Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,618

СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ (АУСТЕНИТНОЙ) СТАЛИ ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ

Исламкулов К.М. 1 Смагулов Д.У. 2
1 Южно-Казахстанский государственный университет им. М. Ауезова
2 Казахский национальный технический университет им. К. Сатпаева
Аустенитные стали, обладая высокой коррозионностойкостью и кислотостойкостью, широко применяются в химической промышленности. При сварке этих сталей могут образовываться горячие трещины в сварном шве. Выявлена одна из причин появления горячих трещин из-за высокого содержания феррита в структуре сварного шва более 8 %. Разработана технология, устраняющая условия образования горячих трещин в сварном шве. Подобран электрод для электродуговой сварки аустенитных сталей, который обеспечивает содержание феррита в структуре сварного шва в пределах 3–5 %. Феррит, располагаясь по границам аустенитных кристаллов, ограничивает их рост, что положительно отражается на сопротивляемость образованию горячих трещин в сварном соединении. Разработанная технология обработки сварных соединений аустенитной стали, которая не только устраняет образование горячих трещин, но и повышает долговечность сварных швов при низкой температуре.
сварной шов
сопротивляемость
трещина
структура
сталь
коррозионностойкость
1. Макаров Э.Л. Холодные трещины при сварке легированных сталей. – М.: Машиностроение, 1981. – С. 164–187.
2. Лившиц Л.С. Металловедение для сварщиков. – М.: Машиностроение, 1979. – С. 205–213.
3. Исламкулов К.М., Омаров А.К. Исследование хладостойкости сварных соединений стали 12Х18Н9Т работающие в диапазоне температуры – 70 до – 190 оС. Сб. науч.тр Всесоюзный науч. конф. /Прочность материалов и конструкции при низких температурах, Киев. – 1986. – ч. 1. – С. 47–49.
4. Исламкулов К.М. Разработка технологии повышения хладостойкости сварных соединений высоколегированных (аустенитных) сталей // Вестник КазНАЕН. – 2012. – №4. – С. 16–17.

Основная группа сталей аустенитного класса известна в мировой практике под наименованием сталей типа 18–10; в них содержится ~ 18 % Cr и 10 % Ni. Эти стали, обладая высокой коррозионностойкостью и кислотостойкостью, широко используются в химической промышленности.

При сварке аустенитных сталей могут обазовываться горячие трещины в металле шва, околошовной зоне и в зоне термического влияния (ЗТВ). Изыскания метода предотвращения образования горячих трещин при сварке аустенитных сталей является актуальной проблемой.

Цель исследования: разработать способ, предотвращающий образование горячих трещин при сварке аустенитных сталей.

Задачи исследования:

1. Разработать технологические параметры обработки сварных соединений аустенитных сталей.

2. Подобрать электроды, обеспечивающие трещиностойкость при электродуговой сварке аустенитных сталей.

Материалы и методы исследований

Материал: образцы из аустенитной стали 12Х18Н9Т толщиной 3 мм, шириной 20 мм и длиной 100 мм.

Электроды для электродуговой сварки аустенитных сталей.

Методы исследования: микроанализ, определение механических свойств сварных соединении, ультразвуковой метод контроля сварного шва.

Результаты исследования и их обсуждение

Одной из причин появления трещин является отсутствие при охлаждении после сварки фазовой рекристаллизации и сохранение первичных аустенитных зерен. Если в структуре шва имеется небольшое количество феррита (3–5 %), то стойкость к растрескиванию значительно возрастает, т.к. феррит нарушает сплошность аустенитных зерен, становится прослойкой между аустенитными кристаллами и изменяет транскристаллизацию. Следовательно, при сварке аустенитных сталей необходимо использовать электроды, которые позволяли бы получить в металле сварного шва небольшое количество феррита. Поэтому для оценки присадочных материалов часто определяют содержание феррита в металле шва металлографическим методом или определяют по уточненной диаграмме Шеффлера, по которой, зная состав металла сварного шва, можно определить его структуру [1]. Малое содержание феррита в структуре сварного шва обеспечивает более высокую вязкость металла, т.к. феррит, располагаясь по границам аустенитных зерен, ограничивает их рост. Высокое же содержание феррита (более 8 %) способствует выделению интерметаллических соединений на базе железа и хрома, обладающих очень высокой твердостью и хрупкостью, что приводит к снижению ударной вязкости и пластичности стали [2].

Образцы из аустенитной стали 12Х18Н9Т были сварены ручной электродуговой сваркой различными электродами марок: ОЗЛ-8 (Св04Х19Н9), ЦЛ-11 (Св-08Х19Н10Б), 400/10у (Св-02Х19Н9). Режим электродуговой сварки: сварочный ток 120 А, диаметр электрода 3 мм. .

В дальнейшем сварные соединения подвергались 3-х кратному термоциклированию при температуре 1150 º–850 ºС. В процессе термоциклирования проводилась пластическая деформация (2–3 %). Нагрев до 1100–1150 ºС при термоциклировании проводился в струе ацетилено-кислородного пламени. Охлаждение до 820–850 ºС осуществлялось на воздухе. Температура контролировалась термопарой (хромель-алюмель), зачеканеной в сварной шов [3, 4].

Возможность образования горячих трещин в сварном шве у исследуемых образцов определялась ультразвуковым дефектоскопом марки ДУК-13ИМ с частотой ультразвука, излучаемого наклонным искателем 2,5 МГц.

Сварные образцы, прошедшие обработку по схеме пластическая деформация (ПД) в процессе термоциклирования (ПД + ТЦО), были подвергнуты микроструктурному анализу (реактив для микроанализа аустенитных сталей: 5 г хлорида железа, 30 мл соляной кислоты (1,19), 100 мл дистиллированной воды) и исследованию механических свойств (предел прочности (Gв), относительное удлинение (δ), твердость (HB), ударная вязкость.

Образцы сварных соединений из стали 12Х18Н9Т, обработанные по предлагаемой схеме ПД + ТЦО и обычной закалкой, были помещены в жидкий азот (-196 °С) и находились в течение 24 часов с целью определения хладостойкости сварного шва.

Микроанализ сварных соединений после традиционной обработки (закалки) позволил выявить, что независимо от марки электродов, формирующийся сварной шов неоднороден, имеет дендридное (столбчатое) строение. В переходном слое имеется ферритная зона, наличие ее согласуется с диаграммой Шеффлера и составляет порядка 8–10 %, т.е. выше допустимого.

Следовательно, сварной шов имеет ферритно-аустенитную структуру и резко отличается от структуры основного метала. Некоторые границы зерен металла утолщены в следствии выделения карбидов. Наличие в структуре сварного шва ферритной фазы, карбидных выделений, столбчатых кристаллов и возможность выделения интерметаллических соединений приводит к появлению горячих трещин pис. 1.

is1.tif

Рис. 1. Микроструктура сварного шва и приграничной зоны после закалки (справа – сварной шов, слева – приграничная зона)

После обработки по предлагаемой схеме ПД + ТЦО, происходит структурные изменения сварного шва и приграничных зон. Обнаружено, что в процессе обработки происходит измельчение зерен как сварного шва, так и прилегающего к нему участка основного металла, за счет одновременного воздействия механизмов фазовых превращении и пластической деформации pис. 2.

При температуре нагрева 1100–1150 °С происходит распад карбидных включений за счет их растворения в аустените, рассредотачивание примесных атомов и легирующих элементов. Ферритная фаза уменьшается в результате фазовых превращений при термоциклировании А↔Фδ и деформации, его содержание не превышает 5 % т.е. в пределах допустимого.

is2.tif

Рис. 2. Микроструктура сварного шва и приграничной зоны после обработки по схеме ПД + ТЦО (слева – сварной шов около 5 % феррита, справа – приграничная зона)

Изменение механических свойств сварных образцов из стали 12Х18Н9Т после различных видов термообработки и в зависимости от марки электродов приведены в таблице.

Вышеуказанные изменения в структуре сварного соединения согласуются с данными измерениями твердости и механических свойств по зонам шва. Так, твердость сварного шва после закалки независимо от марки электрода, имеет более высокие значения по сравнению с твердостью шва, обработанной по схеме ПД + ТЦО, но степень влияния типа электрода на твердость сварного соединения различна.

Из приведенных данных следует, что низкой твердостью и более высокой ударной вязкостью обладают сварные соединения, выполненные электродом 400/10у и обработанные по схеме ПД + ТЦО.

Механические свойства сварных соединений аустенитной стали.

№ п/п

Марка электрода

Вид

термообработки

Механические свойства

an

Дж/см2

МПа

б, %

НВ,

шов

НВ,

приграничн слой

НВ

ЗТВ

1

ОЗЛ-8

ПД+ТЦО

620

46

192

150

150

170

2

ЦЛ-11

ПД+ТЦО

630

41

196

154

160

160

3

400/10у

ПД+ТЦО

610

44

191

148

140

180

4

ОЗЛ-8

Закалка

630

32

200

174

162

90

5

ЦЛ-11

Закалка

610

30

203

191

175

80

6

400/1Оу

Закалка

650

38

210

185

181

100

Выводы

1. Структура сварного шва неоднородна по зонам после закалки, что не снижает ударную вязкость и условия образования горячих трещин.

2. У образцов сварных соединении, обработанных по схеме ПД + ТЦО, исключаются образования горячих трещин об этом свидетельствуют данные ультразвукового дефектоскопа, снижаются твердость, предел прочности, повышается пластичность и ударная вязкость более интенсивно по сравнению с традиционной обработкой-закалкой.

3. Сварные соединения, полученные тремя различными электродами (ЦЛ-11, ОЗЛ-8, 400/10у) и обработанные по схеме ПД + ТЦО лучшими механическими свойствами обладает шов, полученный электродом 400/10у. Он обеспечивает наличие δ феррита около 5 % в структуре сварного шва, который становится прослойкой между аутстенитными зернами и изменяет транскрисстализацию.

4. Предложенный способ обработки сварных соединении не требует дорогостоящего оборудования и технологически легко осуществим газоэлектросварщиком. Проведено промышленное испытание и внедрено на ПО «Новоиазот» (Узбекистан).


Библиографическая ссылка

Исламкулов К.М., Смагулов Д.У. СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ВЫСОКОЛЕГИРОВАННОЙ (АУСТЕНИТНОЙ) СТАЛИ ОБРАЗОВАНИЮ ГОРЯЧИХ ТРЕЩИН ПРИ СВАРКЕ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2014. – № 11-1. – С. 7-9;
URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=6063 (дата обращения: 17.12.2018).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252