Сварка прокаткой биметаллов

Голованенко С.А.

Металлургия, 1977 г.

 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ БИМЕТАЛЛОВ

КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ БИМЕТАЛЛЫ С ПЛАКИРУЮЩИМ СЛОЕМ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

В настоящее время отечественной промышленностью освоено или осваивается производство большого количества различных коррозионностойких биметаллов в виде листа (табл. 6). Основным методом производства таких биметаллов является горячая сварка прокаткой. В качестве основного слоя этих биметаллов обычно применяют углеродистую сталь ВСтЗсп (ГОСТ 380—71), а в качестве плакирующего слоя — нержавеющие стали ферритного и аустенитного класса различного состава (ГОСТ 5632— 72).

Ниже приведены результаты исследований переходной зоны ряда типичных биметаллов с основным слоем из углеродистых сталей марок СтЗ, 10 и Ст5 и плакирующим из нержавеющих сталей ферритного и аустенитного классов марок 08Х17Т, 15Х25Т, 08X13, 08Х18Н10, 08Х18Н10Т [65—70].

Образцы для исследований вырезали перпендикулярно границе раздела двух слоев биметаллического листа толщиной 8—10 мм. Травление шлифов в зависимости от состава слоев производили в 2—4% -ном растворе азотной кислоты в этиловом спирте или электролитически в 10%-ном растворе хромового ангидрида в воде с добавкой H₂S0₄ при напряжении 6 В или в фосфорнохромовом электролите при напряжении 10 В.

Коррозионностойкие биметаллы с плакирующими слоями из сталей 08X13 и 08Х18Н10(Т)

Микроструктура сварного соединения биметаллов, полученных методом заливки и последующей горячей прокатки (рис. 14), имеет три зоны: обезуглероженную зону / основного слоя из углеродистой стали, зону соединения двух сталей 2 и науглероженную зону плакирующего слоя 3. Структура переходной зоны биметаллов СтЗ+08Х13 и СтЗ+08Х18Н10Т показана на рис. 15, о, е.

Обезуглероженная зона углеродистой стали включает области чистого феррита и смеси феррита с пониженным по сравнению с остальной частью основного слоя количеством перлита (рис. 15, а, е).

В биметаллах со сталью СтЗ ферритная область шире, чем в биметаллах со сталью Ст5, при одних и тех же плакирующих слоях (см. рис. 14). Это объясняется большим количеством феррита в стали СтЗ, чем в стали Ст5.

Науглероженная зона плакирующего слоя 3 после соответствующих   стандартных   термических    обработок

(для стали 0X13—нормализация с 980°С и отпуск в течение 3 ч при 600°С, а для стали 08Х18Н10Т — нормализация с 980°С) характеризуется наличием большого количества карбидных выделений и повышенной травимостью границ зерен (рис. 15). Она может включать область сплошных  карбидов   (см.   рис.   14, б, в, г) и  область  на кривой микротвердости (рис. 16), не связана с нестальной частью нержавеющей стали.

Область сплошных карбидов образуется в результате реактивной диффузии углерода по границам и по телу зерен, а область с повышенным содержанием карбидов — в результате преимущественной диффузии углерода по границам зерен.

Общая ширина науглероженного слоя в исследованных биметаллах после стандартных термических обработок была различной, что определялось только количеством углерода в основном слое. При основном слое из стали СтЗ ширина зоны науглероживания была примерно в 2,5 раза больше по сравнению со сталью Ст5 (рис. 14). Большая протяженность науглероженной зоны плакирующих сталей в биметаллах с меньшим содержанием углерода в основном слое (СтЗ и Ст5) связана с тем, что при диффузии из Сто углерод «задерживается» в области сплошных карбидов.

В зоне соединения двух сталей 2в процессе изготовления и стандартной термической обработки происходит перераспределение не только углерода, но и элементов замещения. Область их диффузионного перемещения составляет 10—20 мкм.

В биметалле СтЗ-08Х13 микроструктура науглероженной зоны представляет собой узкую полоску карбидов (рис. 15). Это подтверждается резким возрастанием микротвердости вблизи границы раздела (рис. 16). По данным авторадиографического анализа, содержание углерода в этой зоне может доходить до 0,3% (рис. 17). Обезуглероженная зона в углеродистой стали, отраженная на кривой микротвердости (рис. 16) минимумом, имеет ширину ~ 150 мкм.

Кривая распределения хрома (рис. 18,а) показывает, что в процессе прокатки и последующей термической обработки происходит диффузия хрома в СтЗ и диффузия железа в противоположном направлении. В результате в переходной зоне образуется сплав системы Fe—Сr, отличный по составу от свариваемых сталей.

Полосчатость структуры стали 08X13, которая подтверждается чередующимися максимумами и минимумами на кривой микротвердости (рис. 16), не связана с неоднородностью в распределении хрома. Возможно, это явление обусловлено бывшей ликвационной неоднородностью стали по примесям, выявляющейся при диффузии углерода. Такое явление было отмечено и в работе [71].

Микроструктура плакирующего слоя биметалла СтЗ-08Х18Н10Т, полученного методом заливки, после нагрева до 980°С — аустенит с карбидами по границам зерен (рис. 19). Около границы раздела в стали 08Х18Н10Т наблюдается зона с большей травимостью и повышенной твердостью по сравнению с основным металлом плакирующего слоя (рис. 15, в;20).

Зона насыщения углеродом нержавеющей стали имеет следующие последовательно расположенные слои: сильно обогащенный углеродом слой с большим количеством карбидов (рис. 19,д) и менее обогащенный углеродом слой с меньшим количеством карбидов (рис. 19,е). Содержание углерода в приграничной зоне стали 08Х18Н10Т может достигать 0,15% (рис. 17,6).

Со стороны СтЗ наблюдается обезуглероженная зона, что подтверждается падением микротвердости (рис. 20); перлитные участки (рис. 19,6) появляются на расстоянии 50 мкм.

Электронномикроскопические исследования показывают, что зона соединения сталей в биметалле весьма неоднородна (рис. 19, б, г). Эта зона представляет особый интерес, поскольку она характеризуется наибольшим градиентом концентраций углерода и легирующих элементов (NiСr). Светлая область в ней (рис. 19,в), по-видимому, представляет собой остаточный аустенит, а структура, приведенная на рис. 19,г, — легированный перлит. Механизм его образования следующий. При  охлаждениис температуры нормализации легированный аустенит в этой области устойчив при охлаждении до более низких температур по сравнению с соседней зоной. Следовательно, если в слоях, отвечающих составу СтЗ γ-χ-превращения пройдут при более высоких температурах, то в слоях, легированных никелем и хромом,— при более низких. Электронномикроскопический анализ темнотравящейся полоски показал, что она является продуктом распада аустенита; степень дисперсности структурных составляющих, температура распада и переохлаждения ниже температуры Аг зависят от содержания никеля и хрома в этой зоне. Структура темнотравящейся полоски шириной в несколько микронов в зависимости от содержания в ней никеля, хрома и углерода и последующей термической обработки отвечает по составу перлиту, трооститу или продуктам их распада.

Для зоны соединения двух сталей характерно наличие повышенной концентрации вакансий и микропор, окислов. По данным микродифракционного анализа, в зоне соединения присутствуют карбиды Л4е₂зС₆ и Ме₇С₃ (во всех исследованных плакирующих слоях).

Следует отметить более высокую интенсивность науглероживания стали ферритного класса 08X13, по сравнению   со   сталью    аустенитного    класса   08Х18Н10

(08Х18Н10Т). Это проявляется, во-первых, в более высокой максимальной концентрации углерода в приграничной зоне после изготовления и стандартной термической обработки (рис. 17, а, б) и во-вторых, в большей ширине чисто ферритной зоны в основных слоях. Этот факт может быть объяснен перекристаллизацией стали 08X13 и вследствие этого большим количеством дефектов структуры, способствующих развитию внутризеренном диффузии углерода. Следует также учитывать, что диффузия в α-фазе происходит интенсивнее, чем в -у-фазе.

Микроструктура и распределение элементов в переходной зоне биметалла, полученного пакетным методом с никелевой прослойкой, после аналогичной термической обработки существенно отличаются от микроструктуры переходной зоны биметалла, полученного заливкой (см. рис. 15, б).

При использовании никелевой прослойки в процессе изготовления и высокотемпературной нормализации происходит перераспределение легирующих элементов на расстояния, соизмеримые с толщиной прослойки (5— 20 мкм). Это приводит к образованию градиента концентраций легирующих элементов в биметалле (см. рис. 18, а, в).