12.02.2018

Послесварочная термическая обработка мартенситных нержавеющих сталей


Послесварочная термическая обработка (PWHT) практически всегда требуется для мартенситных нержавеющих сталей. Даже при содержании углерода 0,1 % твердость в сварном соединении после сварки может составлять 30-35 HRC. Послесварочная термическая обработка используется в основном для отпуска мартенсита, но она также обеспечивает некоторое снятие сварочных напряжений. Эта обработка выполняется в диапазоне температур от 480 до 750 °C (от 895 до 1380 °F), однако иногда используют и пониженную температуру — 200 °C (390 °F). Если отпуск производят при температуре ниже 480 °C (900 °F), то не наблюдается снижения твердости, хотя такие температуры позволяют улучшить пластические свойства и стабильность размеров деталей после механической обработки. Время термической обработки зависит от толщины свариваемых деталей, и обычно оно составляет от 30 мин до 2 ч.

В основном цель выполнения послесварочной термической обработки сварных соединений из мартенситных нержавеющих сталей - произвести отпуск мартенсита. При этом очевидно, что мартенсит должен существовать при температуре отпуска. В качестве примера рассмотрим наплавку валков из нержавеющей стали марки 420 посредством сварки под флюсом. Это следует выполнять при использовании предварительного подогрева и температуре между проходами в интервале от 305 до 425 °C (от 600 до 800 °F), которая выше значения Ms. Таким образом, после выполнения сварки в металле шва отсутствует мартенсит: шов является аустенитным и может оставаться аустенитным в течение недели и более. Ho если валок будет помещен в печь перед тем как он охладится, то послесварочная термическая обработка будет проводиться на аустените. При этом могут наблюдаться два явления. Во-первых, если послесварочная термическая обработка проведена при температуре 565 °C (1050 °F) в течение 2 ч для достижения твердости 30 HRC (с целью облегчения обработки резанием), то, согласно рис. 4.2, при выгрузке валка из печи в структуре металла будет присутствовать аустенит. Кривая изотермического превращения аустенита стали марки 420 практически такая же, как и стали марки 410, показанная на рис. 4.2, но с меньшим значением Ms. Затем при охлаждении этот аустенит превратится в свежий мартенсит, и твердость металла достигнет значения 45 HRC, что неблагоприятно может повлиять на дальнейшую механическую обработку. Во-вторых, если выдержка при такой температуре составит более длительный промежуток времени (примерно 16 ч), то аустенит может превратиться при этой температуре в феррит и карбиды, в результате чего твердость может иметь значение ниже 20 HRC или приблизительно 90 HRB. Механическая обработка валка, конечно, не составит затруднений, однако продолжительность его работы будет низкой вследствие низкого значения твердости металла. Поэтому важно обеспечить возможность мартенситного превращения после сварки, после чего следует выполнять послесварочную термическую обработку. Обычно это означает охлаждение до температуры приблизительно 100 °C (210 °F) перед началом термической обработки,
С учетом металлургического процесса отпуск обеспечивает превращение мартенсита в феррит и мелкодисперсные карбиды. Такое превращение понижает прочность, но повышает пластические свойства и ударную вязкость. Если при промежуточных температурах образуются карбиды помимо карбидов хрома, то может произойти упрочнение металла, снижающее эффект разупрочнения за счет превращения мартенсита. Это позволяет получить для низкоуглеродистого металла сварного шва, содержащего помимо хрома другие легирующие элементы, твердость и прочность высокоуглеродистого основного металла, если используется правильный режим послесварочной термической обработки.
Такой пример показан на рис. 4.13 (температура по оси абсцисс отложена в градусах по Фаренгейту), Обращает на себя внимание вторичное упрочнение при температуре 480 °C (900 °F) и более плавное снижение твердости стали марки 423 L по сравнению с высокоуглеродистой сталью марки 420. Такое плавное снижение твердости желательно, если послесварочная термическая обработка используется с целью получения оптимальной твердости для обработки резанием и/или для соблюдения требований эксплуатации, Для металла валков при использовании механической обработки часто требуется твердость от 30 до 35 HRC. Сталь марки 423L с вторичными характеристиками упрочнения попадает в этот желательный интервал твердости в значительно более широком диапазоне температур термической обработки по сравнению со сталью марки 420. Это может быть важно на производстве, поскольку печь может сразу загружаться группой валков и не каждый валок будет подвергаться послесварочной термической обработке при одной и той же температуре в течение всего времени термической обработки (в печах имеется градиент температуры по рабочему пространству). Следует уделять внимание тому, чтобы не передержать высокохромистые стали в нагретом состоянии, так как в феррите возможны выделения сигма-фазы, которые приводят к охрупчиванию металла.

Для полной оптимизации свойств металла шва по отношению к основному металлу все сварное соединение необходимо подвергнуть гомогенизирующей термической обработке (SHT) (дословно — термической обработке раствора) с последующей закалкой и отпуском. Этот вид термической обработки полностью восстановит аустенит во всех участках металла шва и ЗТВ, приведет к превращению основной части или полностью феррита в металле шва и ЗТВ и обеспечит после закалки равномерную мартенситную структуру. Отпуск различного характера следует применять для достижения прочности, пластичности и ударной вязкости. К сожалению, этот подход плохо реализуется на практике, что обусловлено габаритами сварных конструкций и проблемами с их транспортировкой. Кроме того, такая термическая обработка может привести к значительным деформационным искажениям крупногабаритных и/или сложных по форме конструкций.

Обычно диапазон температуры нагрева при отпуске составляет от 480 до 750 °C (от 900 до 1380 °F). В пределах этого диапазона твердость мартенсита понижается в зависимости от времени, причем отпуск происходит более быстро при более высоких температурах. Влияние отпуска на твердость стали 12Сr—1Mo, распределение которой в состоянии после сварки показано на рис, 4.9, представлено на рис. 4.14. График составлен с использованием параметра Ларсона—Миллера (Larson— Miller) для объединения температуры и времени в единственную переменную. ЗТВ на графике соответствует области 2 (см. рис. 4.9), в которой отмечается максимальная твердость в состоянии после сварки. Следует отметить, что нагрев до температуры ниже 600 °C (1110 °F) при отпуске не эффективен, поскольку понижается твердость и практически отсутствует разница в твердости в зоне расплавления шва сварного соединения, выполненного дуговой сваркой в защитном газе без присадки, и в ЗТВ.





Яндекс.Метрика