Сварка мартенситных сталей. Свариваемость легированных мартенситных сталей

Сварка мартенситных сталей требует предварительного подогрева до температуры 200-300°C и последующей термообработки. Свариваемость мартенситных сталей удовлетворительная. В группах свариваемости сталей они относятся к классу ограниченно свариваемых.

Мартенситные стали содержат в составе до 14% хрома и содержание такого количества хрома резко увеличивает прокаливаемость стали и в ней, даже при обычном охлаждении на воздухе, происходят мартенситные превращения. Хром снижает растворимость углерода, вступая с ним в соединение и образуя карбиды. Из-за сложности процессов на механические свойства стали сильное влияние оказывает химический состав и термообработка. Присутствие других легирующих элементов: марганцем, ванадием, никелем, молибденом, кремнием определяет температуру, при которой начинает происходить превращение аустенита в мартенсит.

Сварка мартенситных коррозионно-стойких сталей

Мартенситные стали, обладающие высокой стойкостью против коррозии, применяют в улучшенном состоянии. Мартенсит, сформировавшийся в процессе закалки, обладает высокой твёрдостью и малой вязкостью. И только отжиг обеспечивает оптимальное сочетание прочности, и пластичности в стали. Для оптимального сочетания свойств необходимо уменьшить содержание дельта-феррита, поэтому, мартенситный стали легируют следующими легирующими элементами: никелем, кобальтом, медью, марганцем.

Также уменьшают количество дельта-феррита азот и углерод. Но, углерод сильно снижает свариваемость стали, поэтому, для улучшения свариваемости мартенситных сталей, его содержание уменьшают.

Трудности при сварке мартенситных сталей

Как уже говорилось, при сварке мартенситных сталей, околошовная зона переходит в состояние дельта-феррита. При охлаждении, дельта-феррита переходит в аустенит. Это превращении происходит при соответствующем количестве хрома и углерода. Кроме этих элементов, этому процессу способствуют ванадий и ниобий.

Возникновение включений дельта-феррита вдоль границ первичных зёрен резко снижает пластичность зоны термического влияния. Наиболее сильно это влияние сказывается при таких видах сварки, как сварка под флюсом, или контактная сварка.

Ещё одна сложность свариваемости мартенситных сталей заключается в том, что стали данного типа имеют склонность к самозакаливанию. В результате самозакалки, в зоне термического влияния, кроме дельта-феррита, появляется мартенсит. Но, несмотря на это, водород, присутствующий в составе стали, не вызывает образования холодных трещин при сварке, т.к. в зоне термического влияния присутствует остаточный аустенит, который растворяет основную часть водорода.

Особенности и технология сварки мартенситных сталей

Мартенсит в участках околошовной зоны обладает высокой твёрдостью и хрупкостью, а также, повышенной чувствительностью к дефектам. Поэтому, в процессе сваривания мартенситных сталей с содержание хрома 13%, рекомендуется применять те способы сварки, при которых гарантируется низкое содержание водорода. Также можно применять аустенитные присадочные материалы.

Для исключения остаточных термических напряжений необходимо использовать предварительный подогрев соединяемых деталей и их последующий нагрев.

Склонность мартенсита к разрушению зависит от содержания углерода. И в зависимости от его количества, при сварке применяют следующие технологические приёмы:

1. При содержании углерода меньше 0,1% предварительный подогрев и последующий нагрев, как правило, не выполняют.

2. При содержании углерода свыше 0,1% и менее 0,2%, свариваемые детали предварительно нагревают до 200-250°C и управляют процессом охлаждения сварного соединения. Например, с помощью асбестового укрытия. Последующий нагрев допускается не выполнять.

3. В случае, если углерода содержится свыше 0,2%, мартенситные стали сваривают с предварительным нагревом до температуры 250°C. По окончании сварки выполняют последующий нагрев.

Температуру предварительного подогрева и последующего нагрева определяют, исходя из нескольких показателей. Это и сложность конструкции и толщина свариваемых деталей и другие факторы. При термообработке применяют отпуск при температурах 660-760°C. Часто показатели пластичности сварного соединения оказываются низкими, тогда, при сварке металлов, выполняют двойной отпуск. Первый - при температурах 720-760°C, второй - при 660-680°C.

Если свойства стали не позволяют провести высокотемпературный отпуск, то, можно выполнять отпуск низкотемпературный, при температуре 300°C. Такой отпуск способствует умеренному увеличению вязкости и пластичности мартенситных сталей. Кроме того, низкотемпературный отпуск положительно влияет на равномерное распределение водорода в составе стали, и внутренних остаточных напряжений.

В сталях, содержащих 13% хрома, можно уменьшить его негативное влияние путём добавления никеля в пределах 4-6%. Легирование никелем способствует растворению водорода, понижая, таким образом, склонность зоны термического влияния к образованию холодных трещин при сварке. Содержание углерода, наоборот, понижают. Сочетание низкого количества углерода с легированием никелем добавляет вязкости зоне термического влияния и снижает её чувствительность к дефектам сварных швов.

Электроды для сваривания сталей с мартенситной структурой

Для сварки мартенситных сталей хорошо подходят электроды, содержащие в составе 0,03% углерода, 18,5% хрома, 12,5% никеля, 3% молибдена. Также хорошо подходит состав 0,02% углерода, 2,5% марганца, 16% хрома, 5,5% никеля, 1,2% молибдена.

В случаях, когда необходимо получить сварное соединение повышенной прочности, применяю электроды, имеющие в составе 0,04% углерода, 13% хрома, 5,8% никеля, 1,6% молибдена. Электроды с вышеперечисленными элементами в составе, образуют сварной шов с мартенситной структурой, т.е., наиболее приближенной к структуре основного металла.

При использовании электродов, дающих мартенситную структуру, рекомендуют выполнять предварительный подогрев до температуры 100-200°C. После окончания сварки лучше всего провести комплексную термообработку: нагрев до температуры 950°C, охлаждение на воздухе. Далее, снова нагревают до температуры 590°C, выдерживают при этой температуре в течение 5ч и охлаждают на воздухе.

Сварка мартенситных стареющих сталей

В химической промышленности для изготовления металлоконструкций нередко применяют мартенситные стали, содержащие 9% никеля. Такой тип сталей называют мартенситно-стареющими сталями.

Кроме 9% никеля, они содержат некоторое количество марганца и кремния и мало углерода. Также в их составе понижено содержание вредных элементов.

При сварке мартенситных сталей с 9% никеля не допускается использовать присадочный материал с таким же химическим составом, какой имеют свариваемые детали. Иначе, возрастает риск образования горячих трещин при сварке. Поэтому, для сварки такого типа сталей применяют материалы, имеющие в составе 4-6% дельта-феррита (к примеру, 20Cr13Ni3Mo).

Для сварки этих сталей предварительный подогрев, как правило, не выполняют. Даже, наоборот, температуру промежуточных слоёв не допускают больше, чем 50°C. Но, в отдельных случаях выполняют подогрев до температуры 125-175°C. Т.к. влияние легирующих элементов на свариваемость этих сталей достаточно сильное, то и на выбор режимов сварки сильное влияние оказывает их химический состав.

Дополнительные материалы по теме: