Коррозионно-стойкая сталь 12Х18Н10Т

Характеристика и особенности элекрошлаковой сварки стали 12Х18Н10Т: хромоникелетитановая аустенитная сталь 12Х18Н10Т получила наибольшее распространение в промышленности ввиду возможности успешного использования ее в разнообразных эксплуатационных условиях. Она обладает высокой коррозионной стойкостью в ряде жидких сред, устойчива против межкристаллитной коррозии после сварочного нагрева, сравнительно мало охрупчивается в результате длительного воздействия высоких температур и может быть применена в качестве жаропрочного материала при температурах ~600° С. Будучи высокопластичной в условиях глубокого холода, эта сталь используется в установках для получения жидкого кислорода.

Сварные швы конструкций, работающих в контакте с агрессивными жидкостями, должны прежде всего обладать стойкостью против межкристаллитной коррозии.

Применяемые для электрошлаковой сварки пластинчатые электроды из горячекатаных листов содержат не менее 0,10% С. При таком содержании углерода ввиду замедленного охлаждения, характерного для электрошлаковой сварки, возможно появление склонности шва к межкристаллитной коррозии. Этому способствует также крупнокристаллическое строение металла шва.

При использовании фторидных флюсов окисление титана, содержащегося в электроде, невелико и не превышает 20%. Однако даже небольшое уменьшение концентрации титана в шве при содержании 0,1% С влечет за собой снижение коррозионной стойкости. Поэтому при электрошлаковой сварке рекомендуется применять электроды из сталей с пониженным содержанием углерода, с тем чтобы концентрация его в шве не превышала 0,08%. Если его концентрация в основном металле равна 0,12%, необходимо применять пластинчатый электрод, содержащий не более 0,03% С.

Рост зерна в околошовной зоне не снижает механических свойств сварного соединения, однако он крайне нежелателен с точки зрения коррозионной стойкости околошовной зоны, особенно на участке, непосредственно примыкающем ко шву. При нагреве свариваемого металла до температур, превышающих 1200-1250° С, карбиды титана растворяются в аустените. При последующем замедленном охлаждении, особенно в интервале критических температур (875-450° С), способных вызвать распад твердого раствора, происходит выпадение карбидной фазы по границам зерен аустенита и обеднение пограничных областей последних хромом. В результате свариваемый металл приобретает склонность к межкристаллитной коррозии. Для ее предотвращения при электрошлаковой сварке необходимо применять сталь 12Х18Н10Т со строго контролируемым химическим составом: содержание углерода в ней не должно превышать 0,06%, соотношение содержаний титана и углерода Ti/C должно быть не менее 7.

Другим средством устранения склонности к коррозии сварного соединения у линии сплавления служит нагрев в течение 3-4 ч при 850-900° С с охлаждением на воздухе.

Сталь и электрод в состоянии поставки (после закалки в воду. от 1100° С) обычно имеют почти чистоаустенитную структуру с очень небольшим количеством, не более 1%, б-феррита. Металл шва вследствие дендритной ликвации содержит до 7,5% б-феррита. Это приводит к резкому снижению ударной вязкости в условиях глубокого холода.

Сварные швы на стали 12Х18Н10Т заметно уступают основному металлу в пластичности, что объясняется дендритной ликвацией углерода. Причиной пониженной ударной вязкости сварных швов является недостаточная стабильность аустенита при сверхнизких температурах. В условиях глубокого холода возможен распад аустенита по схеме А — М или А — а + К», где А — аустенит, М — мартенсит, а — вторичный феррит, К» — вторичные карбиды. Наличие небольшого количества первичного феррита в данном случае не имеет решающего значения. Об этом свидетельствуют результаты следующих опытов. Часть образцов подвергли закалке на воздухе после часового нагрева при 1080°, С, благодаря чему была ликвидирована дендритная ликвация углерода, но сохранена ферритная составляющая. Ударная вязкость шва повысилась в 2 раза (данные ниже).

Наличие закалки шва после сварки (an (МДж/м2) при различной температуре °С):

Нет — при 20 °С = 1,81; при -196 °С = 0,54

Есть — при 20 °С = 3,5; при -196 °С = 1,03

Таким образом, повышение ударной вязкости сварного шва на стали 12Х18Н10Т можно достичь устранением дендритной ликвации углерода путем высокотемпературного нагрева. В данном случае может быть применена и местная термообработка швов.

Более простое средство повышения ударной вязкости металла шва — увеличение содержания никеля в шве до 12-14%, что обеспечивает стабильную аустенитную структуру. Чтобы получить шов с таким содержанием никеля, можно использовать электроды из стали типа Х23Н18. В этом случае сварные швы без термообработки сохраняют достаточно высокую ударную вязкость в условиях глубокого холода. В случае, когда сталь 12Х18Н10Т применяется в качестве жаропрочного материала, необходимо ограничивать содержание в шве первичного феррита 5%. Это предотвращает опасность превращения δ —  σ в сварном шве и обеспечивается использованием пластинчатых электродов из стали 12Х18Н10Т. Наиболее высокие показатели жаропрочности швов достигаются при повышенном содержании углерода и карбидообразуюших элементов — титана и ниобия (таблица ниже).

В случае отсутствия стали с повышенным содержанием углерода применяют электроды с содержанием 0,07-0,08% С и дополнительно науглероживают металл шва, например, путем подачи крупки древесного угля или графита на поверхность шлаковой ванны тотчас после ее наведения. При сварке металла сечением 100 X 100 мм достаточно подать 1,7 г крупки размером 1-3 мм. Содержание углерода в шве может быть увеличено также за счет введения в шлаковую ванну 10% массы шлака смеси Na2C03 (82-86%) и SiC (14-18%) или применения составного электрода из сталей 12Х18Н10Т и углеродистой.

Швы стали 12Х18Н10Т отличаются грубой столбчатой макроструктурой. Литой металл шва содержит ферритную составляющую, обусловленную дендритной ликвацией. Под воздействием глубокого холода в основном металле и сварном швевозрастает количество ферромагнитной составляющей. Так, например, в стали 12Х18Н10Т, имеющей в состоянии поставки 2,5 — 3% феррита после 30 мин пребывания в жидком азоте (-196° С), количество магнитной составляющей возрастает до 7-9% (при комнатной температуре), а в сварном шве соответственно 7,5 — 8,5 и 10-12%.

Интересно отметить, что после воздействия глубокого холода в околошовной зоне наблюдается более мелкая структура, чем после сварки. Закалка разрушает столбчатую микроструктуру сварных швов и способствует некоторому растворению ферритной составляющей. Типичная для аустенитных сварных швов столбчатая макроструктура сохраняется.