Giáo trình Công nghệ hàn điện nóng chảy (Tập 2 - Ứng dụng): Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:186

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 2 cuốn giáo trình "Công nghệ hàn điện nóng chảy (Tập 2 - Ứng dụng)" cung cấp cho người đọc các kiến thức: Công nghệ hàn thép hợp kim cao, công nghệ hàn gang, đặc điểm công nghệ hàn kim loại màu, công nghệ hàn kim loại nhẹ và hợp kim của chúng, công nghệ hàn kim loại cho hoạt tính cao và nhiệt độ nóng chảy cao, công nghệ hàn vật liệu khác chủng loại. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Công nghệ hàn điện nóng chảy (Tập 2 - Ứng dụng): Phần 2

CHƯONG 4: CÔNG NGHỆ HÀN THÉP HỢP KIM CAO Trang 4.1 Công nghệ hàn thép không gỉ crom 159 4.2 Công nghệ hàn thép không gỉ austenit 175 4.3 Công nghệ hàn thép không gỉ duplex 202 4.4 Công nghệ hàn thép không gỉ biến cứng kết tủa 217 4.5 Công nghệ hàn thép mactenzit hóa già 221 4.6 Công nghệ hàn thép austenit mangan 224 Sau k ọ xong ltiđ c chương này, hạn • Đ ặc m ê i v đà tínhhàn cùa nhải thuộccác nhóm thép không thé austenit mangan.• • phương pháp lựachọn vật liệu chê độ hàn pháp cô n g nghệ đ ế đạt đượchàn h ợ p với đ iều kiện vậnhành. 157
CHƯƠNG 4: CỒNG NGHỆ HÀN THÉP HỢP KIM CAO Theo AISI, thép được coi là thép hợp kim cao khi tổng lượng các nguyên tố hợp kim vượt quá 8%. Tiêu chuẩn Nga GOST 5632-72 định nghĩa: thép hợp kim cao là các hợp kim nền sắt chứa trên 45% Fe, với tổng lượng các nguyên tố hợp kim không nhỏ hon 10% và hàm lượng nguyên tố họp kim chính không nhỏ hơn 8%. Trong chưong này chúng ta sẽ tìm hiểu công nghệ hàn các loại thép hợp kim cao sau đây: thép không gỉ, thép mactenzit hóa già (thép maraging) và thép austenit mangan. Riêng thép không gỉ được chia thành 5 nhóm nhỏ là: • Thép không gỉ mactenzit. • Thép không gỉ ferit. • Thép không gi austenit. • Thép không gỉ duplex (còn gọi là thép 2 pha ferit - austenit). • Thép không gỉ biến cứng kết tủa. Thép không gi ferit và thép không gỉ mactenzit (kể cả thép không gỉ hỗn họp mactenzit - ferit) còn được biết dưới tên gọi chung là thép không gỉ crom. Thép không gỉ austenit còn được gọi là thép không gỉ C r-N i. Thông thường trong thép không gi, hàm lượng crom tối thiểu là 10,5%. Thép không gi có được đặc tính không gi nhờ vào lớp oxit bề mặt giàu crom rất bền vững. Các nguyên tố khác (Ni, Mo, Cu, Ti, Al, Si, Nb, N, s, Se) được đưa vào thép không gỉ nhằm cải thiện một số tính chất nhất định của thép. Hàm lượng cacbon trong thép không gỉ thường từ dưới 0,03% đến trên 1,0% (trong một số loại thép không gỉ mactenzit). Cùng một loại thép hợp kim cao nhưng có thể sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau (chống ăn mòn, chịu nhiệt, bền nhiệt, V .V .) , do đó chế độ hàn cũng có thể khác nhau. 158
4.1 Công nghệ hàn thép không gỉ crom 4.1.1 Thành phần và tính chất kim cơ bản Thép không gỉ crom có nhiều loại. Theo phân loại AISI, chúng thường được biết đến dưới tên gọi thép loạt 400, ví dụ, thép 410 (chứa 11,5 +13,5% Cr; tối đa 0,15% C ) , thép 430 (chứa 15+17% Cr; tối đa 0,12% C), thép 446 (chứa 27,5+29,5% Cr; tối đa 0,20% C) là các loại được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Chúng được dùng để chế tạo các chi tiết như dụng cụ mổ y tế, bộ đồ ăn, bề mặt làm việc của các loại van, bom, ống xả xe hơi, chi tiết động cơ phản lực, v.v. Cũng có thể sử dụng ký hiệu thép không gỉ crom theo thành phần hóa học, ví dụ, 08X13 (theo tiêu chuẩn GOST của Nga), trong đó 08 là hàm lượng cacbon (0,08%) và 13 là hàm lượng crom (13%). Crom có cấu trúc tinh thể lập phương thể tâm, đồng hình với or-ferit. Do đó, khi họp kim hóa Fe bàng Cr, vùng dung dịch rắn ^austenit sẽ bị thu hẹp và vùng ư-ferit sẽ được mở rộng. Crom ở hàm lượng 12% sẽ tạo thành màng oxit mang tính thụ động trên bề mặt thép, làm cho thép trở nên không gỉ ở nhiệt độ bình thường (để thép không gỉ ở nhiệt độ cao, hàm lượng Cr > 30%). Với oxi, crom tạo thành Cr2Ũ3 có nhiệt độ nóng chảy cao. Crom có ái lực mạnh với cacbon, tạo thành cacbit Cr7C3 và Cr23C6. Nó cũng có thể hòa tan trong cementit để thạo thành (Fe, Cr)3C hoặc tạo hỗn họp cacbit có hòa tan Fe như (Fe, Cr)23C6. Cacbit crom 1 20 50 40 50 60 70 80 Cr%ng.t. 0 có tính ổn định nhiệt cao hơn cementit: chúng bị hòa tan vào trong thép ở nhiệt độ cao hơn và quá trình hòa tan cũng xảy ra chậm hom (ờ thép cacbon bình thường, nhiệt độ A, là 710 °c, còn với thép không gi N crom là 900 °C). Otóỉữ Ỉ0 w t60 70 S0Cr,%kh.lg. Trên giản đồ Hình trạng thái Fe - Cr (hình 4-1Giản đồ trạng thái Fe Cr [2] 159
4-1 và hình 4-2), vùng tồn tại của dung dịch rắn y-austenit trong thép không gỉ crom thay đổi tùy theo hàm lượng crom và cacbon và một số nguyên tổ khác nữa như niken, molybden, v.v. Có thể thấy, ở hàm lượng trên 16% Cr và dưới 0,2% c , thép không còn chứa ỵ - austenit ở bất kỳ hàm lượng và nhiệt độ nào nữa. ực 1300 1100 900 0 0fi ụ ực/4 Hình 4-2 Vùng tồn tại dung dịch rắn ỵ-austenit theo hàm lượng cacbon và crom [2] Crom trong thép sẽ làm quá trình phân hủy ỵ - a bị chậm lại, làm giảm đáng kể tốc độ nguội tới hạn (đẩy đường cong phân hủy austenit dạng chữ c sang bên phải). Do đó, có thể xuất hiện mactenzit trong thép không gỉ crom, như là kết quả của quá trình biến đổi pha không khuyếch tán từ austenit, ngay cả khi lượng cacbon tương đổi nhỏ và tốc độ nguội chậm (nhỏ hơn và chậm hơn so với thép cacbon không hợp kim có cùng hàm lượng cacbon). Khi lượng Cr > 12% (đường cong chữ c dịch chuyển nhiều về phía bên phải), sự ổn định của austenit lớn tới mức ngay cả ở nhiệt độ kém ổn định nhất cùa austenit (Tm = °C), nó cần có một khoảng thời gian tương đổi dài 0 7 (300 5) mới có thể phân hủy đẳng nhiệt được. Khi nguội liên tục trong điều kiện hàn, thậm chí tốc độ nguội rất chậm của thép trong vùng 800^650 °c (xung quanh nhiệt độ vào khoảng 0,2 °c/s cũng tạo nên tổ chức hoàn toàn mactenzit, xem hình 4-3. Để thép có thể có cơ tính tối ưu (độ bền cao kết hợp với tính dẻo tốt), trong trường hợp như vậy, người ta phải tiến hành tôi và ram cao. Thép không gỉ crom từ 10,5-^12% Cr, khi có chứa thêm các nguyên tố như Mo, w, Nb, V và Ni, sẽ có khả năng bền nhiệt (chúng được gọi là thép bền nhiệt) lên đến 600 °c. về mặt tổ chức kim loại 160
(cấu trúc), thép không gỉ crom có thể thuộc một trong ba loại: mactenzit (M), mactenzit - ferit (M+F), và ferit (F), xem hình 4-4. H ình 4 -3 Thời g ia n p h â n hủy đẳng nhiệt thép ch ứ a so với các loại thép khác crom h ơ n [2] T h é p c ó h à m lư ợ n g c ro m tố i đ a 1 2 + 1 3 % v à c a cb o n tối th iể u 0 ,0 5 + 0 ,0 6 % có tổ c h ứ c M ở n h iệ t đ ộ th ư ờ n g . T rê n h ìn h 4 -5 là tổ c h ứ c té vi th é p th u ộ c n h ó m M . T ại hàm lư ợ n g cro m c a o h ơ n ( từ 16% C r ở 0 ,0 6 % C ), tr o n g q u á tr ìn h n u n g , th é p chuyển b iể n sang trạ n g thái a u s te n it v à m ộ t lư ợ n g n h ò ferit c h ư a k ịp b iế n đ ổ i. S au khi n g u ộ i, th é p sẽ c ó tổ c h ứ c M + F . D ồ n g th ờ i v iệ c tă n g h à m lư ợ n g c ro m tr o n g th é p (k h i h àm Hình 4-4 Tổ ch ứ c kim loại thép lư ợ n g cacbon không đ ổ i) sẽ không gỉcrom theo hàm lư ợ n g là m tă n g tỷ lệ p h a F tro n g crom và ca cb o n [2] th é p . N eu tă n g hàm lư ợ n g c ro m h ơ n n ữ a (ở h à m lư ợ n g c a c b o n n h ỏ ) th ì th é p ( tro n g trạ n g th á i rắ n ) sẽ c ó tổ c h ứ c F ở b ấ t kỳ n h iệ t độ v à tố c đ ộ n g u ộ i n à o . S ự k h á c n h a u 161 CNHĐNC-11
chỉ ờ lượng cacbit tương đối tiết ra. Trên hình 4-6 là tố chức tế vi thép thuộc nhóm F. V ì v ậ y , v ớ i h à m lư ợ n g c a c b o n 0 ,0 5 + 0 ,0 6 % , th é p 1 2 + 1 3 % C r sẽ th u ộ c n h ó m M ; th é p 1 3 + 1 6 % C r sẽ th u ộ c n h ó m M + F v à th é p có tr ê n 1 6 % C r sẽ th u ộ c n h ó m F . N ế u h à m lư ợ n g c a c b o n tă n g lê n , cá c g iá trị tư ơ n g ứ n g c ủ a h à m lư ợ n g C r sẽ d ịc h c h u y ể n v ề p h ía c ó h à m lư ợ n g c ro m c a o h ơ n . Hình 4-5 Tổ chức tế thép Hình 4-6 Tổ chức tế thép không gỉ crom cao mactemit không gỉ crom cao ferit B ả n g 4-1 c h o b iế t m ộ t số lo ạ i th é p k h ô n g gỉ c ro m tiê u b iể u c ù a L iê n b a n g N g a . Bảng 4-1Một sổ loại thép không gỉ crom của Liên bang Nga [2, 32] Thành phần, % TỔ chức Công dụng 08X13 (EI 496)
Bảng 4-1(Tiếp) Thành phần, % Cấu trúc Công dụng 18X12MOEP 0,15-0,22 C;
Trên bảng 4-2 là thành phàn và ứng dụng của các loại thép không gỉ crom theo phân loại của AISI. Bảng 4- 2 Thành p h ầ n và ứ n g d ụ n g của thép kh ô n g g i crom theo [ 1 2 ] Ỉ S I A Loại Thành phần, % Cấu trúc/ Công dụng 403 < 0,15 C; 1,0 Mn; 0,5 Si; M/ Cánh quạt tuabin hơi nước, các 1,5-13,0 Cr chi tiết chịu ứng suất cao. 410
4. 1 . 2 Tínhhàn củathép không g ỉ c r o m T ù y th e o c h ế đ ộ n h iệ t k hi h àn v à n h iệ t đ ộ v ậ n h à n h , n h iề u loại th é p k h ô n g gì c ro m có th ế thay đổi tổ ch ứ c v à tín h c h ấ t c ủ a c h ú n g , c h ủ y ế u là bị g iò n . T h e o th à n h p h ầ n h ó a học v à ả n h h ư ờ n g c ủ a c h ế đ ộ n h iệ t, c ó th ể p h â n h iệ n tư ợ n g g iò n th é p k h ô n g gỉ c ro m th à n h c á c lo ại: • Giòn ờ 475 :t C °h é p trở nên g iò n (cả th é p k h ô n g g ỉ c ro m lẫ n h ợ k im C r) d o b ị n u n g ở n h iệ t độ 4 0 0 + 5 4 0 °c (c h ủ y ế u ở 4 7 5 °C ) q u á lâ u , đ ặ c b iệ t th é p có h à m lư ợ n g 1 5 + 70% C r. C á c n g u y ê n tố T i v à N b c ũ n g c ó tá c d ụ n g th ú c đẩy q u á trìn h này. • Giòndo pha sigma ơ : ở h àm lư ợ ng C r k h ô n g lớ n , s a u k h i th é p trả i q u a th ờ i g ia n ở v ù n g n h iệ t độ 600+880 °c, th ì s a u k h i n g u ộ i sẽ k h ô n g x u ấ t h iệ n p h a g iò n ơ (đây là d u n g d ịc h rắ n F e - C r c ó tỷ lệ h à m lư ợ n g 1:1). T u y v ậy, n ế u h à m lư ợ n g C r > 2 0 + 2 5 % th ì sẽ x u ấ t h iệ n m ạ n h p h a ơ . C á c n g u y ên tố n h ư M n , M o , c ó k h ả n ă n g m ở rộ n g v ù n g tồ n tạ i c ủ a p h a này. • Giòn do nungferit ở nhiệt độ cao: k hi th é p k h ô n g g ỉ c tớ i n h iệ t đ ộ trê n 1 1 5 0 °c , k ích th ư ớ c h ạt c ủ a th é p sẽ tă n g . V ì th é p k h ô n g gỉ c ro m th ư ờ n g c h ứ a cả ca c b it, khi bị n u n g v à n g u ộ i n h a n h ( tr o n g đ iề u k iệ n h à n ), c a c b it đ an g h ò a ta n sẽ c h i là m c h o m ộ t v ù n g n h ỏ k im lo ạ i x u n g q u a n h hạt ca c b it g iàu c a c b o n , c ò n s ự đ ồ n g n h ấ t h ó a to à n b ộ th ì lạ i c h ư a k ịp x ả y ra. D o v ậy tạ i n h ữ n g v ù n g n h ỏ đ ó , x u ấ t h iệ n đ iề u k iệ n c h o p h ản ứ ng c h u y ể n b iế n p h a a - Ỵ k h i n u n g , v à y - a k h i n g u ộ i. C á c q u á trìn h n ày d ễ x ả y r a n h ấ t ở v ù n g tin h g iớ i ( b iê n g iớ i h ạ t). D o đ ó , và cà d o sự x u ấ t h iệ n ứ n g s u ấ t c ụ c b ộ m à k im lo ạ i s a u k h i n g u ộ i n h an h sẽ có tín h d ẻ o th ấ p ở n h iệ t đ ộ th ư ờ n g . C á c h k h ắ c p h ụ c khi hàn: tiế n h à n h ủ , h o ặ c ra m ờ n h iệ t đ ộ 730+790 °c (tù y th à n h p h ầ n thép). C ò n có th ế g iả m sự tă n g đ ộ h ạ t ở n h iệ t đ ộ c a o th ô n g q u a 2 b iện p h áp : bổ s u n g n itơ v à o th é p fe rit ( 1 % g iá trị h à m lư ợ n g C r) h o ặc tă n g h à m lư ợ n g c a c b o n . T ín h h à n c ủ a th é p k h ô n g gỉ cro m p h ụ th u ộ c v à o n h ó m c ấ u trú c k im lo ạ i c ủ a n ó . T h é p k h ô n g gi cro m th u ộ c n h ó m tổ c h ứ c m a c te n z it v à n h ó m m a c te n z it + ferit c ó tín n h àn tư o n g tự n h a u , n h ư n g k h á c tín h h à n c ủ a th é p k h ô n g gỉ c ro m th u ộ c n h ó m ferit. 165
4.1.3 Vậtliệu hàn, công nghệ vàkỹ thuật hàn I) Chọn vật liệu hàn N ế u th à n h p h ầ n k im loại m ố i h à n p h ả i g iố n g v ớ i c ủ a k im lo ạ i c ơ b ả n v à n ế u sa u k h i h à n có th ể tiế n h à n h ra m c a o , tín h c h ấ t c ủ a liê n k ế t h à n th é p k h ô n g gỉ c ro m sẽ tư ơ n g tự n h ư c ủ a c á c c h i tiế t đ ư ợ c c h ế tạ o b ằ n g p h ư ơ n g p h á p cá n h o ặ c rèn . T u y n h iê n , trê n th ự c tê , đ iề u n à y k h ó th ự c h iệ n tro n g đ iề u k iệ n h à n lắp ráp v à sử a c h ữ a tạ i h iệ n trư ờ n g . N ế u c h ỉ c h ú ý b ả o đ ả m ch o m ố i h à n c ó th à n h p h ầ n h ó a h ọ c g iố n g c ủ a k im lo ạ i c ơ b ả n m à k h ô n g d ù n g c á c b iệ n p h á p c ô n g n g h ệ k h á c ( n u n g n ó n g s ơ bộ, n u n g n ó n g đ ồ n g th ờ i k h i h à n , ra m s a u k h i h à n ) th ì tr o n g n h iề u trư ờ n g h ợ p (n h ấ t là k h i liê n k ế t h à n có đ ộ c ứ n g v ữ n g c a o ), c ó th ể xảy r a n ứ t tro n g k im loại m ố i h à n v à v ù n g ả n h h ư ở n g n h iệ t v à s a u khi h à n , liê n k ế t h à n c ò n có k h ả n ă n g b iế n d ạ n g rấ t th ấ p . V ì v ậ y , n g ư ờ i ta có th ể c h o p h é p sử d ụ n g lo ạ i v ậ t liệ u h à n m à s a u k h i h à n , k im lo ạ i m ố i h àn k h ô n g n h ấ t th iế t c ó th à n h p h ầ n h ó a h ọ c g iố n g k im lo ạ i c ơ bản. K im lo ạ i m ố i h à n th íc h h ợ p n h ấ t là lo ạ i c ó tổ c h ứ c a u s te n it (A ) h o ặc a u s te n it + fe rit (A + F ). Đ â y th ư ờ n g là v ậ t liệ u th u ộ c n h ó m th é p k h ô n g gỉ a u s te n it (c ó đ ủ lư ợ n g n g u y ê n tố tạ o a u s te n it n h ư N i, M n , V .V .) . S au k h i h à n b ằ n g v ậ t liệ u h à n lo ạ i n à y th ì k h ô n g n ê n n h iệ t lu y ệ n (ra m ) m ố i h à n bở i v ì tín h c h ấ t k im lo ạ i m ố i h à n c ó th ể b ị s u y g iả m v à gây r a s ự c h ê n h lệ c h lớ n v ề ứ n g s u ấ t d ư tại v ù n g g â n b iê n n ó n g chảy. C á c q u á trìn h h àn th ư ờ n g áp d ụ n g ch o th é p k h ô n g gỉ c ro m là h à n h ồ q u a n g ta y , h àn tro n g m ô i trư ờ n g k h í b ả o v ệ v à h à n d ư ớ i lớ p th u ố c . K h i h à n h ồ q u a n g tay, c ầ n sử d ụ n g q u e h à n c ó v ỏ b ọ c th u ộ c h ệ x ỉ C a F 2 - C a C 0 3 (b azơ ). Đ iề u n ày đ òi h ỏi q u e h à n p h ả i đ ư ợ c sấ y ở 45CH-500 °c/2h đ ể n g ăn n g ừ a h y d ro th â m n h ậ p k im lo ạ i m ố i h à n . Đ ổ i v ớ i k ế t c ấ u tấ m m ỏ n g h o ặ c h à n ló t đ áy m ố i h à n n h iề u lớ p , có th ể s ử d ụ n g q u á tr ìn h h à n b ằn g đ iệ n c ự c k h ô n g n ó n g c h ả y tr o n g m ô i trư ờ n g a rg o n , v ớ i d â y h à n p h ụ có th à n h p h ầ n g ầ n g iố n g k im lo ạ i c ơ b ả n . V ớ i c á c k ế t c ấ u tấ m c ó c h iề u dày tru n g b ìn h trở lê n , c ó th ể h à n b ằ n g đ iệ n c ự c n ó n g c h ả y tro n g m ô i trư ờ n g k h í h o ạ t tín h , n h ư n g p h ả i b ả o đ à m d â y h à n c h ứ a đ ủ lư ợ n g n g u y ê n tố k h ử o x i cầ n th iế t. K h i s ử d ụ n g h à n d ư ớ i lớ p th u ố c , c ầ n d ù n g th u ố c h à n th u ộ c h ệ x ỉ b a z ơ k h ô n g c h ứ a o x i, k ế t h ợ p v ớ i d â y h à n C b -15X 12H M B
2) C ông nghệhàn thép không gỉ cromnhóm m a c mactemit + ferit Vật liệu hàn cho thép không gỉ crom thuộc nhóm M và M + F có thể chọn theo bảng 4-3. Báng 4- 3 C h ọ n vật liệuhàn cho thép không M và M + F Kim loại cơ bàn Vật liệu hàn (AIS1) AIS1 Tiêu chuẩn DIN Lựa chọn 1 Lựa chọn 2 Lựa chọn 3 loại tương đương 403 1.4000 410 309L/309MO 310 410 Ị .4006 410 309L/309MO 310 414 - 410 309L/309MO 310 416 - 410 309L/309MO 310 4l6Se — 410 309L/309MO 310 420 — 410 309L/309MO 310 431 1.4057 430 3087/308 309 440A — 312 309L/309MO — 440B — 312 309L/309MO — 440C — 312 309L/309MO — Khi hàn thép mactenzit, dễ xảy ra hiện tượng nút nguội tại vùng ảnh hưởng nhiệt và tại kim loại mối hàn (nếu kim loại mối hàn có thành phần tương tự hoặc giống kim loại cơ bẳn). Tố chức tôi xuất hiện tại các vùng đó có độ cứng cao và khả năng biến dạng thấp. Ngoài ra, ứng suất dư và độ cứng vững cao của kết cấu cũng làm tăng khả năng nứt. Để khắc phục hiện tượng nứt nguội khi hàn, có thể sử dụng những biện pháp như: • Biếntính làm mịn hạt kim loại bằng titan, giảm giá trị năng lượng đường.• • N ungnóng sơ bộ trước khi hàn nung nóng đ ồ hnĐầy là biện pháp triệt để nhất. Với thép mactenzit và thép à. mactenzit + íerit, cần nung nóng sơ bộ 200-Í-450 °c (nung cục bộ hoặc nung toàn phần, nhiệt độ nung tăng theo độ cứng vững của liên kết); khi hàn cần nung đồng thời 200-K250 °c. Khi hàn xong, cần để mối hàn nguội chậm, tránh gió lùa. Ngoài ra, trong một số trường hợp, có thê thông qua các biện pháp khác nhằm giả m độ 167
cứng vững của liênkết hàn.Ví dụ, khi hàn bằng điện cực nóng chảy các kết cấu tấm mỏng có độ cứng vững nhỏ (thép 08X13 có chiều dày nhỏ hơn 18 mm, thép 12X13 mỏng hơn 10 mm và thép 20X13 mỏng hơn 8 mm) thì không cần phải nung nóng sơ bộ. Trong một số trường hợp, nung nóng sơ bộ và nung nóng đồng thời không ngăn được việc xuất hiện tổ chức mactenzit. Vì vậy sau khi hàn, liên kết có thể có độ cứng cao và độ ịfu ak, kp .m /cm 2 dai va đập thấp. Khi đó, cần tiến hành ram cao để cải thiện cơ tính liên kết hàn. cấu trúc kim loại sau khi ram thường là xoocbit ram cộng với một lượng nhất định ferit tự do (tỷ lệ pha này càng ft thì độ bền càng cao). Hình 4-7 cho thấy sự cải thiện độ cứng và độ dai va (a) thép 14CrXH2 và (b) thép 2 0 X 13 dày 4 mm đập của vùng ảnh Hình 4-7 Thay đối độ cứng và độ dai va đập hường nhiệt (gần sau khi hàn và ram [2] đường chảy) thép 14X17H2 và thép 20X13 chiều dày 4 mm sau khi hàn và ram. Có thể nói, chế độ nhiệt luyện sau khi hàn thường gắn liền vói chế độ hàn. Trên hình 4-8 là ảnh hưởng của 4 chế độ hàn kết hợp với nhiệt luyện đến chu trình nhiệt hàn của kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt của thép mactenzit crom cao. Chế độ thứ nhất là hàn nhiều lớp kết hợp với nung nóng sơ bộ và nung nóng đồng thời ở 380 °c (cao hơn nhiệt độ Ms của thép). Sau đó kết cấu được để nguội hoàn toàn xuống nhiệt độ môi trường xung quanh rồi mới tiến hành ram cao. Nhược điểm củạ chế độ này là có thể xuất hiện các vết nứt trước khi tiến hành ram cao. r f F Chê độ thứ hai là hàn và nung nóng như chê độ thứ nhâl, / 1 / nhưng ngay sau khi hàn thì đưa liên kêt vào lò đê tiên hành ram cac. 168
Tuy biện pháp này ngăn được sự xuất hiện mactenzit và nguy cơ nứt vùng ảnh hưởng nhiệt, nó lại dẫn đến việc hình thành cấu trúc hạt thô ferit và cacbit có độ dai va đập thấp. Chế độ thứ ba là hàn kết họp với nung nóng như hai chế độ trên (kết họp nung nóng sơ bộ và nung nóng đồng thời ở 380 °C). Sau đó liên kết được làm nguội xuống đến 1 2 0 - 1 0 0 °c và giữ trong Hàn nhiều lớp X 2 giờ để quá trình chuyển biến pha austenit sang // T * Ỉ 801 u ' mactenzit ZỊ. T ã v\ (/ có thể kết X-- M T-iỊ0°C \\ - S0 J Ị thúc nhưng :------- không gây ÌỊt nứt vùng Hình 4-8Chu trình nhiệt loại vùng ảnh ảnh hưởng nhiệt khihàn và thép không gỉ crom nhiệt. Ngay chứa tổ chức mactemit [2] đó liên sau đò lien kết được ram cao. Chế độ như vậy vừa bảo đảm độ bền và độ dai va đập cần thiết. Chế độ thứ tư là nung nóng sơ bộ và nung nóng đồng thời khi hàn lên đến 160 °c, hàn nhiều lớp. Sau đó để liên kết nguội xuống 100 °c và lưu tại nhiệt độ đó tối thiểu trong 4 giờ rồi để nguội hoàn toàn. Sau đó tiến hành ram cao. Kết quả cũng tương tự như chế độ thứ ba. Ngoài chế HB độ hàn và chế độ nhiệt luyện sau khi Thíp l50rl2\Y M oV hàn, chế độ nhiệt luyện trước khi hàn cũng ảnh hưởng đến cơ tính liên kết hàn. Nếu trước khi hàn, thép đã được (1: 680"c ; 7 : 20Ơ’C) đèn độ cứng loại cơ ban (o) tôi và ram ở nhiệt và vùng ram cao khi hàn độ thấp hơn nhiệt Hình 4-9 Anh hường của chế độ nhiệt luyện độ ram cao sau khi trước khi hàn [2] 169
hàn, thì sau khi hàn tại vùng ảnh hưởng nhiệt cách đường chảy 4-5 mm sẽ xuất hiện một khu vực có độ bền suy giảm (do tác dụng ram của nhiệt hàn). Sau đó, việc ram cao sẽ không thể phục hồi lại được cơ tính cần thiết trước khi hàn, hình 4-9. Vì vậy, để bảo đảm đồng đều cơ tỉnh liên kết hàn, sau khi hàn cần ram cao ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đã ram trước khi hàn một khoảng 20 °c. Nhiệt luyện sau khi hàn không chỉ ảnh hưởng đến cơ tính, mà còn ảnh hưởng đáng kể đến khả năng chống ăn mòn và khả năng bền nhiệt của thép. Trên hình 4-10 là ảnh hưởng của tỷ lệ bề mặt kim loại cơ bản (KLCB) không bị tôi (đường cong 2) và bề mặt kim loại vùng ảnh hưởng nhiệt (AHN) bị tôi (đường cong 1) của thép 14X17H2 lên tốc độ ăn mòn trong dung dịch 56% HNO3 sôi. Tiếp xúc của kim loại mối hàn và kim loại vùng ành hưởng nhiệt (ở trạng thái tôi) với kim loại cơ bản không bị tôi (trạng thái ủ) dẫn đến hiện tượng ăn mòn có chọn lọc kim loại vùng bị tôi trong thép mactenzit. Khả năng chống ăn mòn ở đây phụ thuộc vào tỷ lệ các bề mặt tương tác trong môi trường chất ăn mòn. Thép không gỉ crom thuộc nhóm ferit và mactenzit + ferit có xu hướng bị ăn mòn tinh giới (còn gọi là ăn mòn giữa các tinh thể - sẽ được đề cập tới trong mục 4.7.2 nói về hàn thép không gỉ austenit). Để phục hồi khả 60 o/m2.h năng chống ăn mòn tinh giới, người ta thường I V tiến hành ram cao. Bảng 4-4 • * 5 cho biết vật liệu .5 L ? hàn và chế độ 1 LKCB/ANH nhiệt luyện sau Tỳlệ bề mặt khi hàn đối với Hình 4-10Anh hưởng của nhiệt luyện sau một sọ loại thép khi hàn đến khả năng mactenzit tiêu chong ăn mòn của kết hàn [2] biểu. 170
Bảng 4 -4 Vật liệuhàn và nhiệt luyện sau khi hàn th ép m a c te Kim loại cơ bản Hàn hồ quang tay Hàn trong C02 Hàn dưới lớp thuốc 12X13 3-12X13 CB-08X14IT CB-08X14IT 20X13 (760 °c /4 h ) (700 °c/3h) Thuốc hàn axit nhẹ (750 °c/5h) 13X11B2M4) 3-10X11BM
Như đã đề cập, thép ferit có xu hướng tăng kích thước hạt vùng ảnh hưởng nhiệt và vùng kim loại mối hàn (nếu thành phần hóa học mối hàn giống của kim loại cơ bản), cấu trúc hạt thô làm giảm tính dẻo và độ dai va dập của thép ở nhiệt độ thường và nhiệt độ thâp. Ngoài cấu trúc hạt thô, tại vùng tinh giới có thể hình thành mactenzit hình kim. Việc ram mactenzit (sau khi hàn) ở nhiệt độ 800 °c sẽ cải thiện đáng kể độ dai va đập. Trên hình 4-11 là giá trị độ dai va đập của kim loại cơ bản (KLCB) và vùng ảnh hưởng nhiệt (AHN) của thép 08X17T với chiều dày 10 mm (hàn dưới lớp thuốc) theo nhiệt độ thử mẫu kim loại các vùng đó sau khi hàn. ak , kp. m/crn2 Khi hàm lượng (%) titan trong thép 20 nhỏ, tức là Ti < 7.(C + 6/7.N), 16 những vùng của liên kết 12 hàn được nung tới nhiệt 8 độ 950 °c và nguội 4 nhanh sẽ bị suy giảm khả năng chống ăn mòn, đặc 0 -40 0 40 Bớ m ực biệt là ăn mòn tinh giới. Ram ở nhiệt độ 760+-780 Hình 4-1 ỉ Độ dai va đập vùng ảnh °c có tác dụng tăng tính hưởng nhiệt so với kim cơ bản [2] dẻo và khả năng chông ăn mòn của liên kết hàn. Đế tránh hiện tượng tăng kích thước hạt khi hàn, nên sử dụng nguồn nhiệt tập trung có công suất nhỏ. Khi hàn hồ quang tay và hàn bằng điện cực nóng chảy trong môi trường CƠ2, vật liệu hàn cần bảo đảm kim loại môi hàn có được thành phần tương tự kim loại cơ bản (ferit) hoặc tổ chức kim loại austenit hoặc austenit + ferit. Vật liệu hàn thường được chọn sao cho kim loại mối hàn chủ yếu là thép không gỉ austenit thuộc hệ Cr - Ni hoặc Cr - Ni - Mn. Khi hàn dưới lớp thuốc, lượng kim loại cơ bản hòa tan vào mối hàn thường lớn hơn so với hàn hồ quang tay. Do đó dây hàn phải chứa một lượng nguyên tố tạo austenit (ví dụ, dây X25H18) nhiêu hơn so 172
với que hàn (ví dụ, que hàn l o ạ i X25H13). Khả năng chống ăn mòn cùa tổ chức kim loại hai pha austenit + ferit có thể bị suy giảm trong một số môi trường. Khi quá trình vận hành không đòi hỏi liên kết hàn có tính dẻo cao, để tránh nứt khi hàn, đặc biệt khi độ cứng vững của liên kết hàn lớn, có thể tiến hành nung nóng sơ bộ và nung nóng đồng thời ở 120180 °c. Khi kim loại mối hàn cần có tổ chức ferit, có thể thực hiện băng hàn hồ quang tay, với que hàn thuộc nhóm vỏ bọc bazơ chứa một lượng lớn ferotitan và nhôm trong vỏ bọc (10X17T, 10X29). Khi hàn bằng que hàn austenit (loại 07X25H13, 07X25H18), kim loại mối hàn có tính chất khác với kim loại cơ bản (ferit). Khi hàn tự động (hàn dưới lóp thuốc, hoặc trong môi trường CO2) độ dai va đập của kim loại mối hàn có tổ chức ferit không tăng ngay cả khi ram cao (mặc dù ram làm tăng khả năng chống ăn mòn đối với thép ferit loại 08X17T). Trong thực tế, vật liệu hàn được sử dụng phổ biến nhất cho kim loại mối hàn thép không gỉ thuộc hệ Cr - Ni (austenit và austenit + ferit). Trong trường họp đó, kim loại mối hàn phải chứa Ti hoặc Nb để bảo đảm khả năng chống ăn mòn của nó tương đương kim loại cơ bản (ví dụ, để hàn thép 08X17T, cần dùng dây hàn loại 08X20H15OEIO cho hàn trong khí CO2). Khi hàn thép ferit chịu nhiệt chứa từ 25% Cr trở lên, trong kim loại mối hàn phải có lượng Cr tương ứng. Khi hàn tự động cân chú ý bảo đảm kim loại mối hàn có cấu trúc austenit hoặc austenit + ferit (50% ferio" về mặt độ nhạy cảm của thép không gỉ ferit crom cao 17% và 25-30% Cr (loại AISI 430 yà AISI 446) đối với ăn mòn tinh giới (sẽ đề cập kỹ trong phần nói về hàn thép không gỉ austenit) so với thép austenit không chứa các nguyên tố ổn định hóa austenit, sự khác biệt nằm ở chỗ dải nhiệt độ nhạy cảm của thép không gỉ ferit năm cao hơn nhiệt độ 925 °c và để phục hồi khả năng chống ăn mòn tinh giới của chúng, chỉ cần ủ thép ferit trong khoảng 650^-815 °c trong 15+60 phút. Do dải nhiệt độ nhạy cảm cao, vùng kim loại năm kê môi hàn sẽ là vùng nhạy cảm (tại đó có thể xuất hiện cacbit crom), khác với thép 173
không gỉ austenit, khi mà vùng này nằm cách mối hàn một khoảng cách nhất định. Không như đối với thép không gỉ austenit, việc giảm hàm lượng cacbon trong thép không gỉ ferit không có tác dụng ngăn sự hình thành cacbit crom (với thép AISI 430, hàm lượng 0,009% c vẫn không bảo đảm ngăn cacbit crom xuất hiện sau khi hàn). Trong trường hợp như vậy, việc bổ sung các nguyên tố như Ti (0,5%) và Nb (1,0%) có tác dụng ngăn ngừa cacbit crom hình thành. Ngoài ra, hai nguyên tố này còn có tác dụng ngăn mactenzit hình thành tại tinh giới (chúng có tác dụng tăng tính ổn định của ferit và do đó ngăn việc hình thành austenit). Việc tăng tốc độ nguội từ 925 °c trong khi hàn cũng không thực sự ngăn được cacbit crom hình thành, trừ khi hàm lượng cacbon trong mối hàn cực thấp (0,002% đối với thép AISI 446). Lý do là tốc độ khuyếch tán của cacbon và crom trong tổ chức kim loại ferit cao hơn nhiều so với trong tổ chức austenit. Có thể nung nóng sơ bộ thép không gỉ ferit tới 150 °c hoặc hơn nhằm mục đích giảm ứng suất dư. Nói chung, chỉ cần nung nóng sơ bộ các liên kết hàn có chiều dày lớn. Các liên kết dày từ 6 mm trở lên được nung nóng sơ bộ đến 95+205 °c, tùy theo chiều dày và độ cứng vững của liên kết. Nhiệt độ giữa các đường hàn cần được giới hạn ở mức cao hơn nhiệt độ nung nóng sơ bộ một chút. Các loại thép ferit ít crom và được ổn định hóa bằng các nguyên tố như Al, Ti (ví dụ, thép AISI 405 và 409) thường không chịu ảnh hưởng của nhiệt hàn và có thể được sử dụng ngay ở trạng thái sau khi hàn. Tuy nhiên, các thép không gi ferit có hàm lượng crom và cacbon nâng cao (các loại AISI 430, 434, 442 và 446) có xu hướng tạo cacbit crom ở tinh giới trong vùng ảnh hường nhiệt (nhạy cảm với ăn mòn tinh giới). Vì vậy sau khi hàn, chúng cần được ủ để hòa tan cacbit crom và phục hồi lại khả năng chống ăn mòn. Nhiệt luyện thép không gỉ crom sau khi hàn ở 705+845 °c có tác dụng ngăn sự tiếp tục gia tăng kích thước hạt. Tuy nhiên cần giảm mức độ tiếp xúc của vật hàn với môi trường không khí (chứa oxi) trong quá trình nhiệt luyện và cho kim loại nguội nhanh trong khoảng 540+370 °c (để chống giòn ở 475 °C). 174
4. 2 Công nghệ hàn thép không gỉ austenit 4.2.1 Thành phần và tính chất kim loại cơ bản Thép hợp kim cao (Cr, Ni, và Cr - Ni) được sử dụng chủ yếu trong ngành năng lượng, hóa chất do có khả năng chịu lạnh, bền nhiệt, chịu nhiệt và chống ăn mòn cao. Khác với thép hợp kim thấp, chúng có độ dẫn nhiệt thấp và hệ số dãn nở nhiệt cao. Điều này gây nên ứng suất gia tăng trong quá trình nguội khi hàn. Trên hình 4-12 là tổ chức tế vi thép không gỉ austenit. Thép hợp kim cao thuộc hệ Cr - Ni có nhiều loại, về cơ bản, chúng có tổ chức kim loại là austenit và chứa từ 16% Cr và 7% Ni trở lên. Các thép này còn được biết đến dưới tên gọi thép loại 300. Loại phổ biến nhất là thép 18/8, chứa 18% Cr và 8% Ni. Theo công dụng, thép không gỉ austenit thường được chia thành ba loại, tùy theo mục đích sử dụng: chông ăn mòn, bên nhiệt và chịu nhiệt: • Thép chống ăn mòn (tối đa 0,12% C): tùy thành phần và chế độ nhiệt luyện, các thép loại này có khả năng chông ăn mòn ở nhiệt độ thường và cao (đến 800°C) trong không khí, môi trường khí khác, dung dịch kiềm hoặc axit và kim loại lỏng. Ví dụ, ứng dụng: ống dẫn và khí cụ trong ngành hỏa chất và dâu khí.• • Thép và hợp kim bển nhiệt là các loại thép không gỉ austenit và hợp kim niken được hợp kim hóa bằng Mo, w (đên 7% mỗi nguyên tố) và B (bo). Các ứng dụng chủ yếu của chúng là thiêt bị năng lượng như đường ống, chi tiết tuabin khí có nhiệt độ vận hành đến 750 °c hoặc cao hơn. • Thép chịunhiệt là thép có khả năng chống ăn mòn bề mặt trong môi trường khí ở nhiệt độ tối đa 1100^-115Ọ °c. Trong thành phân của thép chịu nhiệt thường có các nguyên tô như nhôm (đên 2,5%) và vonfram (đến 7%) tạo khả năng chống oxi hóa. Cùng với silic, 175
chúng tạo lớp oxit bề mặt bền vững bảo vệ kim loại khỏi tác động của môi trường ăn mòn của khí ở nhiệt độ cao. Thép chịu nhiệt thường dùng để chế tạo các chi tiết chịu tải trọng thấp (phần từ nung, khí cụ l ò , V .V .). Trên bảng 4-6 là phân loại theo tiêu chuẩn GOST 5632-72 của Liên bang Nga đối với thép không gỉ austenit. Trên bảng 4-7 là phân loại của AISI đối với thép không gỉ austenit. Bảng 4- 6 Thành phần và công dụng không gỉ [2] Loại Thành phần, % Công dụng 08X18H10T < 0,08 C; < 0,80 Si; 1,0-2,0 Mn; 17,0-19,0 Cr; Chống ăn 9,0-11,0 Ni mòn 12X18H10T < 0,12 C;< 0,80 Si; 1,0-2,0 Mn; 17,0-19,0 Cr; Chống ăn 9,0-11,0 Ni; Ti = (C - 0,02).5 >0,7 mòn 08X18H12T < 0,08 C; < 0,80 Si; 1,0-2,0 Mn; 17,0-19,0 Cr; Chống ăn 11,0-13,0 Ni; Ti = (C*5) >0,6 mòn 10X17H13M2T < 0,10 C; < 0,80 Si; 1,0-2,0 Mn; 16,0-18,0 Cr; Chống ăn 12,0-14,0 Ni; Mo = 1,8-2,5; Ti = 0,3-0,6 mòn 08X18H12E < 0,08C; < 0,80Si; l,0-2,0Mn; 17,0-19,OCr; Chổng ăn 11,0-13,ONi; Nb - (C*8) >1,20 mòn 10X14ri4H4T < 010 C;< 0,80 Si; 13,0-15,0 Mn; 13,0-15,0 Chống ăn Cr; 2,5-3,5 Ni; Ti = (C - 0,02).5 >0,6 mòn 08X22H6T < 0,08C; < 0,80Si; < 0,80Mn; 20,0-22,0Cr; Chống ăn 4,8-5,8Ni; Ti = 0,3-0,6 mòn 10X21H6M2T < 0,08 C; < 0,80 Si; < 0,80 Mn; 20,0-22,0 Gr; Chống ăn 5,5-6,5 Ni; Mo = 1,8-2,5; Ti = 0,2-H),4 mờn 08X17H7ỊO < 0,09 C; < 0,80 Si; < 0,80 Mn; 16,0-18,0 Cr; Chống ăn 6,5-7,5 Ni; AI = 0,8-1,3 mòn 09X14H19B2EP 0,07-0,12 C ;< 0,60 Si; 1,0-2,0 Mn; 13,0-15,0 Chống ăn Cr; 18,0-20,0 Ni; w = 2,00-2,75; mòn Nb = 0,9-1,3; < 0,005 B; < 0,020 Ce Bền nhiệt 08X16H13M2E 0,06-0,12 C; < 0,80 Si;