Конструкционные материалы. Свариваемость и сварка

Относительно системы упрочнения высоколегированные стали делятся на стали:

–с карбидным упрочнением;

–с боридным упрочнением;

–с интерметаллидным упрочнением.

Стали, содержащие углерод в пределах 0,2–1,0 %, имеют карбидное упрочнение. Этот тип упрочнения характерен в основном для жаропрочных и жаростойких сталей. Такое упрочнение достигается при выдержке стали в интервале температур 600–650 °С в результате выделения сложных карбидов железа, хрома, ниобия,

ванадия и вольфрама, типа Me23C6, Me6C, Me2C и др. Никельсодержащие стали, легированные титаном в пределах

1,0–3,5 % и алюминием до 6 %, упрочняются вследствие образования при температуре 650–850 °С мелкодисперсных частиц – интерметаллидов типа Ni3(Ti,Al), (Ni,Fe)2Ti и др. Интерметаллидное упрочнение характерно в основном для жаропрочных сталей и сплавов.

Упрочнение аустенитно-боридных сталей достигается в результате образования боридов железа, хрома, ниобия, углерода, молибдена и вольфрама. Стали и сплавы в большинстве случаев содержат несколько легирующих элементов, упрочнение их бывает чаще всего комплексным.

В зависимости от химического состава сплавы подразде-

ляют на классы по основному составляющему элементу:

–сплавы на железоникелевой основе;

–сплавы на никелевой основе.

К сплавам на железоникелевой основе отнесены сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в железоникелевой основе (сумма никеля и железа более 65 % при приблизительном отношении никеля к железу 1:1,5).

К сплавам на никелевой основе отнесены сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов в никелевой основе (содержание никеля не менее 50 %).

111

5.2. ВЛИЯНИЕ ХРОМА И ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Хром – основной легирующий элемент для получения коррозионностойких, жаропрочных и жаростойких сталей. В коррозионностойких и кислотостойких сталях хром играет двоякую роль. При его содержании более 12 % резко повышается электрохимический потенциал стали, сталь «облагораживается» и становится более устойчивой в растворах электролитов. В то же время хром способствует образованию на поверхности металла плотной и достаточно прочной оксидной пленки, защищающей металл от воздействия коррози- онно-активной среды. Эта же стойкая пленка хрома защищает сталь от окисления при высоких температурах – повышает ее жаростойкость. Таким образом, высокохромистые стали оказываются стойкими против химической и электрохимической коррозии в окислительных средах.

Наряду с высокой коррозионной стойкостью стали, содержащие 12 % Cr, имеют высокие прочность и жаропрочность (значительно выше, чем у низко- и среднелегированных хромистых и хромомолибденовых сталей).

При высоких механических и антикоррозионных свойствах высокохромистые стали имеют пониженные технологические свойства, в том числе пониженную свариваемость. Это связано с особенностями фазового состояния высокохромистых сталей и особенностями структурных и фазовых превращений, происходящих при нагреве и охлаждении.

Хром относится к легирующим элементам, стабилизирующим α-фазу и уменьшающим область существования γ-фазы в железных сплавах (рис. 5.1). Железо образует с хромом непрерывный ряд α(δ)-твердых растворов с объемно-центрированной кубической решеткой. При увеличении содержания хрома до 12 % на диаграмме Fe – Сr появляется замкнутая область γ-твердых растворов, которая ограничена справа двумя линиями, замыкающими гетерогенный участок α(δ) + γ. Хром оказывает сильное влияние на положение

112

критических точек, соответствующих γ→α-превращению. Сначала увеличение содержания хрома приводит к понижению точки Ас3, поэтому при концентрации до 8 % хром может быть отнесен к элементам, способствующим устойчивости аустенита и расширению его температурной области (рис. 5.2). При содержании более 8 % хром повышаетточку Ас3 у сплавовсγ→α-превращением.

Рис. 5.1. Диаграмма состояния сплавов Fe – Cr

Рис. 5.2. Влияние хрома на положение критических точек фазовых превращений в сплавах с железом

113

При введении в сталь хрома в количестве более 12 % все сплавы во всем температурном интервале от температуры конца кристаллизации до комнатной сохраняют однофазную структуру феррита. С повышением содержания хрома более 20 % в области температур ниже 800–600 °С кроме α-твердого раствора появляется и вторая структурная составляющая – σ-фаза (см. рис. 5.1).

Хром также является карбидообразующим элементом и обра-

зует карбиды Cr2C3, Cr7C3, Cr23C6. В сталях и сплавах железа, содержащих углерод, он вытесняет железо из цементита, образуя

сложные карбиды, обедняя хромом твердый раствор.

Все легирующие элементы, вводимые в высоколегированные стали, по влиянию на температуру γ→α-превращения можно разделить на две группы: аустенитостабилизирующие и ферритостабилизирующие. К аустенитостабилизирующим элементам относятся углерод, никель, марганец, азот, кобальт, они расширяют область γ-фазы и способствуют в процессе охлаждения практически полному превращению γ-фазы в мартенсит α(M). Существенно стабилизирующим γ-фазу является никель, он значительно расширяет температурную и концентрационную область существования γ-фазы, снижает критическую скорость охлаждения при закалке. При введении в сталь более 20 % никеля даже при очень малых скоростях охлаждения температура начала распада аустенита смещается в область температур ниже комнатных и сталь сохраняет чисто аустенитную структуру.

Введение в высоколегированные стали ферритостабилизирующих элементов (молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, титан, кремний и др.) еще больше сужает γ-область, а также образует карбиды, связывая углерод. Добавление ферритостабилизирующих элементов позволяет повысить жаропрочность сталей. Если обычные 12%-ные хромистые стали имеют достаточно высокие механические свойства при температурах до 500 °С, то сложнолегированные на этой основе стали обладают высокими характеристиками при температуре до 650 °С.

114

Структура и свойства высокохромистых сталей зависят от содержания в них хрома и углерода, а также никеля, азота и добавок других легирующих элементов. При совместном легировании железа аустенито- и ферритостабилизирующими элементами

всталях могут наблюдаться различные структурные и фазовые соотношения. Для облегчения определения фазового состава сталей существуют структурные диаграммы, из которых наиболее распространенной является диаграмма А. Шеффлера (рис. 5.3), построенная сначала для металла сварных швов. По линиям, приведенным на рисунке, подсчитываются эквиваленты, которые учитывают аустенитообразующее и ферритообразующие действия различных элементов. Аустенитообразующее действие сравнивается с никелем, а ферритообразующие – с хромом. Подсчет эквивалентов (Crэкв и Niэкв) позволяет получить точку на диаграмме, попадающую

вту или иную область. Эквиваленты хрома и никеля соответственно рассчитываются по формулам

Crэкв = %Cr + %Mo +1,5 %Si + 0,5 %Nb,	(5.1)
Niэкв = %Ni + 30 %C + 0,5 %Mn + 30 %N.	(5.2)

Рис. 5.3. Диаграмма А. Шеффлера

115

Одна из поздних структурных диаграмм, предложеная Я.М. Потаком и Е.А. Сагалевичем и применяемая для закаленных сталей, приведена на рис. 5.4. Она соответствует структуре сталей после закалки от температур 1050–1100 °С, принятых в практике при термической обработке. В отличие от диаграммы А. Шеффлера использование ее требует подсчета эквивалента ферритообразования CФэкв с учетом ферритообразующей способности легирующих эле-

ментов и эквивалента мартенситообразования CМэкв с учетом влияния

легирующих элементов на положение мартенситной точки. Кроме того, предлагаетсяучитыватьобязательноеприсутствиевсталяхазота

Рис. 5.4. Структурная диаграмма Я.М. Потака и Е.А. Сагалевича

116

иуглерода в количестве 0,02–0,04 %, для чего в левой нижней части диаграммы приведена графическая зависимость расчетных коэффициентов KФ и KМ от суммарного содержания азота и углерода. Подсчетэквивалентов ферритообразования CФэкв имартенситообразования

CМэкв можетпроизводитьсяпоследующимформулам:

CФэкв = %С–1,5 %Ni + 2 %Si – 0,75 %Mn – KФ (%С– %N) +
+ %Mo + 4 %Al + 4 %Ti +1,5 %V + 0,5 %Nb –	(5.3)
– 0,6 %Co – 0,5 %Cu,
CэквM = 20 – [%Сr +1,5 %Ni + 0,7 %Si + 0,75 %Mn +
KM (%С+ %N) + 0,6 %Mo +1,5 %V +1,1 %W + 0,2 %Co +	(5.4)
+ 0,2 %Cu +1,9 %Ti – 0,1 %Al].

117

6. ВЫСОКОЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ МАРТЕНСИТНОГО КЛАССА

6.1.СОСТАВ И СВОЙСТВА СТАЛЕЙ

Вбольшинстве случаев мартенситные высоколегированные стали содержат 8–14 % хрома, 0,06–0,4 % углерода, некоторые из

них дополнительно легированы никелем и другими легирующими элементами для придания специальных свойств (табл. 6.1). Данные стали используются для изготовления рабочих и направляющих лопаток, дисков паровых турбин и газотурбинных установок различного назначения и др. (табл. 6.2).

К высоколегированным мартенситным сталям относятся сплавы, претерпевающие γ→α-превращение, т.е. находящиеся в пределах концентрации существования γ-фазы на диаграмме Fe – Cr. Легирование хромом значительно снижает критические скорости охлаждения. В результате этого при низком содержании углерода легирование до 12 % Cr приводит к формированию в стали однофазной мартенситной структуры даже при весьма замедленном охлаждении от 800 °С, например со скоростью менее 1 град/с. В связи с наличием полиморфного превращения эти стали можно подвергать термической обработке.

Присодержанииболее12 % хромав процессенагревау сплавов невозможно полное превращение α→γ. В соответствии с образующейся после охлаждения структурой такие сплавы относят к мартен- ситно-ферритному илиферритному классу.

Наличие в сталях углерода при высоком содержании хрома позволяет получать сочетание коррозионной стойкости, жаропрочности и жаростойкости и различной степени упрочнения при мартенситном превращении. Повышенная жаропрочность даже без дополнительного легирования связана с высоким содержанием хрома в твердом растворе. Кроме того, мартенситное превращение в этих

118

Таблица 6 . 1

Химический состав высокохромистых мартенситных сталей

	Маркастали				Содержаниеэлементов, ат. %
		C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	V	Прочие
	15Х11МФ	0,12–0,19	≤0,5	≤0,7	≤0,025	≤0,030	10,0–11,5	−	0,6–0,8	0,25–0,40	−
	15Х12ВНМФ	0,12–0,18	≤0,4	0,5–0,9	≤0,025	≤0,030	11,0–13,0	0,4–0,8	0,5–0,7	0,15–0,30	0,7–1,1 W
	18Х11МНФБ	0,15−0,21	≤0,6	0,6–1,0	≤0,025	≤0,030	10,0–11,5	0,5–1,0	0,8–1,1	0,20–0,40	0,20–0,45 Nb
	10Х12НД	≤0,10	≤0,3	≤0,6	≤0,025	≤0,025	12,0–13,5	2,8–3,2	0,8–1,1	−	0,8–1,0 Cu
	06Х12Н3Д	≤0,06	≤0,3	≤0,6	≤0,025	≤0,025	12,0–13,5	2,8–3,2	−	−	0,8–1,1 Cu
	40Х13	0,35–0,44	≤0,8	≤0,8	≤0,025	≤0,025	12,0–14,0	−	−	−	−

		Таблица 6 . 2
	Назначение высокохромистых мартенситных сталей
	Маркастали	Примерыиспользования	Максимальная
			температура
			эксплуатации, °С
	І5Х11МФ, 15Х11МФ-Ш,	Корпусы цилиндров паровых и газовых турбин, горячие опоры
	15Х12ВНМФ, 15Х12ВНМФ-Ш,
		каркасов, рабочие и направляющие лопатки и бандажные ленты	550–580
	18X11МНФБ-Ш, 13X11Н2В2МФ,	диафрагм, диски и роторы газовых турбин и компрессоров
	13Х11Н2В2МФ-Ш
	12Х11В2МФ	Поверхности нагрева котлов, трубопроводы	550
	10Х12НД	Ободыдиафрагмпаровыхтурбин, деталирабочихколесгидротурбин	350
	06X12НЗД	Ободы и другие детали диафрагм паровых турбин. Деталирабочих	350
		колесгидротурбин. КорпусыглавныхциркуляционныхнасосовАЭС
119

сталях происходит при довольно низкой температуре, что обусловливает значительное искажение и напряженность структуры с повышенной плотностью дислокаций. В дополнение к этому наличие в стали карбида хрома, устойчивого и относительно трудно коагулируемого, приведет к дополнительному упрочнению мартенсита за счет блокирования частицами карбида имеющихся дислокаций.

Дополнительное повышение жаропрочности высоколегированных мартенситных сталей достигается введением карбидообразующих элементов (W, Mo, V, Ni). Эти элементы увеличивают дисперсность карбидной фазы и ее устойчивость к коагуляции, тем самым увеличивают эффект упрочнения и сохранения прочности при нагреве. Также при наличии этих элементов в стали образуется интерметаллидная фаза Fe3(W, Mo) в высокодисперсной форме. Ее выделение происходит по дефектам кристаллического строения в мартенсите, что при нагреве дает дополнительное устойчивое упрочнение. Наряду с положительным влиянием Mo, V и W на жаропрочность необходимо учитывать, что эти элементы стабилизируют α-фазу, сужая γ-области и связывая углерод в карбиды. Ферритостабилизирующие элементы способствуют в процессе охлаждения формированию в структуре 11–12%-ных хромистых сталей наряду с мартенситом некоторого количества δ-феррита.

Для повышения устойчивости γ-фазы, расширения γ-облас- ти и уменьшения количества феррита в легированные стали иногда вводят небольшое количество никеля. Это позволяет одновременно уменьшить критическую скорость охлаждения и снизить температуру мартенситного распада, получая некоторое повышение прочности.

В связи с этим рассматриваемые в данной главе некоторые марки высоколегированных термически упрочняемых сталей условно отнесены к мартенситным. Принятая градация сталей по структуре сделана в основном с учетом содержания Cr. В результате этого все марки сталей с 11–12 % Cr отнесены к мартенситным, с 13–14 % Cr – к мартенситно-ферритным.

120