CCBot/2.0 (http://commoncrawl.org/faq/)

Аустенитные стали

Добавлено: 25.06.2009

Аустенитные стали

Чуть больше века потребовалось нержавеющей стали, чтобы подчинить себе энергетическую и добывающую промышленность, машиностроение и медицину. Несмотря на многомиллионные вложения и активную разработку органических цепочек нового поколения, полимеры во многих температурных режимах уступают по механическим показателям высоколегированным материалам. Нержавеющая сталь посредством добавления небольшого процента металлических примесей приобретает хладо- или жаростойкие свойства, отменные показатели пластичности и способность противостоять различным типам ржавления. Казалось бы, незаменимый в производстве металл на практике сварки показывает свой довольно вздорный характер.

Горячие и холодные трещины

Сварка высоколегированных материалов – сложная наука со множеством теорий, обоснований, графиков и инвариантных решений. В изложенном материале ограничимся лишь обзором соединения аустенитных сталей с 55% легирующих компонентов. Обычно в таких материалах процент никеля и хрома не превышает 7% и 15% соответственно, хотя многие эксперты включают в эту группу железоникелевые и никелевые сплавы с содержанием Ni от 25% и выше.

Изначально проблема сварки аустенитных сталей возникает на весьма неожиданном месте: большое количество легирующих компонентов и широкий спектр применения готовых изделий значительно дифференцирует условия процесса сварки. Это в большой степени усложняет контроль над качеством сварного соединения. Вместе с тем, на сварных швах аустенитных сталей довольно часто образуются горячие трещины. В большинстве своем это микронадрывы на межкристаллитном уровне, определяемые лишь ультразвуковым сканированием. Хотя иногда, можно встретить и настоящие видимые трещины. Предсказать время появления структурных аномалий практически невозможно. Они могут возникнуть и во время сварки, и во время эксплуатации в среде с повышенной температурой.

Сварной шов

В первом приближении можно сказать, что в основе горячих трещин лежит образование крупнозернистой структуры. Термический цикл сварки создает многослойные швы со столбчатой структурой, когда кристаллы нижнего слоя продолжаются вышележащими. Образованию оной способствует и напряжение усадки, стабилизирующее кристаллические «колонны». Но в результате нарушения диффузионных процессов на поверхности скапливаются активные элементы – кислород и углерод – реагирующие с примесями основного материала. Результатом изменения пространственной концентрации элементов становятся легкоплавкие и вместе с тем хрупкие эвтектики (жидкие системы –растворы или расплавы, находящиеся при данном давлении в равновесии с твёрдыми фазами, число которых равно числу компонентов системы). Высокий уровень дисперсии способствует понижению пластичности и появлению горячих трещин.

Говоря о высокодисперсных соединениях, стоит упомянуть интерметаллиды (соединение из двух или более металлов) с фиксированным соотношением компонентов. Состоящие из атомов нескольких металлов, прочные и химически инертные структуры (еще один фактор нарушения процесса диффузии) вместе с карбидами повышают хрупкость околошовной зоны.     

Локализация структурных аномалий в большинстве случаев ликвидируется дополнительной десятиминутной термической обработкой при температуре 1100°С и последующим быстрым охлаждением. В особо сложных случаях, когда столбчатая структура разрушается, но образования интерметаллидов избежать не удается, дополнительно к аустенизации шва применяется отжиг при 750-800°С. В результате двухэтапной термообработки удается удалить карбидную и интерметаллидную фазу.

Зачастую образование горячих трещин связано с недостаточностью защитной среды. Как уже было сказано, высоколегированные материалы содержат большое количество присадок. Хром, алюминий и другие металлы с точки зрения физической химии более близки к кислороду, нежели железо, что обуславливает высокую степень выгорания, подчас пробоя защитной среды. В особо печальных случаях материал шва полностью теряет карбидную и ферритную фазу.

В случае незначительного пропускания атмосферного кислорода возможно использование укороченной дуги, а также фтористо-кальциевых покрытий или флюсов, базирующихся на химически активных фтористых основаниях.

Но не стоит упиваться дополнительной аустенизацией шва. В век экономии электроэнергии, столь высокоэнергетические процессы постепенно должны уступать место инновационным методам дуговой сварки. Известно, что форма сварочной ванны напрямую влияет на форму шва и соответственно на рост кристаллов аустенита. Кроме того, имеет смысл использовать технологии с пониженным силовым фактором, ведь усадочная деформация и жесткое крепление изделий являются отличными катализаторами образования горячих трещин.

Для сталей с временным сопротивлением растяжению от 1500МПа и выше необходимо использовать особую методику. Высокопрочные материалы склонны к образованию послесварочных холодных трещин, возникающих под действием собственного сварочного напряжения. В этом случае проводится предварительная аустенизация, повышающая пластические показатели стали. После соединения заготовок необходимо провести дополнительный нагрев до температуры в 350-400°С.

Послесварочная межкристаллитная коррозия

Аустенитные стали довольно часто позиционируются как стойкие к коррозиям разных видов. Межкристаллитная коррозия, протекающая вдоль зерен, часто возникает не в самом сварочном шве, а около линии соединения и даже на значительном расстоянии. В целом физические аспекты развития коррозии не отличаются друг от друга – разница лишь в причине возникновения.

Межкристаллитная коррозия основного металла возникает при банальном перегреве некоторого локального участка. Для материала шва с физико-химической точки зрения все гораздо сложнее. Термический цикл сварки, как уже было сказано, нарушает диффузионные процессы, в результате чего на поверхность выделяются активный углерод и легирующий хром. Они образуют одни из тех карбидов, приводящих к повышенной хрупкости шва. Очевидно, что параллельно с этим происходит обеднение другими легирующими компонентами (также в меньшей степени образуются углеродистые соединения с титаном и ниобием), и материал становится более уязвимым к межкристаллитной коррозии.

Очевидным решением уменьшения склонности сварного шва и околошовного материала к межкристаллитной коррозии является аустенизация при 1050-1100°С

  Косвенным решением проблемы является внедрение аустенитно-ферритных материалов, более стойких не только к межкристаллитной коррозии, но неблагоприятному термическому циклу. Особая структура – до 4% молибдена и 25% хрома – отличается менее крупными зернами и, соответственно, повышенной протяженностью межкристаллитных границ. Увеличение площади выделения карбидов ведет к уменьшению их дисперсности. Локальное обеднение хромом происходит на незначительную глубину. Кроме того, аустенитно-ферритные материалы обладают повышенной скоростью диффузионных процессов.

Уменьшить склонность сварного шва и околошовного материала к межкристаллитной коррозии можно несколькими способами. Очевидным решением является проведение уже известной нам аустенизации при 1050-1100°С (возможна замена на стабилизирующий отжиг в течение 2-3 часов при температуре 850-900°С).Впрочем, всегда можно смириться с выпадением карбидной фазы, нейтрализуя ее последствия посредством дополнительного легирования до образования аустенитно-ферритной структуры. Минусом подобного подхода является не только перерасход хрома и других металлов, но и понижение сопротивляемости общей коррозии, распространяющейся по всей поверхности изделия. В этом свете некоторые производственники предпочитают в качестве легирующего компонента использовать титан, тантал или ванадий вместо хрома. Вместе с тем, более дорогие металлы оказываются также и более требовательными к защитной среде. Если не использовать инертные газы или фторидные флюсы вместо кислых, близкий к кислороду титан выгорает на 70-90%.

Дополнительно: необходимо отлаживать автоматизированные процессы, гарантирующие непрерывность получения шва стабильной электрической дугой, повторное возбуждение которой делает термический цикл неблагоприятным.

Физика на деле

Конечно, исключить из термического цикла процессы, приводящие к образованию трещин и межкристаллитной коррозии невозможно. С другой стороны, всегда можно купировать последствия и вернуть материалу потерянные свойства. Сегодня тенденция изобретений говорит нам о важности внедрения менее ресурсоемких методов аустенизации, удаления карбидных и интерметаллидных фаз, повторного повышения антикоррозионных свойств. Хотя, возможно уже завтра речь будет идти о полном исключении концентрационных изменений и нарушений процессов диффузии.


Александр Гуща, специально для www.EquipNet.ru
Фотографии с сайтов know-house.ru, acsys.ru, schmolz-bickenbach.ru

>>>Хотите обсудить эту статью подробнее? Ждем вас на нашем Форуме<<<

Комментарии

Оставить комментарий с помощью…
  • Equipnet (0)
  • Вконтакте (0)
  • Facebook (0)
Логотип компании
Комментариев пока нет

Вы можете разместить вашу статью в нашей ленте на коммерческой основе
Наш телефон: (495) 983-59-92. E-mail: manager@equipnet.ru

/articles/power-industry/power-industry_395.html 0
Интервью
10.03.2016
 Индукционные плиты: когда выгода покупателя означает и выгоду продавца
СУХОРУКОВ
Михаил
Ведущий менеджер технологического направления
Компания «Деловая Русь»
Что представляет собой рынок продаж индукционного оборудования в эпоху кризиса и с чем на него лучше выходить
Почему доллар будет стоить 50 рублей?
Как зарабатывать по 3 000 000 рублей в месяц?
Где купить станок, который делает деньги?
Ответы на эти и другие вопросы ищи в рассылке EquipNet.ru