Высоколегированные стали с сопротивлением ползучести и жаропрочные стали
Версия для печатиСостав, структура, свойства и применение
Ферритные стали
Хром – это 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. Аустенитные стали обладают высокой жаростойкостью до 1150°С, которая также как у ферритных сталей зависит от уровня легирования Cr, Si и Al (10X23h28, 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.
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, Аl, 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.
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%;
3) охрупчивание при образовании σ-фазы в интервале Т = 650 - 750°С, когда в стали имеется феррит.
Способы сварки и сварочные материалы
Наличие в сталях активных легирующих элементов Cr, Ti, AI 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.
2. Дуговая сварка в инертных газах неплавящимся вольфрамовым электродом и плавящимся ферритными и реже аустенитными проволоками.
3. Автоматическая сварка под флюсом ферритными и реже аустенитными проволоками с использованием основных, слабоокислительных низкокремнистых и основно-фторидных флюсов.
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.
2. Дуговая сварка в инертных газах неплавящимся и плавящимся электродами с аустенитной присадкой, которая также должна обеспечивать стойкость шва против горячих трещин, пор и МКК. При сварке тонколистового металла рекомендуется применять смесь Аr + 3% 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.
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, Al, стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением, подвергают специальной термообработке аустенизации (закалке) и старению(отпуску).
Для предупреждения МКК в сварных соединениях рекомендуется двух-трех-часовый нагрев при температуре 850 - 900°С.