Сварка жаростойких нержавеющих сталей: какими электродами работать до 1000–1100 °C

Три уровня сварочных материалов для нержавеющих сталей

Сварочные материалы для нержавеющих сталей удобно представить тремя ступенями. Нижняя — материалы для коррозионностойких сталей типа 08Х18Н10Т, 12Х18Н10Т и 03Х17Н14М3: швы ёмкостей, трубопроводов, пищевого и химического оборудования. Их задача — стойкость к коррозии в жидкой среде, а рабочая температура таких швов ограничена примерно 350–400 °C. Верхняя ступень — никелевые электроды: горячие разнородные стыки, жаропрочные сплавы, нагруженные швы при 600–800 °C. Им посвящена отдельная статья — сварка разнородных и жаростойких сталей никелевыми электродами.

Между ними — средняя ступень, о которой эта статья: однородные швы жаростойких хромоникелевых и высокохромистых сталей, которые работают в горячей газовой среде при 600–1100 °C. Это основная масса печного, котельного и термического оборудования. Никель здесь чаще всего избыточен и дорог, а материал нижней ступени — опасен.

Главное, что видно на схеме: у каждого класса две разные границы. Окалиностойкость — до какой температуры шов не сгорает. Рабочая граница — до какой температуры он сохраняет нужную прочность и пластичность. Между ними и происходит большинство отказов.

Жаростойкость, жаропрочность и коррозионная стойкость — разные свойства

В цехах такие стали часто называют термостойкими, а в прайсах пишут «жаропрочная нержавеющая сталь». Для выбора электрода полезно разделить три свойства, потому что каждое обеспечивают свои элементы.

• Жаростойкость (окалиностойкость) — способность не окисляться в горячем газе. Её даёт хром, в меньшей степени кремний и алюминий: на поверхности растёт плотная плёнка оксида хрома, и металл под ней не горит. Чем больше хрома, тем выше температура, при которой плёнка ещё защищает.
• Жаропрочность — способность держать нагрузку при высокой температуре и не ползти. Её дают углерод (карбидное упрочнение), азот, никель, а в жаропрочных сплавах — вольфрам, молибден, ниобий. Выше примерно 500 °C металл под постоянной нагрузкой начинает медленно деформироваться — это ползучесть.
• Коррозионная стойкость — стойкость в жидких средах: кислоты, хлориды, вода. Её дают хром и молибден, а против межкристаллитной коррозии — низкий углерод (стали и электроды с индексом L).

Отсюда главный конфликт: то, что делает шов хорошим для ёмкости с кислотой, — низкий углерод, молибден, немного феррита — в печи работает против шва. Электрод для коррозионной службы и электрод для горячей зоны — это разные материалы, а не «тот же, только получше».

Какие стали относятся к жаростойким

В таблице — ходовые марки и ориентировочная температура начала интенсивного окалинообразования на воздухе по справочным данным ГОСТ 5632. Коррозионностойкая 12Х18Н10Т дана для сравнения.

Эти цифры — для чистого воздуха и стационарного нагрева. Зарубежные справочники дают для 309 и 310 близкие значения — около 1095 и 1150 °C при постоянной работе на воздухе; европейский прокатчик Outokumpu для 310S осторожнее — до 1050 °C. Три поправки снижают реальный предел. Теплосмены: разница расширения металла и окалины отрывает плёнку, и допустимая температура падает до 100 °C. Водяной пар в восстановительной атмосфере снимает ещё 40–60 °C. Сера и науглероживающие газы меняют картину полностью — о них ниже.

Сюда же относятся жаростойкие отливки — 20Х25Н19С2Л, 40Х24Н12СЛ и близкие: поддоны, корзины, колосники, литые подвески. По составу они родственны деформируемым сталям 309 и 310, но содержат больше углерода и кремния и свариваются хуже. Если марка детали неизвестна, начинать нужно не с выбора электрода — см. как определить марку стали перед ремонтом.

Что будет, если сварить жаростойкую сталь электродом 316L

Электрод типа 316L — самый распространённый материал для нержавеющих сталей, он есть почти на любом участке. Сваривают им и жаростойкие детали: «нержавеющий к нержавеющему». На приёмке такой шов не отличить от правильного. Разница проявляется в печи, и механизмов здесь четыре.

1. В шве меньше хрома, чем в детали

Металл шва 316L содержит 18–19 % хрома, сталь 20Х23Н18 — 22–25 %. По окалиностойкости шов соответствует сталям 18-8, у которых интенсивное окалинообразование начинается около 850 °C, а деталь держит до 1050 °C. При рабочих 950–1000 °C деталь покрыта тонкой защитной плёнкой, а шов окисляется вглубь: толстая слоистая окалина отслаивается на каждом охлаждении, и вдоль соединения появляется канавка. Сечение шва уменьшается, пока его не разорвёт.

2. Молибден в горячем газе

Молибден — главная легирующая добавка 316L против питтинга. При нагреве на воздухе он окисляется до триоксида молибдена, который начинает испаряться уже при температуре около 510 °C. В печи с плохой циркуляцией атмосферы — внутри муфеля, под плотной садкой, в зазорах между деталями — пары оксида молибдена накапливаются у поверхности и разрушают защитную плёнку оксида хрома. Металлурги называют это катастрофическим окислением: быстрая местная потеря металла. Чаще всего оно развивается выше 1000 °C, но случаи зафиксированы даже на 316L с молибденом меньше 3 %. Для жаростойкой детали молибден в шве не нужен вообще.

3. Дельта-феррит превращается в сигма-фазу

Наплавленный металл 316L специально делают с небольшим количеством дельта-феррита — обычно 3–10 % — чтобы шов не давал горячих трещин при кристаллизации. Это правильно для ёмкости. Но при 550–900 °C феррит превращается в сигма-фазу — твёрдое и хрупкое соединение железа с хромом — намного быстрее, чем аустенит, а молибден ускоряет это превращение. При рабочей температуре печи шов ещё пластичен, а на остывшей печи становится стеклянным. Трещина приходит на первом останове, при выгрузке садки или на ударе.

4. Низкий углерод — низкая жаропрочность

Индекс L означает углерод не более 0,03–0,04 %. Это защита от межкристаллитной коррозии в жидкой среде, но в горячей зоне углерод нужен: мелкие карбиды упрочняют аустенит и сдерживают ползучесть. У жаропрочных исполнений сталей углерод 0,04–0,10 %. Низкоуглеродистый шов в нагруженной детали — подвеске, валу, ролике — становится местом, где металл ползёт быстрее всего, и деталь деформируется именно в зоне шва.

Пример из практики: на заводе крепежа валы конвейера закалочной печи из 10Х23Н18 работают при 600–1100 °C с перепадами температуры. Со швами на прежних электродах вал деформировался в зоне шва и выходил из строя примерно за месяц. После перехода на жаростойкий электрод 25/20 ресурс швов вырос до 3,5–4 месяцев — подробно в разборе сварка валов закалочной печи из 10Х23Н18.

Каким должен быть металл шва

Из четырёх механизмов прямо следуют четыре требования к сварочному материалу для горячей зоны.

• Хрома не меньше, чем в детали. Для сталей 309 и 310 — металл шва 22–25 % хрома. Тогда шов и деталь окисляются одинаково, и канавки по соединению не появляется.
• Без молибдена. Жаростойкому шву он не даёт ничего, кроме риска катастрофического окисления и сигма-фазы.
• Минимум феррита. Металл шва 25Cr-20Ni полностью аустенитный: феррита нет, значит, сигма-фазе почти не из чего быстро образоваться. Никель в 20 % стабилизирует аустенит при любом нагреве.
• Нормальный, а не пониженный углерод. Металл шва жаростойких электродов обычной (не L) категории сохраняет карбидное упрочнение при высокой температуре.

Этим требованиям отвечают два класса электродов. Тип 22/12 (AWS E309) окалиностоек примерно до 950–1000 °C и подходит для сталей 309-го типа. Тип 25/20 (AWS E310) окалиностоек до 1150 °C по данным европейских производителей и подходит и для сталей 310 и 314, и для 309: металл шва немного богаче детали, что допустимо. Поэтому для печного оборудования 25/20 — универсальное решение, которое закрывает весь диапазон марок из таблицы выше.

Плата за полностью аустенитный шов

У шва без феррита есть обратная сторона — склонность к горячим трещинам при кристаллизации. Сера и фосфор собираются по границам зёрен в легкоплавкие плёнки, и при усадке шов рвётся по ним ещё в процессе остывания. Чистый аустенит в этом смысле самый чувствительный металл шва из всех нержавеющих. Поэтому электрод 25/20 нельзя вести так же, как 316L: технология здесь не формальность, а условие, при котором шов вообще получится без трещин.

Технология сварки: режимы и приёмы

• Прокалка — 120–200 °C не менее 2 часов. Влага в покрытии даёт поры.
• Подготовка кромок — до чистого металла. На деталях, которые уже работали в печи, выгоревший и окисленный слой удаляют полностью: он не сплавляется и даёт непровары, а науглероженный поверхностный слой — горячие трещины.
• Подогрев аустенитных сталей не нужен и вреден: он только увеличивает время, которое металл проводит в интервале горячих трещин. Ферритные стали 15Х25Т и 15Х28 — исключение: их подогревают до 200–300 °C, чтобы не было холодных трещин в крупнозернистой зоне термического влияния.
• Ниточный валик и короткая дуга. Поперечные колебания — минимальные, не шире 2–2,5 диаметров электрода. Широкий валик с колебаниями — главная причина продольных трещин по оси шва.
• Тепловложение — не выше 1,0 кДж/мм, ток — в нижней половине паспортного диапазона.
• Межслойная температура — не выше 150 °C. Следующий валик кладут только после остывания предыдущего.
• Выпуклая форма валика. Вогнутый шов с тонким сечением трескается по оси при усадке, выпуклый — нет.
• Кратер заваривать обязательно: в полностью аустенитном металле кратерная трещина — самый частый дефект.
• Термообработка после сварки не нужна. «Отпуск для снятия напряжений» при 600–900 °C жаростойкой стали вреден: это как раз интервал сигма-фазы.

Род тока — переменный или постоянный обратной полярности (DC+). Положения — все, кроме вертикали сверху вниз; для ремонта печных деталей предпочтительны короткие проходы.

Ремонт деталей, отработавших в печи

Металл, который годами стоял при 650–900 °C, сам может быть охрупчен сигма-фазой и науглерожен. Признак — деталь трескается рядом со швом, а не по нему, и обломок не гнётся. Такой металл плохо принимает сварку: трещины уходят в зону термического влияния. Варианты по возрастанию надёжности: удалить деградированный слой до металла, который ещё пластичен при изгибе стружки; провести аустенизацию детали или узла при 1050–1100 °C, если позволяет оборудование — она растворяет сигма-фазу; наплавить на кромки буферный слой никелевым электродом и уже потом сваривать. Последний приём подробно разобран в статье про никелевые электроды.

Где кончается электрод 25/20 и нужен никель

Никелевый электрод класса E Ni 6082 окалиностоек до 1000 °C — меньше, чем 25/20. Значит, переход на никель определяется не температурой как таковой, а характером задачи. Никель нужен в четырёх случаях.

• Разнородный стык с горячей стороны. Жаростойкая деталь приваривается к углеродистой или теплоустойчивой стали, и соединение работает выше примерно 315 °C. Аустенитный шов здесь разрушается по линии сплавления из-за миграции углерода и разницы расширения.
• Нагруженный шов в интервале 650–900 °C. Длительная работа под нагрузкой — подвески, оси, роликовые валы в печах отпуска — где аустенитный шов 25/20 со временем охрупчивается.
• Жаропрочные сплавы ХН32Т (Alloy 800H), ХН78Т и близкие, а также центробежное литьё HK-40 и HP — на холодном конце и при ремонте.
• Состаренный, науглероженный или охрупченный металл, который аустенитный шов не держит.

Какими материалами AWG это делать

Однородные швы в горячей зоне — AWG ROST 4220 TR

Покрытый электрод с рутиловым покрытием, наплавленный металл 25Cr-20Ni, тип E310. Окалиностойкость наплавленного металла по паспорту — до 1200 °C. Предел текучести не менее 355 Н/мм², предел прочности 560–690 Н/мм², ударная вязкость при +20 °C не менее 47 Дж, относительное удлинение не менее 25 %. Сваривает стали 20Х23Н18, 10Х23Н18, 20Х23Н13, 20Х20Н14С2, 20Х25Н20С2, 15Х25Т, AISI 309, 310, 310S, 314, а также жаростойкие отливки. Типичные узлы — муфели, реторты, горелочные трубы, колосники, решётки, подвески, валы и ролики печей, трубы котлов, горячие газоходы, кожухи и ремонтные накладки.

Ограничения, о которых стоит помнить: это не износостойкая наплавка и не материал для криогенных задач; для нагруженных швов, которые годами работают при 650–900 °C, и для ответственных узлов нужны технологическая проба и контроль межслойной температуры.

Горячие разнородные стыки и нагруженные швы — AWG 2428

Никелевый электрод класса E Ni 6082: рабочая температура полностью нагруженного шва до 800 °C, окалиностойкость до 1000 °C, в серосодержащих средах — не выше 500 °C. Следующая ступень для случаев, перечисленных в разделе выше. Пример совместной работы двух материалов — сварные поддоны и корзины для термообработки при 1100–1200 °C.

Приварка к холодному каркасу — AWG 3009 и AWG ROST 1323D

Жаростойкая деталь почти всегда крепится к углеродистой раме, кожуху или опоре. Если само место приварки работает не горячее примерно 300 °C, достаточно электрода типа 309L — AWG 3009, или 309LMo — AWG ROST 1323D, когда переходный слой должен быть коррозионностойким. Запас хрома и никеля компенсирует разбавление шва углеродистой сталью. В горячую зону эти материалы не ставят — по причинам, разобранным выше.

Чем не сваривать горячую зону

Материалы для коррозионностойких сталей — AWG 3008 (тип 308L) и AWG ROST 1913 (тип 316L) — рассчитаны на рабочую температуру шва до 350–400 °C. Это их прямое назначение: ёмкости, трубопроводы, химическое и пищевое оборудование. Для деталей печей они не предназначены.

Пять типичных ошибок

1. «Нержавеющий к нержавеющему». Жаростойкую деталь сваривают электродом 308L или 316L, потому что он под рукой. Шов выгорает канавкой и охрупчивается за месяцы.
2. Выбор по слову «жаростойкий» без проверки хрома. Шов должен быть не беднее хромом, чем деталь. Для 20Х23Н18 и 20Х25Н20С2 электрод 22/12 уже на пределе — нужен 25/20.
3. Широкий валик и большой ток. Привычка от ферритсодержащих электродов. Полностью аустенитный шов отвечает на это продольной трещиной по оси.
4. Подогрев аустенитной жаростойкой стали «для надёжности». Он не помогает, а увеличивает риск горячих трещин. Подогревают только ферритные 15Х25Т и 15Х28.
5. Сварка по выгоревшему металлу. Окисленный и науглероженный слой старой печной детали не удалён до чистого металла — отсюда непровары, поры и трещины по зоне сплавления.

Итоги

• Жаростойкость обеспечивает хром. Шов должен быть не беднее хромом, чем деталь, иначе печь выжигает его первым.
• Электрод 316L непригоден для горячей зоны по четырём причинам: мало хрома, молибден, дельта-феррит, превращающийся в сигма-фазу, и низкий углерод.
• Для сталей 309, 310 и 314 нужен полностью аустенитный металл шва 25Cr-20Ni без молибдена — в каталоге AWG это AWG ROST 4220 TR.
• Полностью аустенитный шов требует дисциплины: ниточный валик, тепловложение до 1,0 кДж/мм, межслойная температура до 150 °C, без подогрева, заваренный кратер.
• Никель нужен по задаче, а не по температуре: горячий разнородный стык, нагруженный шов при 650–900 °C, жаропрочные сплавы, состаренный металл. В сернистых газах выше 500 °C никель, наоборот, хуже.