Технические новинки Vol.18

Vol.18: Сварка дуплексных нержавеющих сталей

1. Предисловие

У дуплексной нержавеющей стали, имеющей двухфазную микроструктуру, состоящую из ферритных и аустенитных зерен, как показано на Фото 1, нет недостатков, присущих двум типам стали - она обладает более высоким сопротивлением коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению с аустенитными нержавеющими сталями и лучшей ударной вязкостью по сравнению с ферритными нержавеющими сталями. Дуплексная нержавеющая сталь играет важную роль в таком широком спектре применений, таких как нефтехимические заводы, суда для перевозки химикатов, морские сооружения и мосты, как показано на Фото 2 и 3.

В данной статье речь пойдет о свойствах дуплексных нержавеющих сталей, а также о наиболее подходящих для них сварочных материалах.

2. Свойства дуплексных нержавеющих сталей

Микроструктура дуплексной нержавеющей стали показывает, что аустенитные зерна перешли в полностью ферритную фазу с балансом фазы примерно в 50% феррита и 50% аустенита. Такое состояние микроструктуры является наиболее устойчивым, поэтому можно отметить следующие свойства дуплексной нержавеющей стали.

По сравнению с аустенитной нержавеющей сталью, дуплексная нержавеющая сталь обладает следующими преимуществами:

In comparison with austenitic stainless steel, duplex stainless steel offers the following advantages:

• Меньший коэффициент термального расширения и более высокая теплопроводность, большая прочность при комнатной температуре.
• Отличная сопротивляемость растрескиванию от язвенной коррозии и коррозии под напряжением.

При этом у них имеются следующие недостатки:

• Более высокое содержание азота (N)
• Большая микроструктурная трансформация при тепловой обработке и большая склонность к ухудшению свойств, в том числе сопротивления коррозии.

Последствия микроструктурной трансформации особенно заметны в околошовной зоне. Об этом пойдет речь ниже.

Дуплексная нержавеющая сталь производится в основном трех марок, которые отличаются по химическому составу: стандартная, супер и низколегированная.

1. Стандартная дуплексная нержавеющая сталь: состав 22%Cr-5%Ni-3%Mo-0.15%Ni. Буквально является стандартом.
2. Супер дуплексная нержавеющая сталь: содержание молибдена Mo и азота N выше по сравнению со стандартной сталью, что дает более высокую прочность при комнатной температуре и сопротивляемость язвенной коррозии.
3. Низколегированная дуплексная нержавеющая сталь: содержание никеля Ni и молибдена Mo ниже по сравнению со стандартной сталью, что позволяет снизить стоимость.

В Таблице 1 показаны типичные химические формулы трех марок дуплексных нержавеющих сталей. На Иллюстрации 1 приводится относительное сравнение разрывной прочности и индекса сопротивления язвенной коррозии [PREW=Cr+3.3　(Mo+0.5W)+16N] разных нержавеющих сталей. Более высокий показатель PREW означает лучшее сопротивление язвенной коррозии.

Таблица 1: Типичные химические формулы дуплексных нержавеющих сталей (% массы)

Марка	UNS No.	C	Si	Mn	P	S	Cu	Cr	Ni	Mo	W	N	PREW*
Стандартная	S31803	0.02	0.5	1.5	0.02	0.001	0.4	22.1	6.0	3.0	-	0.12	33.9
	S32205	0.02	0.4	1.4	0.03	0.001	0.3	22.1	5.6	3.1	-	0.18	35.2
Супер	S32750	0.02	0.4	0.7	0.02	0.001	0.1	25.6	7.0	3.8	0.1	0.28	42.8
	S32760	0.03	0.3	0.7	0.02	0.001	0.6	25.4	7.0	3.5	0.6	0.21	41.3
Низколегированная	S32101	0.03	0.7	4.9	0.03	0.001	0.2	21.6	1.5	0.2	-	0.22	25.8
	S32304	0.02	0.5	1.5	0.02	0.001	0.2	22.7	4.7	0.3	-	0.10	25.3
* PREW=Cr+3.3(Mo+0.5W)+16N

3. Свойства околошовной зоны дуплексной нержавеющей стали

3.1 Околошовная зона дуплексной нержавеющей стали

В дуплексной нержавеющей стали двойные фазы аустенитных и ферритных зерен сбалансированы в процессе тепловой обработки. Однако в околошовной зоне дуплексной нержавеющей стали сопротивление язвенной коррозии и механические свойства могут иногда ухудшаться из-за того, что фазовый баланс и химические формулы двойных фаз меняются в соответствии со скоростью остывания, на которую влияет погонная энергия сварки и толщина свариваемых пластин.

Говоря более точно, при высокотемпературной околошовной зоне, близкой к поверхности раздела внутри сварного шва, аустенитные зерна сначала растворяются в ферритную фазу, а затем выделяются как аустенитные зерна в процессе остывания, и в конце концов создают двойные микроструктуры. Однако если из-за слишком низкой погонной энергии скорость остывания высока, повторное выделение аустенитных зерен задерживается, и в ферритные зерна выделяются карбиды хрома и/или нитриды хрома. В результате в районе околошовной зоны формируется слой с низким содержанием хрома, что приводит к снижению сопротивляемости коррозии.

С другой стороны, при низкотемпературной околошовной зоне, удаленной от поверхности раздела внутри сварного шва, низкая скорость остывания, вызванная высокой погонной энергией, может привести к огрубению ферритных зерен и выделению фазы сигма, карбидов хрома и нитридов хрома, что снижает сопротивляемость коррозии и ударную вязкость.

Таким образом, высокотемпературная околошовная зона требует относительно медленного остывания, чтобы сделать возможным достаточное выделение аустенитных зерен, тогда как низкотемпературная околошовная зона требует гораздо более быстрого остывания, чтобы сдержать ненужное выделение. Поэтому, как для высокотемпературной, так и для низкотемпературной околошовной зоны необходимо контролировать скорость остывания посредством соответствующей погонной энергии, предварительного нагрева и температуры между проходами. ⁽¹⁾

3.2 Сварочный металл дуплексной нержавеющей стали

Сварочный металл дуплексной нержавеющей стали корректируется таким образом, чтобы придать ему требуемые свойства в состоянии после сварки, как показано на Фото 4; в отличие от равномерного распределения ферритной и аустенитной фаз в дуплексной нержавеющей стали, в сварочном металле они распределяются гораздо более беспорядочно.

На Иллюстрациях 2 и 3 соответственно показано соотношение между ферритным числом (FN), то есть содержанием ферритной фазы и разрывной прочностью / условным пределом текучести, и между ферритным числом / ударной вязкостью сварочного металла, полученного при сварке с флюсовой проволокой (FCW) марки E2594 по AWS.

Как показывают приведенные цифры, по мере увеличения ферритного числа прочность при комнатной температуре повышается, тогда как ударная вязкость снижается. Поскольку ферритное число также влияет на сопротивление язвенной коррозии, хорошие механические свойства и сопротивляемость язвенной коррозии могут быть получены за счет выбора наиболее подходящих сварочных материалов и контролирования сварочных процессов, в том числе скорости расплавления и/или остывания основного металла, с тем, чтобы ферритное число находилось в промежутке от 30 до 65. Кроме того, поскольку сварочный металл менее устойчив к коррозии по сравнению с основным металлом, в процессе производства которого применяется термальная обработка для улучшения качеств, сварочный металл содержит несколько большее количество легирующих элементов, чем основной металл. Содержание никеля (Ni) в сварочном металле также предусматривается более высоким по сравнению с основным металлом, чтобы оптимизировать соотношение аустенитных и ферритных зерен в условиях после сварки во многих случаях. ^{(2), (3)}

Поскольку ферритное число сварочного металла оказывает влияние на механические качества, а также на сопротивляемость язвенной коррозии, очень важно проверять и контролировать его. Но каким образом измеряется ферритное число? Существуют три способа: подсчет точечным методом с использованием микроструктур, с помощью диаграммы Совета по исследованиям в области сварки WRC-1992 с химическими формулами, а также с помощью прибора Feritscope, который использует вихревой ток и магнитную индукцию. На местах проведения сварки подсчет точечным методом применяется редко ввиду его сложности. Когда при сварке стыковых соединений необходимо контролировать ферритное число, для определения годности/негодности предпочтение отдается прибору Feritscope.

На Иллюстрации 4 представлено соотношение ферритного числа, измеренного с помощью прибора Feritscope и определенного по диаграмме WRC. Видно, что данные не полностью совпадают. Поэтому необходимо принимать во внимание, каким методом определено ферритное число.

4. Сварочные материалы дуплексной нержавеющей стали компании Kobelco

Сварочные материалы дуплексной нержавеющей стали компании Kobelco предлагаются для всех марок дуплексной нержавеющей стали. Они перечислены в Таблице 2 вместе с их химическими составами и механическими свойствами.

Ключевым фактором в производстве сварочных материалов для дуплексных нержавеющих сталей является контролирование относительно высокого содержания азота (N), которое часто вызывает проблемы, связанные с пористостью, в частности, образование свищей, ямок и удлиненных пор, а также затрудняет удаление шлака. Это также может нарушить радиографичность при дуговой сварке с флюсовым электродом (FCAW) и сварке защищенной дугой (SMAW) в горизонтальном и потолочном положении. Для избежания проблем, связанных с образованием пористости, сварочные материалы компании Kobelco создаются таким образом, чтобы повысить растворяемость азота путем изменения химических формул сварочного металла, а также оптимизировать температуру отвердения и вязкость шлака. Улучшение удаляемости шлака необходимо, так как содержащийся в сварочном металле азот затрудняет его удаление, несмотря на то, что шлак, формирующийся из компонентов покрывающего флюса (при SMAW) и флюса (при FCAW и SAW), покрывает сварочный металл во время сварки. Недостаточное удаление шлака приводит к тому, что он остается местами на поверхности валика шва, что не позволяет получить ровный шов и/или приводит к появлению шлаковых включений. Сварочные материалы компании Kobelco созданы таким образом, чтобы оптимизировать формирующие шлак компоненты в оболочке покрытых электродов, а также во флюсе FCW и SAW для упрощения удаления шлака.

На Фото 5 представлен внешний вид валика сварного шва и макроструктура стыкового соединения, полученного методом FCAW с PREMIARC™ DW-2594. На Фото 6 представлено такое же соединение, выполненное методом SAW с проволокой PREMIARCTM US-2209 / флюсом PREMIARCTM PF-S1D. Сварочные материалы дуплексной нержавеющей стали компании Kobelco дают отличные механические свойства (см. Таблицу 2), высокую сопротивляемость язвенной коррозии и пористости, а также отличную удаляемость шлака.

5. Выбор сварочных материалов

При сварке дуплексных нержавеющих сталей рекомендуется выбирать сварочные материалы такой же или более высокой марки. Например, при сварке стандартной дуплексной нержавеющей стали можно выбрать сварочные материалы, эквивалентные AWS E2209 или E2594 (более высокой марки). Рекомендации по выбору материалов представлены в Таблице 3.

При сварке разнородных металлов - углеродистой стали или аустенитной нержавеющей стали и дуплексной нержавеющей стали применяются сварочные материалы марки 309L или 309MoL, или предназначенные для дуплексных нержавеющих сталей. Рекомендации по выбору представлены в Таблице 4.

Таблица 3: Выбор сварочных материалов для дуплексных нержавеющих сталей

				Класс сварочных материалов
				2307 type	2209 type	2594 type
		Наименование товара	GTAW	-	TG-S2209	TG-S2594
			SMAW	-	NC-2209	NC-2594
			FCAW	DW-2307	DW-329AP DW-2209	DW-2594
			SAW	-	US-2209/PF-S1D	-
Duplex stainless steel grade	Lean	Основной металл	UNS S32101 UNS S32304	◎	○	○
	Standard		UNS S31803 UNS S32205	×	◎	○
	Super		UNS S32750 UNS S32760	×	×	◎
◎: Подходящие сварочные материалы из однородных металлов ○: Подходящие сварочные материалы ×: Не подходящие

Таблица 4: Выбор разнородных сварочных материалов

Duplex stainless steel grade	Углеродистая сталь/Низколегированная сталь	Аустенитная нержавеющая сталь
		304L type	316L type
Lean	Types of 309L, 309MoL, 2307	Types of 309L, 309MoL, 2307	Types of 309MoL, 2307
Standard	Types of 309L, 309MoL, 2209	Types of 309L, 309MoL, 2209	Types of 309MoL, 2209
Super	Types of 309L, 309MoL, 2594	Types of 309L, 309MoL, 2594	Types of 309MoL, 2594

6. Примечания по использованию

Сварочные операции для дуплексных нержавеющих сталей в целом сходны с операциями для аустенитных нержавеющих сталей, но при этом особое внимание должно уделяться тому, чтобы максимально использовать их сильные качества.

6.1 Ограничение погонной энергии

Ограничение погонной энергии широко распространено во всех сварочных процессах. Однако дуплексная нержавеющая сталь содержит больше хрома Cr и молибдена Mo, чем обычная. Если сварочный металл остывает слишком медленно из-за избыточной погонной энергии и его температура в течение долгого времени остается в промежутке от 700 до 800℃, он трансформируется в сигма-фазу, что снижает ударную вязкость. С другой стороны, если скорость остывания сварочного металла излишне велика из-за слишком низкой погонной энергии, в околошовной зоне близко к сварной поверхности выделяется нитрид хрома, и в результате формируется слой с низким содержанием хрома. Это приводит к снижению сопротивления коррозии. Поскольку скорость остывания также влияет на ферритное число сварочного металла, необходимо избегать слишком высокой или слишком низкой погонной энергии. Американский Институт нефти (API) рекомендует в качестве ориентира погонную энергию от 5 до 25 kJ. ⁽⁴⁾

6.2 Химическая формула защитного газа при GTAW

При сварке TIG для проварки корневого шва круговых соединений труб из нержавеющей стали в качестве защитного газа обычно используется 100% аргон Ar. Однако если 100% аргон используется в качестве защитного газа при сварке TIG со сплошным присадочным прутком для дуплексной нержавеющей стали, количество азота N в сварочном металле может быть меньше, чем в присадочном прутке для TIG. Это происходит тогда, когда азот в присадочном прутке TIG не переходит полностью в сварочный металл; вместо этого, некоторое количество азота выходит в форме газа N2 из сварочной ванны.

Это приводит к избытку феррита в сварочном металле и/или падению PREW, в результате чего может понизиться ударная прочность и сопротивление язвенной коррозии. Чтобы избежать этого, рекомендуется добавить в состав защитного газа около 2% газа N2, в зависимости от содержания азота в сварочном металле и/или основном металле.

6.3 Предотвращение горячего растрескивания при SAW

Необходимо также отметить, что сварочные материалы дуплексной нержавеющей стали более подвержены горячему растрескиванию, чем сварочные материалы стандартной нержавеющей стали, за исключением сварочных материалов из полностью аустенитных нержавеющих сталей. В этом смысле существует высокий риск горячего растрескивания при сварке SAW, в которой, как правило, используется более высокая погонная энергия. Поскольку на склонность к горячему растрескиванию также влияет форма валика сварного шва, рекомендуется избегать узкощелевой сварки, высокого сварочного тока и высокой скорости сварки. Такие условия сварки должны быть тщательно проверены перед началом работ.

7. Послесловие

В данной статье представлены дуплексные нержавеющие стали и сварочные материалы для них, предлагаемые компанией Kobe Steel. По прогнозам, применение дуплексных нержавеющих сталей продолжит расширяться в Японии и за рубежом. Мы надеемся, что эта статья окажется полезной для тех, кто занимается сваркой дуплексных нержавеющих сталей.

[Источники]

(1) Сварочные материалы для супер дуплексной нержавеющей стали: Журнал Японского общества сварки, Том 80 (2011), No. 2
(2) Сварка дуплексной нержавеющей стали: Технология сварки, февраль 2011
(3) Свариваемость нержавеющих х сталей: Журнал Японского общества сварки, Том 79 (2010), No.6
(4) API Технический отчет 938-C: Применение дуплексных нержавеющих сталей в нефтеочисткой отрасли: Американский Институт нефти

Верх страницы