Общая характеристика мартенситных сталей (сталей мартенситного класса)
Хромистые мартенситные стали (табл. 1) имеют в основном повышенное содержание углерода, некоторые из них дополнительно легированы никелем, молибденом и другими элементами. Углерод и никель расширяют γ-область и способствуют полному γ→α(м)-превращению в процессе охлаждения. Ферритообразующие элементы (молибден, вольфрам, ванадий, ниобий) вводят для повышения жаропрочности сталей.
Если обычные 11-12%-ные хромистые стали обладают высокой прочностью до 500 °С, то стали, дополнительно легированные карбидообразующими элементами, обладают высокими прочностными характеристиками до 650 °С, что позволяет их использовать для изготовления современного энергетического оборудования (табл. 2). Молибден и вольфрам, кроме того, устраняют развитие хрупкости в процессе длительной эксплуатации хромистых сталей при высоких температурах.
Повышенная склонность мартенситных сталей к хрупкому разрушению в закаленном состоянии усложняет технологию их сварки. Содержание углерода в мартенситных сталях, как правило, >0,10 %, поэтому в сварго разных соединениях возможно образование холодных трешин (ХТ) из-за высокой тетрагональности образуюшегося в процессе охлаждения мартенсита. При снижении содержания углерода вязкость мартен сита повышается, однако возникает опасность образования структурно-свободного феррита, который, в свою очередь, является причиной высокой хрупкости, не устраняемой к тому же термическим отпуском. Поэтому трещины на сварных соединениях мартенситных сталей могут наблюдаться в процессе непрерывного охлаждения, и после охлаждения дo нормальной температуры вследствие замедленного разрушения.
Для высокохромистых сталей температура начала мартенситного превращения (Тм.н.) ≤360 °С, а окончания (Тм.к.) 240 °С. С увеличением содержания углерода точки Тм.н. и Тм.к. еще более понижаются, что приводит к возрастанию твердости мартенсита и его хрупкости. Учитывая это, а также необходимость обеспечения высокой пластичности, ударной вязкости и стойкости против хрупкого разрушения, содержание углерода в хромистых мартенситных сталях ограничивают до 0,20%.
Для предотвращения образования холодных трещин мартенситные стали сваривают при температуре воздуха ≥0 °С и применяют предварительный и сопутствующий подогрев до 200-450 °С. Температура подогрева назначается в зависимости от склонности стали к закалке. И в то же время температура подогрева не должна быть слишком высокой, так как это может привести к отпускной хрупкости вследствие снижения скорости охлаждения металла в ОШЗ в интервале температур карбидообразования.
Сварка мартенситных сталей
Высокий подогрев, как и сварка с большой погонной энергией, приводит к перегреву околошовного металла, росту зерна, сегрегациям примесей на границах зерен, способствуюших охрупчиванию сварных соединений. Лучшие свойства достигаются при подогреве в интервале Тм.н. и Тм.к. c подстуживанием после сварки до Тм.к. , но ≥100 °C.
До термической обработки рекомендуется не подвергать сварные соединения каким либо нагрузкам, кантовать и транспортировать (табл. 3). В частности, термообработку сварных стыков труб при сооружении трубопроводов нужно выполнять дo холодного натяга трубопровода, т.e. дo сборки и сварки замыкающего сварного шва.
Многие из выше перечисленных недостатков в свариваемости мартенситных сталей нe присуще малоуглеродистым хромистым сталям, дополнительно легированным никелем. Мартенсит, образующийся при закалке хромоникелевой стали 06Х12Н3Д c низким содержанием углерода, отличается высокими вязкостью и пластичностью, нe приводит к холодным трещинам на сварных соединениях.
Высокие пластические свойства малоуглеродистого мартенсита способствуют получению надежных сварных соединений, прежде всего пpи сварке без подогрева. Но чувствительность сварных швов к водородной хрупкости делает необходимым сварки такиех сталей с предварительным подогревом до примерно 100 °C. Улучшению свариваемости таких сталей способствует также остаточный аустенит. Но для достижения максимальных значений пластичности, прочности и ударной вязкости рекомендуется охлаждать сварные соединения мартенситных хромоникелевых сталей дo нормальной температуры для полного γ→α-превращения, a затем подвергать термическому отпуску, чтобы снять остаточные напряжения.
Среди методов, применяемых для сварки изделий из мартенситных сталей, наиболее распространена ручная дуговая сварка (РДС) покрытыми электродами, обеспечивающими получение сварных швов, по химическому составу близких к основному металлу (табл. 4). Находят также применение способы: автоматическая дуговая сварка под флюсом (АДС), аргонодуговая сварка (АрДС) и электрошлаковая сварка (ЭШС).