Металлургия сварки дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей

Согласно рис. 8.1 мартенситные и полуаустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали кристаллизуются с образованием первичного феррита по типу FA или F. Это также следует из диаграммы WRC-1992 непосредственно для стали 17-4РН. Однако диаграмма WRC-1992 не учитывает влияние алюминия или титана на хром-эквивалент, поэтому для оценки влияния этих элементов необходимо более четко проследить кристаллизацию других сталей, таких как 13-8Мо, 17-7РН (марка 631) или 635. Автор работы при изучении содержания феррита в закаленных отливках оценил влияние этих двух элементов на хром-эквивалент и нашел коэффициенты, равные 2,48 для алюминия и 2,20 для титана, соответственно. Это означает, что каждый 1 % алюминия добавляет 2,48, а 1 % титана добавляет 2,20 к хром-эквивалент. На рис. 8.4 представлена модифицированная диаграмма WRC-1992, построенная на основании указанных ранее изменений с нанесением на нее нескольких мартенситных и полуаустенитных нержавеющих сталей. Можно видеть, что все они кристаллизуются практически с образованием 100%-ного феррита. При охлаждении феррит в основном превращается в аустенит, но следует ожидать присутствия некоторого количества остаточного феррита при температуре окружающей среды. Следует обратить внимание, что модифицированная диаграмма WRC-1992 на рис. 8.4 может быть использована для прогнозирования характера кристаллизации, но не для окончательной структуры металла шва, так как большая часть аустенита превратится в мартенсит, как описано далее.

Оценка микроструктуры

Mикроструктурные превращения в мартенситных и полуаустенитных сталях могут происходить несколькими путями. Большинство сталей кристаллизуется с образованием феррита и к концу кристаллизации имеет полностью ферритную структуру или смешанную — феррито-аустенитную. Как отмечено ранее, большая часть феррита превращается в аустенит при повышенной температуре. При охлаждении до комнатной температуры аустенит полностью или частично превращается в мартенсит. Если такое превращение почти полное, то сталь классифицируется как мартенситная дисперсионно-твердеющая нержавеющая. Стали, в которых превращение неполное и сохраняется некоторая значительная доля остаточного, не превращенного аустенита, классифицируются как полуаустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали. В обоих случаях некоторое количество остаточного высокотемпературного феррита обычно остается в структуре при температуре окружающей среды.

В аустенитных сталях превращения при охлаждении значительно проще. В конце процесса кристаллизации микроструктура полностью аустенитная и аустенит остается стабильным при охлаждении до комнатной температуры. Вследствие превращений феррит-аустенит и аустенит—феррит, которые происходят в мартенситных и полуаустенитных сталях, обычно не наблюдается субструктура при кристаллизации сварных швов (ячейки или дендриты) в микроструктуре металла шва этих сталей. Аустенитные дисперсионно-твердеющие стали показывают очень четкую структуру кристаллизации, как отмечено в главе 6, для кристаллизации типа А.

Послесварочная термическая обработка

Сваривать дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали в состоянии после термической обработки твердого раствора до выпадения дисперсионных выделений — общепринятое явление. В таком состоянии эти стали достаточно твердые, но еще умеренно пластичные. Полуаустенитные и аустенитные дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали весьма пластичны и имеют низкую твердость. Поскольку металл сварного шва охлаждается быстро, в нем обычно не возникает выделений, поэтому в состоянии после сварки он незначительно отличается по составу микроструктуры и свойствам от основного металла после термической обработки твердого раствора. Однако металл шва не так однороден.

Как отмечалось в разделе 8.2, упрочняющая обработка для дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей может быть весьма сложной и требовать внимательного контроля для оптимизации свойств. Мартенситные стали после сварки обычно подвергаются одноступенчатой послесварочной термической обработке в диапазоне температур от 480 до 620 °C (от 900 до 1150 °F). Указанная термическая обработка отпускает мартенсит и обеспечивает дисперсионное твердение. При более высоких температурах послесварочной термической обработки свыше 540 °С (1000 °F) некоторое количество аустенита может вновь возникнуть в структуре.

Поскольку полуаустенитные стали могут содержать большую долю стабильного аустенита в структуре после сварки, термическую обработку обычно выполняют для выделения карбидов при повышенных температурах и придания аустениту меньшей стабильности. После охлаждения с таких температур аустенит превращается в мартенсит. При выдержке при более низких температурах от 730 до 760 °C (от 1345 до 1400 °F) превращается эффективно весь аустенит, в то время как при более высоких температурах от 930 до 955 °C (от 1705 до 1750 °F) некоторое количество аустенита может остаться в структуре при охлаждении до комнатной температуры. В таком случае используют обработку холодом для перевода всего аустенита в мартенсит. Холодная обработка может также использоваться для повышения температуры образования мартенсита и обеспечить мартенситное превращение при температуре выше комнатной, хотя это бывает редко применительно к сварным изделиям.

Аустенитные стали упрочняют в интервале температур от 700 до 750 °C (от 1260 до 1350 °F). Так как аустенит весьма стабилен, то не происходит изменений в микроструктуре при таких температурах либо при охлаждении до комнатной температуры. Как отмечалось ранее, эти стали обычно упрочняются за счет выделений гамма-прим фазы Ni3Ti.

Если дисперсионно-твердеющие нержавеющие стали перед сваркой получили отжит твердого раствора и если проведена полная упрочняющая обработка (включая обработку аустенита в полуаустенитных дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталях), прочность металла шва будет обычно на уровне основного металла, хотя пластичность может быть несколько ниже. Если основной металл подвергся полной упрочняющей обработке до сварки, то возможен риск образования трещины в процессе сварки. Мартенситные и полуаустенипше стали после старения на максимальную прочность имеют ограниченную пластичность и деформации, связанные с усадкой при сварке, могут быть достаточны для образования трещин вокруг сварного шва. Пластичность аустенитных дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей в полностью упрочненном состоянии несколько выше, чем у других сталей этого класса, но в целом при сварке также имеются серьезные проблемы, связанные с образованием трещин. Как следствие, нежелательно проводить сварку дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей в полностью упрочненном состоянии.

Сварку можно осуществлять в некотором перестаренном состоянии стали, поскольку в этом случае она имеет более высокую пластичность. Однако если такое выполнено, то сварной элемент не может быть подвергнут старению на полное упрочнение, поскольку термическая обработка твердого раствора производится после сварки вслед за обработкой аустенита для полуаустенитных сталей и повторного старения для всех типов дисперсионно-твердеющих нержавеющих сталей.