Диффузионные прослойки в зоне сплавления.
Помимо переходных кристаллизационных прослоек в зоне сплавления разнородных сталей могут образовываться прослойки диффузионного характера. Их образование вызвано миграцией углерода при высоких температурах из низколегированной стали в высоколегированный шов.
После кристаллизации металла шва доминирующее значение приобретают диффузионные процессы в твердой фазе. Они протекают по двум противоположным законам: выравниванию химического состава и восходящей диффузии, обусловленной химическим сродством элементов друг к другу. По своему механизму рассматриваемый процесс относится к процессам диффузии в многокомпонентных системах, направление и скорость которых определяется не градиентом концентрации элементов (в данном случае углерода) на границе раздела, а градиентом химического сродства. Последнее приводит к тому, что углерод диффундирует в зоны, где имеются малоподвижные карбидообразующис элементы (Сг, Mo, V, Nb, Ti и др.) со значительно более высоким химическим сродством к нему, чем железо.
Активность углерода (по сравнению с другими элементами) объясняется малыми размерами его атома, образующего с железом твердые растворы внедрения. При всех температурах диффузионная подвижность углерода в a-железе заметно выше, чем в более плотноупакован- ной решетке у-железа. При этом коэффициент диффузии углерода в a-Fe выше, чем в y-Fe, при 910; 755 и 500 °С соответственно в 39; 126 и 835 раз. Диффузионная подвижность других легирующих элементов, образующих растворы замещения, значительно меньше и проявляется лишь при температуре более 1000 °С.
Такое соотношение диффузионной подвижности углерода и других легирующих элементов приводит к перемещению углерода через границу сплавления, что сопровождается образованием обезуглероженной безперлитной прослойки со стороны углеродистой или низколегированной составляющей и науглероженной - со стороны высоколегированной. Процесс начинается в условиях сварки и получает существенное развитие при повторных нагревах в процессе высокотемпературной эксплуатации. Наибольшее развитие прослойки получают в сварных соединениях углеродистых сталей с высоколегированными аустенитными или ферритными сталями с повышенным содержанием хрома и других энергичных карбидообразующих элементов. Высокое содержание хрома в аустенитных сталях вследствие большего химического сродства к углероду, чем у железа, предопределяет сильное понижение его активности в аустените. Углерод стремится закрепиться у атомов хрома, и активность к перемещению его понижается. Кроме того, более высокая растворимость углерода в аустените также определяет более низкую активность углерода в аустените, чем в феррите. Поэтому сварное соединение, в котором аустенитная сталь типа 08Х18Н10 находится в контакте с углеродистой или низко- и даже среднелегированной сталью, всегда склонно к образованию диффузионной неоднородности при нагреве.
Кинетика роста ширины обезуглероженных и науглероженных прослоек в соответствии с общими закономерностями диффузионного процесса определяется экспоненциальной зависимостью от температуры и квадратической от времени выдержки. Результатом развития прослоек является образование в зоне сплавления участков переменного состава и переходных структур, что приводит к резкому скачкообразному изменению свойств на участке очень малой протяженности.
Наиболее заметны результаты влияния процессов миграции углерода на свойства зоны сплавления при измерении твердости в поперечном сечении сварного соединения. Для примера на рис. 11 представлен график изменения твердости в зоне сплавления сварного соединения стали ЗОХМА с металлом шва 08Х18Н10 после нагрева при 700 °С в течение 100 ч. Перемещение углерода из стали ЗОХМА в аустенитный шов привело к образованию науглероженной прослойки с высокой твердостью, порядка HV 500, и примыкающей к ней обезуглероженной с твердостью всего ЯК 100. Рядом с обезуглероженной прослойкой на стали ЗОХМА создается неширокая зона частичной закалки с твердостью ~ HV 300. Образование такой неоднородности свойств способно значительно ухудшить различные характеристики общих свойств сварных соединений. Так, в участках с повышенной твердостью увеличивается склонность к образованию холодных трещин. В малопрочном обсзуглсрожснном слое при высокотемпературной эксплуатации соединений укрупняется зерно, падает прочность и возможно разрушение вследствие развития высокотемпературной ползучести.
Рис. 11. Твердость в зоне сплавления сварного соединения разнородных сталей
Одним из эффективных средств подавления диффузионных процессов в зоне сплавления разнородных сталей является введение в малолегированную сталь карбидообразующих элементов в количествах, необходимых для достаточно полного связывания углерода в стойкие карбиды. Так, достаточно ввести в низколегированную сталь 5 % Сг, чтобы подавить диффузию углерода в аустенитный шов при температурах эксплуатации до 500...520 °С.
Другим эффективным средством подавления диффузионных процессов в зоне сплавления соединений перлитной стали с аустенитной или при сварке закаливающихся сталей аустенитными электродами является использование сварочных материалов с повышенным содержанием никеля. В этом случае никель, повышающий термодинамическую активность углерода в растворе, компенсирует противоположное действие хрома. Повышенное содержание никеля приводит к «отталкиванию» углерода, предотвращая образование науглсрожснной прослойки в аустенитном шве.
