Теоретически, для изготовления диафрагменной лопатки, при условии выполнения всех вышеперечисленных требований, возможно применение и других материалов. Например, высокохромистые стали того же класса, что и сталь 12Х13, но с другим химическим составом: 08Х13, 20Х13, 15Х11МФ, 15Х12ВМФ и др.; аустенитные стали с высоким содержанием никеля и марганца: ХН35ВТ, 09Х14Н19В2БР1 и др.; титановые сплавы. При выборе материала, для изготовления любой конструкции, обеспечивающего ее технологичность, необходимо учитывать экономический и технологический факторы. Учитывая экономический фактор данной задачи, сталь 12Х13 является одной из самых дешевых в своем классе высокохромистых сталей, т. к. чем выше степень легирования, тем выше цена стали и степень ее распространенности в промышленности. В химический состав других классов и сплавов входят никель и титан соответственно, которые являются стратегическими материалами, что обеспечивает им более высокую цену. Поэтому для обоснования выбора высокохромистой стали 12Х13 по технологическому фактору, рассмотрим еще несколько сталей из этого же класса. Возьмем стали обладающие одинаковым набором элементов в своем составе: 08Х13 и 20Х13. Химический состав (ГОСТ 5632–72) высокохромистых коррозионно-стойких сталей приведены в таблице 1. Механические свойства – таблица 2.
Таблица 1.
Марка стали
Класс
Содержание элементов
(остальное Fе), %
С
Сr
08Х13
Ферритный
< 0,08
12–14
12Х13
Ферритно – мартенситный
0,09–0,15
12–14
20Х13
Мартенситный
0,16–0,25
12–14
Таблица 2.
Марка стали
Механические свойства
Число твердости по Бринеллю НВ, МПа
Предел текучести s0,2, МПа
Предел текучести sв, Мпа
Относительное удлинение d5,%
Относительное сужение j, %
Уд. вязкость aн при 200С, Н м/см2
Не менее
08Х13
412
588,6
20
60
98,1
1834–2129
12Х13
539–686,7
637,7
18
45
58,9
1933–2502
20Х13
568,5–716
755,4
15
50
58,9
2226–2639
Исходя из этих данных, охарактеризуем каждую сталь в отдельности, а затем сделаем вывод. Для каждой из этих сталей свойственны одни и те же дефекты, вызванные воздействием сварочного процесса, но проявляются они в разной степени. Главными среди них являются склонность к охрупчиванию и к образованию холодных трещин (для 08Х13 – ХТ нет).
В случаях, когда металл шва и околошовной зоны в процессе охлаждения претерпевает фазовые и структурные превращения, связанные с изменением его удельного объема и значительным ухудшением пластических свойств, трещины могут возникать в области низких температур – ниже 200˚С. Подобные явления имеют место при сварке закаливающихся сталей. Такие трещины называются холодными. Они могут быть поперечными (в шве, чаще в околошовной зоне), а также располагаться параллельно границе сплавления (отколы). Процесс образования холодных трещин определяется двумя факторами:
1) величиной и характером напряжений и деформаций, возникающих вследствие неравномерного нагрева, фазовых и структурных превращений в металле;
2) свойствами (главным образом пластичностью) металла в температурном интервале образования холодных трещин.
Насыщение металла сварного соединения водородом способствует образованию трещин, так как отрицательно влияет как на первый, так и на второй фактор.
Появление холодных трещин связывают с фазовыми и структурными превращениями, продуктами которых являются структуры с низкими пластическими свойствами (в нашем случае мартенсит).
По сравнению с другими структурными составляющими, мартенсит характеризуется высокой твердостью (НВ 500–600), весьма малой пластичностью и повышенным удельным объемом. В связи с этим структурные превращения аустенит – мартенсит связаны с наиболее значительным увеличением объема.
Обеспечить стойкость металла шва и, в особенности, околошовной зоны к образованию трещин – основная проблема свариваемости сталей мартенситного и мартенситно – ферритного классов. В этом случае для металла шва и околошовной зоны характерно наличие укрупненных зерен низкоуглеродистого высокохромистого феррита (микротвердость 152–164 кГ/мм2) и легированного мартенсита (микротвердость 429–458 кГ/мм2).
Легированный мартенсит более пластичен, чем углеродистый, и называется игольчатым мартенситом. Но присутствие в структуре металла последнего все же увеличивает общую твердость и хрупкость шва, а также околошовной зоны, заметно снижая ударную вязкость. Поэтому здесь возможно появление холодных трещин.
Чтобы уменьшить возможность появления холодных трещин при сварке закаливающихся сталей, стремятся предупредить образование хрупкой закаленной зоны вблизи шва. Для этого выбирают режимы сварки с большой погонной энергией, при которой скорость охлаждения шва и околошовной зоны уменьшается. В тех же целях применяют подогрев изделия (до температуры 250˚С и выше в зависимости от содержания углерода и хрома в стали), замедленное охлаждение изделия после сварки и д. р.
После сварки обязательна термообработка изделия – высокий отпуск 650˚ – 700˚С. В результате отпуска несколько уменьшается прочность металла, а его твердость и ударная вязкость достигает исходных величин.
Сталь 08Х13 используется для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д., работающих при температурах до 4000С.
Данная сталь обладает ферритной структурой, а следовательно, не имеет превращения g«a и не упрочняется термической обработкой. Главный недостаток этой стали – резкое охрупчивание после нагрева выше 1000–11000С. Это объясняется наличием большого количества свободного d-феррита, содержание которого зависит от количества С и Сr. Это затрудняет сварку ферритных сталей, так как для частичного уменьшения хрупкости сварные соединения должны подвергаться отжигу при 750–8000С, а перед ней – предварительному подогреву до 150 – 2500С. По завершении отжига требуется ускоренное охлаждение, чтобы не допустить охрупчивание. Сталь данной структуры после высокотемпературного нагрева подвержена МКК.
Сталь 20Х13 используется для деталей и инструментов, подвергающихся воздействию слабоагрессивных сред: воды, атмосферы, разбавленных растворов кислот и солей т.д., работающих при температурах до 4500С. Структура отожженных сталей представляет собой легированный феррит с частицами карбида хрома. Отожженные стали имеют удовлетворительную стойкость против коррозии, но их прочность невысока – 500Мпа. Прочность увеличивается после закалки и отпуска. Закалку проводят с 1050–11000С для растворения карбида хрома. Изделия после закалки подвергают либо низкому (200–4000С), либо высокому (600–7000С) отпуску. Максимальное сопротивление коррозии стали имеют после низкого отпуска, пониженное, но тем не менее достаточно высокое – после высокого отпуска. Шлифование и полирование поверхности дополнительно повышает стойкость изделий. Отпуск при 400–6000С резко снижает сопротивление коррозии и поэтому не применяется.
Мартенситные стали после отжига удовлетворительно обрабатываются резанием, горячая обработка и сварка этих сталей затруднены из-за образования мартенсита. Мартенсит увеличивает склонность этой стали к образованию холодных трещин при сварке. Это объясняется высокой степенью тетрагональности кристаллической решетки мартенсита. При снижении содержания мартенсита вязкость увеличивается, однако, при этом образуется свободный d-феррит, который придает сталям повышенную хрупкость. При сварке мартенситных сталей холодные трещины могут наблюдаться в процессе непрерывного охлаждения при температуре ниже Мн, а также в процессе выдержки при нормальной температуре.
Сталь 12Х13, как видно из табличных данных, занимает промежуточное положение по свойствам между 08Х13 и 20Х13, т. к. обладает промежуточной ферритно-мартенситной структурой (содержание феррита не менее 10%).
Свариваемость стали 12Х13
Из-за своего промежуточного положения, сталь 12Х13 обладает лучшей свариваемость среди всех трех сталей. Это объясняется умеренным содержанием d-феррита. Количество d-феррита увеличивается с увеличением в стали % Сr и уменьшением % С. Формирование значительного количества d-феррита в структуре ОШЗ резко уменьшает склонность сварного соединения к образованию холодных трещин, но увеличивает хрупкость. Количество d-феррита зависит от уровня температуры нагрева. В участках ОШЗ, нагреваемых до температур близких к Тсолидуса, количество d-феррита может быть подавляющим. Такая структура характерна для участка ЗТВ примыкающего к линии сплавления. Ширина этого участка мало зависит от температуры подогрева, но возрастает с увеличением qп – погонной энергии, которая зависит от выбранных режимов и способа сварки.
Так как во всех сталях содержание Сr остается постоянным, то объем d-феррита зависит от % С. Пониженное содержание С в стали 08Х13 способствует резкому увеличению содержания d-феррита, а следовательно и высокому охрупчиванию. А высокое содержание % С в стали 20Х13 способствует увеличению склонности к холодным трещинам, но с низким охрупчиванием. В стали же 12Х13 эти два негативных момента находятся на удовлетворительном уровне. К этому можно добавить, что меньшее содержание С, по сравнению со талью 20Х13, сопровождается увеличением количества феррита и образованием более пластичного мартенсита, а по сравнению со сталью 08Х13, не требуется предварительный нагрев. Для уменьшения количества закалочных структур и увеличения выделения карбидов после сварки рекомендуется проводить высокий отпуск при Т=650–7000С.
