ферритные стали при изготовлении бытовой техники, химаппаратуры, деталей газовых турбин и котельных установок.
Аустенитные стали
В аустенитных сталях наряду с хромом основным легирующим элементом является никель. Никель имеет плотноупакованную гранецентрированную кристаллическую решетку, изоморфную γ-железу. Поэтому никель, а также марганец, углерод и азот являются аустенизаторами. Легирование сталей никелем в количестве более 8% стабилизирует аустенитную структуру.
Первоначально аустенитные стали такого типа применяли как коррозионно-стойкие, кислотостойкие. В дальнейшем их стали применять как жаростойкие, жаропрочные и хладостойкие и был разработан ряд сталей с высокой жаропрочностью и хладостойкостью. Наиболее известные аустенитные стали (08Х18Н10, 08Х18Н10Т, 12Х18Н9, 12Х18Н9Т, 08Х18Н12Б) являются универсальными и обладают всеми перечисленными выше свойствами до 650 – 700 °С.
Дополнительное легирование этих сталей Мо и Си повышает коррозионные свойства (ОЗХ17Н14МЗ, ОЗХ23Н28МЗДЗТ).
Аустенитные стали обладают высокой жаростойкостью до 1150 °С, которая также как у ферритных сталей зависит от уровня легирования Cr, Si и Al (10X23H18, 08Х20Н14С2, 20Х25Н20С2).
Высокая жаропрочность в аустенитных сталях достигается за счет:
1) использования в основе аустенита вместо феррита;
2) упрочнения твердого раствора аустенита Fe-Cr-Ni элементами Мо и W;
3) дисперсионного упрочнения тела зерен мелкодисперсными карбидами, интерметаллическими соединениями типа Ni3(Ti, Al);
4) упрочнения границ зерен путем микролегирования поверхностно активными элементами (бор, редкоземельные металлы Се, Nd, La и др.);
5) ограничения содержания легкоплавких примесей свинца, олова, сурьмы, серы, фосфора и др., нейтрализация их вредного влияния.
Жаропрочные стали 10Х12Н22ТЗМР, 08Х14Н28ВЗТЮР, 10Х15Н25АМ6 и др. применяют для изготовления высоконагруженных деталей турбин, работающих при температуре до 750 °С. Аустенитные стали широко применяют в химическом, нефтяном, энергетическом машиностроении и других отраслях промышленности при изготовлении конструкций, эксплуатируемых в широком диапазоне температур от высоких до низких, включая криогенные.
Свариваемость
Ферритные стали
Основные проблемы:
1) рост зерна в ЗТВ и охрупчивание, последующая термообработка не измельчает зерно и не устраняет хрупкость;
2) развитие межкристаллитной коррозии (МКК) при быстром охлаждении от температуры Т < 900 °С; МКК можно устранить отпуском при Т = 650 – 900 °С или связыванием углерода в карбиды ниобия или титана;
3) охрупчивание в ЗТВ при повышенных тепературах вызывается образованием σ-фазы (интерметаллид Fe-Cr) в интервале температур Т=650 – 850 °С и развитие 475 °С – ной хрупкости в интервале Т=450 – 525 °С;
Эти явления усиливаются при увеличении содержания хрома в стали; 475 °С – ная хрупкость устраняется путем закалки от Т = 700 – 800 °С, а хрупкость от σ – фазы устраняют путем отжига при Т > 900 °С.
Аустенитные стали
Основные проблемы:
1) образование горячих трещин в шве и околошовной зоне вызвано:
а) крупнокристаллитной и разнозернистой (строчечной) структурой;
б) образованием легкоплавких эвтектик и ликвацией примесей;
в) наличием легирующих элементов, вызывающих образование трещин (Si,ТI,А1,В и др.);
г) наличием легкоплавких примесей Pb, Sn, Bi, а также S и Р.
Основной способ предупреждения горячих трещин – измельчение структуры в шве за счет выделения высокотемпературных фаз δ-феррита в аустените шва, высокотемпературных карбидов, карбонитридов, боридной эвтектики. В стабильноаустенитных сталях наличие феррита не допускается и поэтому горячие трещины можно предупредить путем ограничения содержания вредных примесей Pb, Sn, Bi, S, Р и легирующих элементов Si, Ti, Al, Nb, В, вызывающих горячие трещины, и дополнительного легирования Mn, Mo,W,Ta.
2) развитие МКК в ЗТВ при нагреве в интервале Т = 650 – 750 °С в связи с образованием карбидов хрома и снижением его содержания по границам зерен ниже 13 %; МКК можно устранить путем связывания углерода в карбиды титана или ниобия, термической обработкой после сварки (аустенизация от температуры Т >1000 °С для растворения карбидов хрома), применения сталей с содержанием углерода < 0,05 %;
3) охрупчивание при образовании σ-фазы в интервале Т = 650 – 750 °С, когда в стали имеется феррит; аустенизация от Т > 1050° С устраняет хрупкость.
Способы сварки и сварочные материалы
Наличие в сталях активных легирующих элементов Cr, Ti, Al обусловливает применение способов сварки и сварочных материалов, ограничивающих потери легирующих элементов: электроды с основным или фторидным типом покрытия, инертные Аr и Не или слабоокислительные смеси инертных и активных газов Аr + 1 – 3 % O2 и Аr + 2 – 4 % СO2, пассивные фторидные и основно-фторидные, малоактивные и активные низкокремнистые флюсы в зависимости от легирования.
Ферритные стали
1. Ручная дуговая сварка ферритными электродами, дающими металл шва такого же или сходного с основным металлом химического состава (тип Э-Х17Т, стержень СВ-10Х17Т, марки УОНИ-13/10Х17Т, ЦЛ-10). В этом случае возможно достижение однородности свойств (жаростойкость) и равнопрочности в сварном соединении. Применение аустенитных электродов (тип Э-10Х25Н13Г2Б, стержень СВ-07Х25Н13, марки ЦЛ-9, ЗИО-7) не обеспечивает однородность и равнопрочность в сварных соединениях.
2. Дуговая сварка в инертных газах неплавящимся вольфрамовым электродом и плавящимся ферритными (СВ-06Х14, СВ-08Х14ГНТ, СВ-10Х17Т, СВ-13Х25Т) и реже аустенитными проволоками (СВ-07Х13Н25, СВ-06Х25Н12ТЮ, СВ-08Х19Н10Г2Б).
3. Автоматическая сварка под флюсом ферритными и реже аустенитными проволоками (см. выше п. 2) с использованием основных (АН-26), слабоокислительных низкокремнистых (АН-17, АН-18) и основно-фторидных (48-ОФ-6) флюсов.
4 Электронно-лучевая сварка. Сварка выполняется на минимальной погонной энергии (диаметр электродов 2.5 – 3 мм, проволоки диаметром до 1,2 мм для сварки в защитных газах и до З мм при сварке под флюсом, сварочные токи ограниченные) с перерывами для поддержания межваликовой температуры не более 100 °С.
Аустенитные стали
1. Ручная дуговая сварка аустенитными электродами, дающими состав металла шва, который стойкий против горячих трещин (как правило, аустенит + 2 – 10 % феррита) и пор, вызываемых водородом. Для предупреждения МКК шов лучше легировать ниобием, потери которого меньше при сварке, чем титана. Электроды применяют с фтористокальциевым покрытием для коррозионно-стойких сталей типа Э-09Х19Н9Б (ОЗЛ-7), Э-09Х19Н10Г2М2Б (НЖ-13); для жаростойких сталей – типа Э-12Х24Н14С2 (ОЗЛ); для жаропрочных сталей – типа Э08Х17Н8М2 (ЦТ-26).
2. Дуговая сварка в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродами с аустенитной присадкой (СВ-06Х19Н9Т, СВ-07Х19Н10Б, СВ-04Х19Н9С2, СВ-08Х19Н10МЗБ, СВ-10Х16Н25М6, СВ-06Х25Н12ТЮ, СВ-08Х25Н13БТЮ), которая также должна обеспечивать стойкость шва против горячих трещин, пор и МКК. Присварке тонколистового металла рекомендуется применять смесь Аr+3 – 10 % O2 или Аr +15 – 20 % СO2, чтобы снизить критический ток, улучшить формирование и предупредить пористость. В качестве защитных газов возможно применение СO2 и N2 при сварке отдельных марок аустенитных сталей.
3. Автоматическая сварка под флюсом выполняется, как правило, электродными проволоками того типа, что и сварка в защитных газах. Флюсы используют низкокремнистые основные и основно-фторидные, чаще всего АН-26, АНФ-14 и 48-ОФ-6.
4. Электронно-лучевая сварка отдельных марок сталей, не склонных к образованию горячих трещин.
Дуговая сварка, как правило, должна выполняется на ограниченной погонной энергии, валиками небольшого сечения, чтобы избежать образования крупнодендритной структуры в шве, роста зерна в ЗТВ и горячих трещин.
Термическая обработка
Ферритные стали
Предварительный подогрев 150 – 200 °С рекомендуется при толщине металла более 10 мм. Температура воздуха при сварке ферритных сталей должна быть не ниже 5 °С для 08Х13, для остальных – не ниже 10 °С.
Сварные соединения из стали 08Х13 после сварки , как правило, не подвергают термообработке, из сталей 08Х17 и 15Х25Т подвергают отпуску при 700 – 750 °С с ускоренным охлаждением (предупреждение МКК) для изделий, работающих в коррозионно-активных средах.
Аустенитные стали
Аустенитные низкоуглеродистые стали высоколегированные хромом и никелем подвергают закалке на гомогенный аустенит (аустенизации) – нагрев до температуры 1050 – 1100 °С, выдержка 1 – 2 часа и охлаждение на воздухе, в масле или в воде. В отличие от углеродистых эти стали после закалки приобретают повышенную пластичность и ударную вязкость.
Аустенитные стали с повышенным содержанием углерода и легированные Мо, W, Nb, Ti, A1, стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением, подвергают специальной термообработке аустенизации (закалке) и старению (отпуску).
Для предупреждения МКК в сварных соединениях рекомендуется двух-трехчасовый нагрев при температуре 850 – 900 °С.