Сварка нержавеющих сталей
Считается, что нержавеющие стали обладают хорошей свариваемостью по сравнению со многими другими металлами и могут успешно свариваться различными методами при правильных настройках и условиях.
Аустенитные нержавеющие стали
Вообще говоря, аустенитные нержавеющие стали нечувствительны к растрескиванию после сварки. Поскольку они не закаливаются при охлаждении, они обладают хорошей вязкостью и пластичностью, при этом нет необходимости в термообработке до или после сварки. Однако при определенных обстоятельствах может возникнуть растрескивание либо в сварном (или присадочном) металле, либо в зоне термического влияния (ЗТВ).
Растрескивание металла сварного шва при затвердевании более вероятно в полностью аустенитных структурах, которые более чувствительны к растрескиванию, чем структуры, содержащие небольшое количество феррита. К полностью аустенитным маркам относятся марки 310, 320 и 330. Однако, поскольку наиболее широко используемые аустенитные нержавеющие стали на самом деле содержат небольшое количество феррита, на самом деле это не такая уж большая проблема, как кажется на первый взгляд! Например, сплав 316 будет содержать от 3% до 10% феррита. Фермоник 50 (ХМ-19, UNS S20910, 1.3964, Nitronic 50), Fermonic 60 (UNS S21800,Нитроник 60) иСплав 254(UNS S31254, 1.4547, 254SMO, 6Mo) также содержат небольшую долю феррита. Это небольшое количество присутствующей ферритной микроструктуры способно растворять примеси, которые могут привести к образованию междендритных трещин или сегрегаций с низкой температурой плавления. Они связаны с присутствием фосфора или серы, которые считаются посторонними элементами, поскольку они не добавляются намеренно, а вместо этого собираются из исходного лома, сырья и технологического процесса.
Присутствие углерода в аустенитных нержавеющих сталях может привести к межкристаллитной коррозии металла шва или ЗТВ после сварки. Карбиды хрома образуются на границах зерен аустенитных нержавеющих сталей в интервале температур 550–900 градусов. Это означает, что в областях, окружающих карбиды, содержание хрома теперь ниже, поскольку диффузия хрома внутри основного металла происходит очень медленно. Поэтому эти области с более низким содержанием хрома менее устойчивы к коррозии, и любая возникающая коррозия, скорее всего, начнется именно здесь. Это явление может быть вызвано температурой, возникающей во время сварки, и известно как сенсибилизация.
Более низкое содержание углерода снизит вероятность сенсибилизации после сварки. Поэтому доступны многие стандартные марки со значительно более низким содержанием углерода, такие какСплав 316Л(C < {{0}}},03%) по сравнению со сплавом 316 (C <0,08%).
В стабилизированных марках, таких как сплав 316Ti, используются добавки титана для улучшения свойств при повышенных температурах. Это также снижает сенсибилизацию, поскольку любой углерод, присутствующий в металле, предпочтительно будет соединяться с титаном, а не с хромом.
Наконец, если аустенитные нержавеющие стали подвергаются воздействию температуры 550-900°C в течение длительного времени, то из небольших количеств присутствующего феррита может образоваться вредная сигма-фаза. Ниже описан этот механизм для дуплексных нержавеющих сталей.
Дуплексные и супердуплексные нержавеющие стали.
Как и в случае с наиболее распространенными аустенитными нержавеющими сталями, присутствие некоторого количества феррита в микроструктуре может помочь ограничить вероятность образования горячих трещин во время сварки. Учитывая, что дуплексные и супердуплексные нержавеющие стали имеют почти равные пропорции аустенита и феррита, это, конечно, не является проблемой. Поэтому дуплексные стали легко свариваются, однако процедура сварки должна быть аттестована и контролироваться во избежание образования нежелательных микроструктур.
Основной проблемой дуплексных нержавеющих сталей является их склонность к образованию микроструктуры сигма-фазы в результате трансформации феррита. Это преобразование происходит в диапазоне различных температур и времени, что лучше всего демонстрирует диаграмма ТТТ (температура-время – преобразование). Сигма – это немагнитная интерметаллическая фаза, богатая железом и хромом. Области вокруг сигма-фазы будут содержать меньше хрома и, следовательно, будут иметь гораздо меньшую коррозионную стойкость. Кроме того, превращение феррита в сигму может привести к образованию пустот, которые приводят к появлению трещин и значительному снижению механической прочности и особенно ударной вязкости. Таким образом, превосходная коррозионная стойкость и механические свойства дуплексных и супердуплексных нержавеющих сталей полностью сводятся на нет при воздействии более высоких температур.
Диаграмма TTT предполагает, что Ferralium 255 (UNS S32550, F61, 1,4507) имеет немного менее вероятность образования Sigma, чем S32760 (F55, 1,4501, Zeron 100), S32750 (F53, 1,4410, SAF2507) или S32205 (F51, 1.4462, Duplex, Duplex, Duplex, Duplex, Duplex, Duplex, Duplex. ) оценки.
Чтобы избежать образования сигмы, необходимо контролировать условия сварки, чтобы ограничить время выдержки при температуре. Как показано на диаграмме ТТТ, относительно более короткие периоды времени при температуре 800-900°C или около нее могут образовывать сигма-фазу. Из-за относительно больших размеров основного металла по сравнению с площадью сварного шва тепло сварки обычно рассеивается довольно быстро. Более длительные периоды времени при более низких температурах могут в конечном итоге привести к той же микроструктурной трансформации. Поэтому при многопроходной сварке важно ограничить температуру сварного шва. Этого можно достичь за счет снижения тепловложения при сварке, обеспечения определенной степени охлаждения или паузы между проходами.
Другой основной проблемой при сварке дуплексных и супердуплексных нержавеющих сталей является поддержание сбалансированной микроструктуры аустенит: феррит. В области металла сварного шва обычно происходит потеря азота. Поскольку азот является стабилизатором аустенита, потеря азота из зоны сварного шва приводит к увеличению доли феррита, что приводит к потере механических и коррозионных свойств. Этого можно избежать, выбрав сверхлегированный присадочный металл, т.е. с большим процентом никеля (еще один стабилизатор аустенита), или используя азот в качестве самого защитного газа, чтобы металл сварного шва поглощал небольшое количество азота.
