Хром придает сплавам железа ряд особых, специфических свойств. Например, при наличии ~12% Сг по массе возникающая при окислении поверхностная пленка приводит к пассивации этой поверхности. Пассивация металлов - это переход поверхности металла в пассивное состояние, при котором резко замедляется коррозия; пассивация вызывается поверхностным окислением металлов. Сталь становится коррозионно-стойкой при относительно невысокой температуре.
С целью обеспечения окалиностойкости при высоких температурах (800-1050°С) содержание хрома в сталях должно быть увеличено в среднем до 30% по массе. Коррозионная стойкость сталей при использовании различных агрессивных сред зависит от концентрации хрома в сталях и может быть различной.
Высоколегированные хромистые стали с содержанием 10,5-12% Сг, легированные молибденом, вольфрамом, ниобием, ванадием или никелем, обладают повышенным сопротивлением ползучести при работе под напряжением при повышенных температурах. Эти стали используют как жаропрочные при температуре эксплуатации до 600°С.
Высоколегированные хромистые стали, находящиеся в ферритном состоянии, при температурах выше 1150°С склонны к быстрому росту зерна, что вызывает снижение деформационной способности.
По влиянию хрома и углерода (обычное содержание примесей) на кристаллическую решетку при близкой к комнатной температуре хромистые стали по структуре подразделяются на мартенситные, мартенситно-ферритные и ферритные.
При малой концентрации углерода (~0,05-0,06%) стали с содержанием до 12-13% Сг относятся к мартенситному классу, при 13-16% Сг - к мартенситно-ферритному, а при Сг>16% - к ферритному.
Свариваемость хромистых сталей и свойства сварных соединений в значительной степени зависят от того, к какому классу относится свариваемая сталь. Свариваемость мартенситно-ферритных сталей практически приближается к сталям мартенситного класса.
Образование шва и околошовной зоны. При сварке сталей мартенситного класса часто образуются холодные трещины. Причинами образования холодных трещин являются:
высокая твердость и низкая деформационная способность металла, имеющего мартенситную структуру;
появление деформаций при сварке;
длительное воздействие высоких остаточных и структурных напряжений в сварном соединении после сварки;
наличие водорода в металле шва.
Холодные трещины в основном образуются на последней стадии непрерывного охлаждения при температуре 100°С и ниже. Крупнозернистый металл как сварных швов, так и зоны термического влияния склонен более к образованию трещин, чем мелкозернистый металл. Рост зерна предупреждают следующими способами: модифицируют металл сварных швов титаном, применяют более жесткие режимы сварки с меньшей погонной энергией. Оба способа, снижающие рост зерна, уменьшают образование холодных трещин.
При сварке мартенситных сталей увеличение жесткости свариваемых изделий повышает вероятность образования трещин. Это проявляется в большей степени тогда, когда закаленный металл обладает меньшей деформационной способностью.
Меньшей деформационной способностью обладает тот закаленный металл, который имеет большее содержание углерода. Так, например, сварка в углекислом газе без предварительного подогрева в изделиях небольшой жесткости не вызывает трещин при толщине металла у сталей 08X13 до18 мм, 12X13 до 10-12 мм и 20X13 до 8-10 мм.
Образование трещин при сварке устраняют применением предварительного и сопутствующего подогрева изделия. Для хромистых сталей мартенситного и мартенситно-ферритных классов применяют общий или местный подогрев изделия до температуры 200-450°С. Температуру подогрева повышают с увеличением склонности стали к закалке, которая возрастает с увеличением содержания углерода в сталях и жесткости изделия. Можно и даже предпочтительней не нагревать металл до температур, вызывающих повышение хрупкости, а ограничивать температуру сопутствующего подогрева при сварке; например, для стали 08X13 такой температурой оказывается 100-120°С. Верхний предел сопутствующего подогрева необходимо ограничивать переходом стали к отпускной хрупкости и синеломкости, т. е. температурой для различных сталей в интервале 200-250°С.
При сопутствующем подогреве весьма опасны резкие охлаждения подогретой детали, так как при этом могут появляться трещины. Поэтому для улучшения структуры и свойств необходим высокий отпуск. Однако термообработка не может выполняться отдельно от сварки. Если непосредственно после сварки остудить изделие до комнатных температур, то образуется мартенситная структура. Последующий высокий отпуск приведет к получению хорошей сорбитной структуры. Но за периоды охлаждения при температурах ниже 100°С и вылеживания изделия до начала термообработки в сварных соединениях будут образовываться трещины с выходом на поверхность и внутренние надрывы размером 1-4 мм, которые впоследствии могут получить развитие.