(529.68 кб)

ВИАМ/2012-206037
Сварка высокопрочной коррозионностойкой
стали ВНС-72
В.И. Лукин
доктор технических наук
Н.М. Вознесенская
кандидат технических наук
В.Г. Ковальчук
Е.В. Голев
М.Л. Саморуков
Апрель 2012
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ РФ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем 30 научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в 4 филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья подготовлена для опубликования в журнале «Сварочное
производство», № 10, 2012 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Сварка высокопрочной коррозионностойкой стали ВНС-72
В.И. Лукин, Н.М. Вознесенская,
В.Г. Ковальчук, Е.В. Голев, М.Л. Саморуков
Всероссийский институт авиационных материалов
Выбраны режимы автоматической и ручной аргоно-дуговой сварки,
присадочные
материалы.
Приведены
результаты
исследования
технологических и механических свойств, а также структуры сварных
соединений.
Ключевые слова: аргоно-дуговая сварка, термическая обработка,
горячие трещины, прочность, ударная вязкость, коррозионная стойкость.
The conditions of the automatic and manual argon-arc welding and adding
materials are selected. The research results of the technological and mechanical
properties as well as of the structure of welded joints are given.
Key words: argon-arc welding, heat treatment, hot cracks, strength, dynamic
ductility, corrosion stability.
Введение
Высокопрочные стали применяют в конструкциях авиакосмической
техники,
где
важно
уменьшение
массы.
Основные
требования,
предъявляемые к сталям такого типа, следующие: необходимая прочность,
достаточная пластичность, хорошие ударная вязкость и свариваемость,
повышенная усталостная прочность, а для коррозионностойкой стали –
высокая коррозионная стойкость.
Одним из наиболее эффективных способов повышения прочности
коррозионностойкой стали является использование в качестве основного
легирующего элемента азота, способного полностью или частично заменить
в этих сталях Ni, Сu, Мо, Мn, поскольку он обладает сильной способностью
стабилизировать аустенит, превосходит другие легирующие элементы по
упрочняющей способности и отличается низкой стоимостью. В связи с этим
актуальна разработка нового поколения экономнолегированных специальных
азотсодержащих сталей, в том числе со сверхравновесным содержанием
азота [1, 2].
Согласно тройной диаграмме железо–хром–азот, в высокохромистых
сталях, легированных азотом, образуются нитриды хрома и карбонитридные
фазы [3]. Из диаграммы следует, что азот не только создает нитриды, но и
вызывает
α↔γ-превращение.
Он
увеличивает
в
низкоуглеродистых
высокохромистых сталях устойчивость аустенитной структуры, расширяет
область существования γ-фазы по температуре и концентрации и сужает
область существования δ-феррита, охрупчивающего сталь.
ВИАМ
совместно
с
ИМЕТ
им.
А.А.
Байкова
РАН
разработал
коррозионностойкую сталь 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72) переходного (аустенитномартенситного) класса с пределом прочности σв=1700–1750 МПа, содержанием
азота, превышающим равновесное, являющуюся перспективным материалом
для высоконагруженных сварных конструкций.
Методика проведения исследований
Образцы для исследований изготовляли из прессованного прутка
сечением 150×150 мм. Часть прутка ковали на сутунки, прокатывали на
листы толщиной 16 и 3 мм. Лист толщиной 3 мм резали на заготовки для
исследования стойкости против образования горячих трещин и на «лапшу»
для сварки. На заготовках толщиной 16 мм механически обрабатывали
кромки под сварку (U-образная разделка), выполняли ручную аргонодуговую
сварку
с
присадочными
материалами
для
исследования
механических свойств, коррозионной стойкости и структуры. В качестве
присадочных материалов для сварки стали ВНС-72 выбраны промышленные
сварочные
проволоки
Св-06Х13Н6М4К8Б
(ЭК43),
Св-08Х14Н7КВМ,
Св-09Х14Н8М2 (ЭП509), а также «лапша» из стали 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72).
Испытания на стойкость против образования горячих трещин проводили
по методике ЛТП 1-6 [4, 5], согласно которой деформация образцов в
процессе сварки производится растяжением металла шва. В качестве
критерия используется максимальная (критическая) скорость деформации
v кр , при которой в образце не образуется трещина. Режим сварки: ток сварки
150–160 А, скорость сварки 12 м/ч, расход аргона 8–9 л/мин.
Ручную аргоно-дуговую сварку стали ВНС-72 толщиной 16 мм с
присадочными материалами осуществляли неплавящимся вольфрамовым
электродом током прямой полярности на режиме: сварочный ток 160–180 А,
расход аргона 6–7 л/мин.
Заполнение разделки производили в 6–7 слоев, рассмотрены также
технологические варианты сварки с присадкой из стали ВНС-72:
– послойное охлаждение в процессе сварки, имитирующее перерывы в
работе;
– заполнение разделки с меньшим количеством слоев (4–5) и
повышенным тепловложением (ток сварки при этом составлял ~200 А);
– подварка зоны сварного шва после механической разделки до
половины высоты шва.
Сварные образцы термически обрабатывали по режиму основного
материала: закалка, обработка холодом, низкий отпуск.
Исследовали характеристики прочности при 18–20°С и ударной вязкости
при 20 и -70°С.
Структурные исследования сварных соединений проводили методом
металлографии с помощью оптического микроскопа Olimpus GX51. Для
выявления структуры использовали электролитический метод в 10%-ном
растворе щавелевой кислоты. Проведен фрактографический анализ изломов
образцов после испытаний на ударный изгиб при температуре -70°С на
сканирующем электронном микроскопе JSM-6490LV.
Исследовали твердость по зонам сварных соединений.
Склонность сварных соединений стали ВНС-72, выполненных аргонодуговой
сваркой
с
присадочными
материалами,
к
коррозионному
растрескиванию в 3%-ном растворе NaCl при 35°С в камере соляного тумана,
а также в условиях умеренного морского климата (Геленджикский центр
климатических испытаний им. Г.В. Акимова) исследовали при приложенном
напряжении 980 МПа.
Результаты исследований и их обсуждение
Испытания на стойкость против образования горячих трещин сварных
соединений показали высокий уровень критической скорости деформации v кр
в процессе с присадками:
– Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43) – 7,2 мм/мин;
– Св-08Х14Н7КВМ – 6,8 мм/мин;
– Св-09Х14Н8М2 (ЭП509) – 6,2 мм/мин;
– 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72) – 6,2 мм/мин.
Механические
выполненных
свойства
ручной
сварных
АрДЭС
с
соединений
стали
промышленными
ВНС-72,
присадочными
материалами, после упрочняющей термической обработки приведены
в табл. 1.
Таблица 1.
Присадочный материал
Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43)
Cв-08X14H7КBM
Cв-09X14H8M2 (ЭП509)
Предел прочности
σ в , МПа
1135
1230
1290
Ударная вязкость, Дж/см2
20
KCVшов
−70
KCVшов
120
75
70
105
75
65
o
o
o
20
KCVл.с.
95
95
–
Испытания на растяжение при 18–20°С сварных образцов с присадками
Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43), Св-08Х14Н7КВМ и Св-09Х14Н8М2 (ЭП509)
показали средние значения кратковременной прочности – σсв.с =1135–1290 МПа,
что составляет 0,67–0,76 прочности основного материала (коэффициент
ослабления K=σ св.с/ σ о.м ; σ о.м =1700 МПа). Образцы имели вязкие чашечные
изломы по сварному шву. Испытания на ударный изгиб сварных образцов с
указанными присадками при 18–20°С показали высокие значения ударной
20
вязкости – KCVшов
=70–120 Дж/см2. Испытания при температуре -70°С
o
выявили незначительное снижение значений ударной вязкости по сравнению
со значениями, полученными при 20°С –
−70
=65–105 Дж/см2.
KCVшов
o
Разрушенные образцы имели вязкие изломы с широкими боковыми
участками среза.
Применение присадки из стали 15X15Н4ГАМ (ВНС-72) позволило
получить более высокую прочность сварных соединений – σсв.с=1410–1505 МПа,
что составляет 0,83–0,89 прочности стали (табл. 2). Изломы образцов после
испытаний на растяжение малопластичные.
Таблица 2.
Вариант технологии
Предел прочности
σ в , МПа
Непрерывная сварка в 6–7 слоев
Сварка с послойным охлаждением
Непрерывная сварка в 4–5 слоев
Подварка по шву
1505
1410
1440
1475
Ударная вязкость, Дж/см2
20
KCVшов
−70
KCVшов
60
–
–
55
50
40
20
40
o
o
o
20
KCVл.с.
90
–
–
–
При использовании присадки из основного материала ударная вязкость
образцов ниже, чем промышленных сварочных проволок, но имеет
20
удовлетворительные значения как при 18–20°С – KCVшов
=55–60 Дж/см2, так
o
−70
и при отрицательной температуре – KCVшов
=40–50 Дж/см2, и достаточно
o
вязкие
изломы,
за
исключением
варианта
сварки
с
повышенным
−70
тепловложением – KCVшов
=20 Дж/см2.
o
Испытания образцов по линии сплавления выявили близкие значения
ударной вязкости и более высокие, чем по сварному шву, при использовании
всех присадок за исключением присадки ЭК43 (см. табл. 1, 2).
Согласно данным табл. 1 и 2, механические свойства сварных соединений
из стали ВНС-72 определяются содержанием углерода в присадочном
материале.
Исследовали структуры сварных соединений стали ВНС-72 толщиной
16 мм, выполненных аргоно-дуговой сваркой с присадочными материалами,
в том числе с подваркой. Структура сварных швов после сварки без
упрочняющей термической обработки аустенитно-мартенситная с карбидами
по границам аустенитных кристаллов (рис. 1). После упрочняющей
термической обработки структура сварных швов мартенситная с некоторым
количеством аустенита, которой соответствуют полученные значения
прочности сварных соединений. В зоне подварки структура однородная,
дисперсная, дефекты отсутствуют (рис. 2).
Рисунок 1. Структура сварных швов без термической обработки (×200):
а–г – Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43), Св-08Х14Н7КВМ,
Св-09Х14Н8М2 (ЭП509) и 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72), соответственно
Рисунок 2. Структура подварки с присадкой из стали 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72) (×200):
а – без термической обработки; б – после упрочняющей термической обработки
При использовании присадки из стали ВНС-72 в нижней части сварных
швов в состоянии без термической обработки наблюдаются значительные
выделения
карбидов
по
границам кристаллитов
вследствие
нагрева
нижележащих слоев при сварке последующих. После термической обработки
выделения отсутствуют в связи с растворением при температуре закалки
(рис. 3).
Рисунок 3. Структура нижней части сварного шва при использовании
присадки из стали 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72) (×200): а, б – см. рис. 2
Результаты исследования твердости по зонам сварных соединений
показали максимальные значения этого показателя в шве при использовании
в качестве присадки стали ВНС-72 как после сварки, так и после термической
обработки (рис. 4).
Рисунок 4. Распределение твердости по зонам сварных соединений:
а, б – см. рис. 2; 1 – Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43); 2 – Св-08Х14Н7КВМ;
3 – Св-09Х14Н8М2 (ЭП509); 4 – 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72)
Твердость металла шва в месте подварки после сварки без термической
обработки незначительно повышается с 35–37 до 39 ед. После проведения
упрочняющей термической обработки твердость по всему сварному шву
одинаковая и составляет 46–47 ед.
Проведенный фрактографический анализ изломов ударных образцов после
испытаний на ударный изгиб при температуре -70°С показал, что при
использовании присадок Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43) и Св-08Х14Н7КВМ
изломы имеют бугорчатое строение (рис. 5). Разрушение происходит по
механизму ямочного разрыва, наблюдается чередование крупных и мелких
ямок. В случае присадки ЭК43 размер мелких ямок больше, на поверхности
крупных ямок видны более четкие следы пластической деформации, что
свидетельствует о большей способности материала тормозить разрушение.
При
применении
присадочного
материала
Св-09Х14Н8М2
(ЭП509)
разрушение внутризеренное, основной рельеф составляют ямки среднего
размера. Использование присадочного материала из стали ВНС-72 приводит к
внутризеренному, смешанному разрушению: наблюдаются хрупкие фасетки и
ямки различного размера. После подварки этой же присадкой выявлены
значительная доля мелкоямочного рельефа и отсутствие крупных ямок.
Рисунок 5. Фрактографический анализ изломов сварных образцов
после испытаний на ударный изгиб при температуре -70°С: а–г, е –×1000;
д – ×2000; а – Св-06Х13Н6М4К8Б (ЭК43), строение крупных ямок; б – Св-08Х14Н7КВМ,
ямки разного размера; в – Св-09Х14Н8М2 (ЭП509), ямки среднего размера;
г–е – 15Х15Н4ГАМ (ВНС-72), соответственно, крупные и мелкие ямки,
хрупкие фасетки, мелкие ямки
Проведенные исследования склонности сварных соединений из стали
ВНС-72,
выполненных
аргоно-дуговой
сваркой
с
присадочными
материалами, в том числе с подваркой по сварному шву, к коррозионному
растрескиванию в камере соляного тумана с приложенным напряжением
980 МПа в течение 6 мес, а также в условиях умеренного морского климата
показали отсутствие коррозионных повреждений.
Выводы
Результаты
исследования
коррозионностойкой
стали
сварных
15Х15Н4ГАМ
соединений
(ВНС-72)
высокопрочной
показали,
что
технологические и механические свойства определяются содержанием
углерода в присадочном материале.
Аргоно-дуговая сварка с промышленными сварочными проволоками с
содержанием 0,06–0,09% углерода позволяет получить сварные соединения с
прочностью 0,67–0,76 прочности стали.
Аргоно-дуговая сварка с присадкой из стали ВНС-72 обеспечивает
получение сварных соединений прочностью 0,83–0,89 прочности стали, в том
числе с подваркой по зоне шва, удовлетворительной ударной вязкостью и
высокой коррозионной стойкостью.
Список литературы:
1. Костина М.В., Банных О.А, Блинов В.М. Особенности сталей, легированных азотом //
Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. №12. С. 3–6.
2. Влияние
термической
обработки
на
структурные
превращения
и
свойства
высокоазотистых сталей / В.М. Блинов, А.В. Елистратов, А.Г. Колесников и др. //
Металловедение и термическая обработка металлов. 2000. №6. С. 19–24.
3. Королев М.Л. Азот как легирующий элемент стали. – М.: Металлургиздат, 1961.
162 с.
4. Якушин Б.Ф., Прохоров Н.Н., Новиков В.В. Машина для определения склонности
металлов к горячим трещинам при сварке // Автоматическая сварка. 1970. №10.
С. 47–49.
5. Прохоров Н.Н. Технологическая прочность сварных швов в процессе кристаллизации.
– М.: Металлургия, 1979. 248 с.