Для изготовления сварных конструкций, работающих в таких особых условиях, как агрессивные среды, высокие температуры более 5000С, большой абразивный износ или глубокий холод используют высоколегированные стали.
Это такие стали, у которых основой является железо, а содержание легирующих элементов в сумме превышает 5%, хотя чаще бывает более 10%.
В зависимости от наименования главных легирующих элементов определяющих свариваемость все высоколегированные стали подразделяются на 3 группы:
1.Хромистые высоколегированные стали, где главным легирующим элементом является: Cr
08Х13, 20Х13, 40Х13, 10Х17, 20Х12ВМБФР, 15Х28

2.Хромоникелевые высоколегированные стали, где главными легирующими являются: Cr+N
00Х19Н10, 08Х18Н12М3, 08Х18Н10Т, 000Х19Н10

3.Марганцовистые высоколегированные стали, где главным легирующим элементом является: Mn
Г13, Г17Ю3
Легирующие элементы и их количество изменяют свариваемость сталей высоколегированной группы, поэтому технология сварки и технологические приемы для получения качественного сварного соединения у этих сталей различаются.

Особенности свариваемости хромистых высоколегированных сталей (1ая группа ВЛС)

В зависимости от количества хрома, придающего сталям первой группы разные свойства и техническое назначение хромистые высоколегированные стали разделили на 3 подгруппы.

1.В первую подгруппу входят стали с содержанием 11-14% Cr.
Эти стали применяются как нержавеющие в условиях атмосферной коррозии, т.к. пленка Cr2О3 предохраняет их от непрерывного окисления.
В зависимости от количества углерода эти стали имеют разную твердость, например:
10Х13 – не ржавеет на воздухе, не закаливается и при использовании для изготовления ножей не «держит» острие.
40Х13 – не ржавеет на воздухе, закаливается и приобретает высокую твердость и стойкость на износ, отлично «держит» острие.
Из углеродистых высоколегированных сталей этой подгруппы изготавливают инструмент, гильотинные ножницы, направляющие для механического оборудования, но кислоты они боятся и разрушаются. При легировании В, Мо, W, V или Ni они приобретают повышенное сопротивление ползучести при растяжении и их используют как жаропрочные для температур эксплуатации до 6000С, например 15Х12В2МФ.

2.Во вторую подгруппу входят стали с содержанием Cr=17-19% при содержании С=0,1-0,2%. Они используются главным образом как кислотостойкие, т.е. для работы в агрессивной среде. Например при изготовлении цистерн для перевозки азотной кислоты (но не разбавленной), т.к. только концентрированная кислота создает прочную и плотную пленку Cr2O3 которая защищает сталь от дальнейшего разъедания.
Сталь 08Х17Т применяют для змеевиков пиролиза ацетона и уксусной кислоты. Титан в эту сталь добавляют для измельчения грубой ферритной структуры.
Главная проблема технологий сварки этих сталей – создать сварной шов и о.ш.з. равного химического состава и коррозионной стойкости не ниже основного металла.

3.Третья подгруппа-стали с содержанием Сr=25-30% при содержании С=0,1-0,2%. Это жаростойкие стали (в том числе и окалиностойкие), которые сохраняют свои физические и механические свойства и чистую светлую поверхность свыше 8000С и до 10500С и при наличии агрессивных сред, например, серосодержащих или крепких щелоков сернистого натрия.
Но при температурах более 10500С стали этой подгруппы склонны к быстрому росту зерна и потере пластичности, которую можно восстановить только термообработкой: отжиг + высокий отпуск при Т=730-7900С.
Сталь 08Х23С2Ю применяется для змеевиков пиролиза ацетона и уксусной кислоты. Сталь ЭП 904 ВН применяется для конструкций, работающих при 1300оС и в условиях повышенной концентрации серы в топливных газах.
В зависимости от содержания углерода и хрома стали первой группы ВЛС эти стали «меняют» принадлежность к структурному классу и могут быть: мартенситного, мартенситно-ферритного или ферритного класса, имеют низкую ударную вязкость и их опасно применять для конструкций, работающих при знакопеременных и ударных нагрузках.
Например, сталь 15Х25Т имеет σВ=440 МПа, σ5=14%, а КСU=0.2 МДж/см2. После низкотемпературной прокатки 820-8500С ударная вязкость повышается до 0.8 МДж/см2, но после сварки в З.Т.В. это свойство утрачивается. Термообработка после сварки восстановит КСИ только до 02 МДж/см2.
Для понимания как хромистые ВЛС меняют свой структурный класс обратимся к схеме диаграммы состояния Fe-Cr при содержании углерода в стали С=0% (индекс I) и увеличении количества углерода (индексы I,II и IV) до 0.4%.
На рис.I из содержания диаграммы состояния Fe-Cr при С=0% следует, что стали, имеющие количество хрома до 12-13% могут иметь структурные превращения вида α⇔γ и наоборот, но при минимальных количествах углерода не создают устойчивых твердых структур. При всех концентрациях влево от точки А - структура содержит мартенсит (М), феррит (Ф) и аустенит (Ау). При всех концентрациях выше 13% в этом случае сталь имеет грубую крупнозернистую структуру однофазную ферритную (Ф).
На рис. II,III и IV видно как с увеличением количества углерода растет левая область, в которой возможно превращение α⇔γ, следствием которого является образование закаленных структур М, остаточного Ау и феррита.
Поэтому, чтобы знать по какой технологии сваривать ВЛ-хромистые стали, следует ориентироваться на положение точки А и содержание углерода.
Например:

Сталь 0Х13- слева от точки А (рис.I), частично закаливается, так как в сталях всегда есть чуть-чуть углерода и ее относят к сталям мартенситного класса.

Сталь 10Х13- слева от точки А (рис.II), закаливается при охлаждении на воздухе на М и называется мартенситного класса.

Сталь 08Х17- слева от точки А (рис.III), закаливается и называется мартенситного класса.

Сталь 10Х28- справа от точки А (рис. II), не закаливается на воздухе и называется ферритного класса.

Сталь 40Х30- справа от точки А (рис.IV), не закаливается на воздухе и называется ферритного класса.

В практике использования этих категорий принято считать так:

Стали содержащие 12-13% Cr и менее 0,1% С закаливаются при охлаждении на воздухе на мартенсит и называется мартенситного класса.

Стали содержащие 17-19% Cr и менее 0,1-0,2% С имеют неполную закалку на мартенсит и называется мартенситно-ферритного класса.

Стали, имеющие содержание хрома справа от точки А при любом содержании углерода не закаливаются являются однофазными ферритного класса.

Технология сварки мартенситных и мартенситно-ферритных сталей (С=0,1-0,2%, Cr=11-19%).

Все стали этой подгруппы закаливаются и содержат в структуре мартенсит. Предварительный подогрев мало помогает, так как скорость распада аустенита в этих сталях мала и при 7000С распад аустенита может продолжаться до 300 секунд. Если так долго греть, то излишне вырастает зерно аустенита и феррита и сталь становится очень хрупкой. Предварительный подогрев регулируют так, чтобы в структуре получалось по окончании сварки не более 30% М, а остальное Ф и Ау.
При этом сразу после сварки трещины не возникают, но по истечении времени распада Ау количество продуктов распада (М) увеличивается и трещины могут появиться. Поэтому по окончании сварки сталей им дают остыть и немедленно делают термообработку всего изделия для восстановления свойств околошовной зоны и М.Ш. До термообработки изделие после сварки охлаждают на спокойном воздухе для того, чтобы пройти вниз критические точки α⇔γ превращения. Это называется «подстуживанием». При очередном нагреве после подстуживания для термообработки в интервале температур 730-7900С зарождаются новые зерна и при отпуске сталь не имеет крупного зерна, не охрупчивается. Если не «подстуживать», а держать М.Ш. и О.Ш.З. соблюдая подогрев выше критических точек до помещения в печь термообработки, то вырастет зерно Ф и остаточного Ау, а после отпуска и охлаждения на воздухе получим грубозернистую структуру Ф и М и трещины после термообработки.

Правильная технологическая последовательность сварки и термообработки М и М+Ф сталей.

По этой технологии производится сварка и термообработка только в том случае, если используются низководородистые ферритные сварочные материалы, которые обеспечивают химический состав и механические свойства такие же как и у основного металла.

В том случае, когда невозможно сделать термообработку и требуется получить только жаростойкость или коррозионную стойкость, то сварку выполняют с предварительным подогревом высоколегированными аустенитными хромоникелевыми сварочными материалами типа Х25Н13 (электроды марки ЦЛ-9) или Х25Н18 (электроды марки ЦЛ-8). При использовании аустенитных сварочных материалов следует использовать многопроходную сварку малыми погонными энергиями и с ускоренным охлаждением со скоростью до 1000С/сек. Термообработку в этом случае нельзя выполнять, т.к. если перегреть металл шва и о.ш.з., то произойдет диффузия углерода из основного металла к хрому м.ш. и образуется «белая полоска» на линии сплавления со стороны основного Ме, а со стороны шва - карбидный слой Cr23C6 , Cr7C3 или (Cr,Fe)23C6, что приведет к утрате стойкости против коррозионного растрескивания во время длительной эксплуатации. Это потеря стойкости против МКК.

Технологические параметры и свойства при сварке М и М+Ф сталей

Технологические мероприятия, уменьшающие возникновение холодных трещин при сварке М и М+Ф сталей

1. Введение модификаторов Ti, Nb, Mo, размельчающих структуру с.ш.

2. Обеспечивать направленный выбор сварочных материалов:

Вариант I- требуется полный объем свойств – динамические нагрузки, статические нагрузки, коррозионная стойкость, то надо сваривать только «родными» сварочными материалами с подогревом и термообработкой.

Вариант II - требуется коррозионная стойкость и статическая прочность, то можно применять аустенитные сварочные материалы и сваривать без подогрева и термообработки.

3. Применение жестких режимов сварки с малой погонной энергии для уменьшения з.т.в.

4. Не допускать непроваров в корне шва.

5. Конструирование изделий с нежесткими сварными узлами.

6. Вводить азот в м.ш. в соотношение [N2]м.ш.≤1/100[Cr]м.ш.

7 Избегать жестких закреплений при сборке под сварку. Запрещаются вообще жесткие закрепления для сварки М и М+Ф сталей уже со средней толщины.

8. Прихватки выполнять по требованиям одинаковыми с требованиями к м.ш., т.е. малыми сечениями. Перед сваркой прихватки по мере образования шва лучше удалять.

9. Сварку вести на постоянном токе обратной полярности.

10. Применять низководородистые сварочные материалы.

11. Не допускать резких переохлаждений ветром и сквозняком.

12. Сварочные операции согласовывать по времени с операциями термообработки.

13. Для однопроходных швов и корневых проходов выбирать сварочные материалы с повышенным запасом аустенитности, чтобы легче проходила релаксация пиков напряжений в ЗТВ: Х25Н18, Х25Н20. Для последующих проходов при многопроходной сварке можно применить Х25Н13, чтобы предохранить м.ш. от возможных горячих трещин.

14. Из всех способов предпочтительнее РД и РАД, но надо применять жесткие режимы.

15. Применять сложные режимы подогрева, термообработки и охлаждения по системе д.т.н. Козлова Р.А. (ЦНИИ КМ «Прометей»)

Технология сварки ферритных высоколегированных хромистых сталей.

Для сварки применяют однородные ферритные сварочные материалы или высоколегированные хромоникелевые. Высокая хрупкость при комнатной температуре является особенностью этих сталей, т.к. они приобретают грубозернистую структуру в связи с ростом зерна во время охлаждения заготовок после прокатки при высоких температурах. Сварочные операции приводят к дополнительному росту зерна и охрупчиванию до такой степени, что KCU стремится к нулю. Наиболее опасной является зона перегрева в ОШЗ. Величина зерна в ней может вырасти до 1 мм. Протяженность зоны перегрева у Ф-сталей достигает 2,53 мм.

Особенно сильно Ф-стали охрупчиваются в интервале образования σ ́-фазы при 4750 С (400-5500С).

Образование σ́-фазы подогревом при сварке не вылечить, т.к. дополнительный подъем температуры Ф-стали обязательно увеличит зерно. Образование σ ́-фазы можно убрать термообработкой при 750-7600С и восстановить почти исходную величину KCU стали.

На рис. показано, что при нагреве ферритной стали до 4750 С величина КСU 0, а при нагреве до 750-7600С повышается до 0,4МДж/м2. Дальнейшее повышение термообработки при температурах свыше 8000С приводит опять к снижению КСU .