Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,564

A METHOD FOR IMPROVING THE RESISTIBILITY OF HIGH-ALLOY (AUSTENITIC) STEEL HOT CRACKS DURING WELDING

Islamkulove K.M. 1 Smagulove D.U. 2
1 South Kazakhstan State University named after Auezov M.
2 Kazakhstan National Technical University named after K. Satbayev
1002 KB
Austenitic steel having a high resistance to corrosion and acid resistance are widely used in the chemical industry. Hot cracks may be formed in welding. One of the reasons for hot crack occurrence is due to the high content (level) (more than 8 %.) of ferrite in the weld structure. A technology removing the condition for hot cracking in the weld was developed. The electrode for arc welding of austenitic steel which provides ferrite maintenance in the weld structure within 3–5 % was selected. The ferrite, being on the austenite crystals’ boundaries limits their growth which is positively reflected in the resistance of hot cracking in the weld joint. The technology of austenitic steel weld joints processing, which does not only remove hot crocking but also increases weld longevity at low temperature.
weld
resistance
crack
structure
steel
corrosion-resistance

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).