Группу хромоникелевых разнородных сталей составляют стали аустенитного, аустенито-ферритного и аустенито-мартенситного классов. 

В конструкциях, комбинируемых из хромоникелевых разнородных сталей, могут использоваться стали, предназначенные для работы в различного рода агрессивных средах и в условиях высоких температур, т. е. коррозионностойкие и жаропрочные стали.

Поэтому особенности сварки хромоникелевых разнородных сталей определяются прежде всего особенностями сварки коррозионно-стойких и жаропрочных сталей.

Основная особенность сварки коррозионностойких сталей сводится к обеспечению требуемой стойкости околошовной зоны против межкристаллитной коррозии. Как известно, хромоникелевые стали аустенитного класса, содержащие углерода больше предела его растворимости (более 0,02%), при отсутствии в их составе более сильных карбидообразующих элементов, чем хром, в околошовной зоне под воздействием термического цикла сварки становятся склонными к межкристаллитной коррозии. Объясняется это тем, что в таких сталях даже при кратковременном нагреве в области температур 600—800° С по границам зерен выпадают карбиды хрома. Последние появляются вследствие того, что при содержании углерода выше предела растворимости образующаяся аустенитная структура стали находится в состоянии неустойчивого равновесия. Поэтому при повторных нагревах в области температур 400— 800° С она распадается и прежде всего в пограничных слоях, где свободная энергия наибольшая. Выпадение карбидов хрома приводит к снижению содержания этого элемента в пограничных участках зерна, так как диффузия углерода из центральных участков зерна к границе вследствие значительно большего ее коэффициента, чем коэффициент диффузии хрома, протекает значительно быстрее и поэтому вновь поступивший в пограничные участки углерод соединяется с содержащимся здесь хромом. Снижение содержания хрома в пограничных участках зерна, особенно ниже так называемого порога устойчивости, равного 12,5%, приводит к потере в этих участках способности к пассивации, что и вызывает появление здесь коррозиционного растрескивания.

Все это говорит о том, что в сварных конструкциях, комбинируемых из аустенитных хромоникелевых разнородных сталей и предназначенных для работы в агрессивных средах, следует стремиться применять стали с низким содержанием углерода. При выборе конкретного содержания этого элемента необходимо учитывать, что чем меньше сталь содержит углерода, тем после более длительной выдержки в области критических температур она становится склонной к межкристаллитной коррозии.

Допустимое содержание углерода в хромоникелевой аустенитной стали, предназначенной для работы в агрессивных средах, зависит также от содержания в ней хрома и никеля. В сталях, содержащих 9—11% никеля и более 18% хрома, количество углерода может достигать 0,04%. При кратковременных выдержках в области критических температур коррозионностойкая аустенитная сталь несклонна к межкристаллитной коррозии даже при содержании в ней углерода 0,07—0,08%.

Если в стали, используемой в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивных средах, необходимо, чтобы содержание углерода было более высоким, она должна быть легирована элементами, обладающими большим сродством к углероду, чем хром. Такими элементами являются титан, ниобий, тантал, цирконий, ванадий и вольфрам. При наличии этих элементов в стали углерод, выделившийся в процессе повторного нагрева из твердого раствора, прочно связывается и тем самым исключается его соединение с хромом, приводящее к обеднению этим элементов пограничных участков зерен. В результате этого участки околошовной зоны такой стали при кратковременных нагревах в области критических температур (600—800°С) не становятся склонными к межкристаллитной коррозии.

Из упомянутых карбидообразующих элементов с большим чем у хрома сродством к углероду наиболее устойчивые карбиды образуют титан и ниобий. Поэтому прежде всего ими должна быть легирована хромоникелевая аустенитная сталь, используемая в конструкции, предназначенной для работы в агрессивных средах, и содержащая углерода больше предела его растворимости. Совершенно очевидно, что содержание этих элементов в указанной стали должно быть таким, чтобы обеспечить соединение всего углерода, выделяющегося из твердого раствора при повторном нагреве, количество которого равно разности между концентрацией углерода в стали и его предельной растворимостью, равной, как принято считать, 0,02%. В таком случае требуемое количество карбидообразуюгцего элемента определяется по типу образуемого им карбида. При этом необходимо полученное количество несколько завысить, так как некоторая часть его должна оставаться в твердом растворе, а часть может быть израсходована на взаимодействие с другими находящимися в стали элементами. С учетом сказанного, для обеспечения стойкости против межкристаллитной коррозии околошовной зоны сталь должна содержать титана или ниобия в количествах, определяемых по следующим уравнениям:

Ti ≥ 5(С — 0,02)%,
Nb ≥ 8(C — 0,02)%.

Следует отметить, однако, что практическое осуществление указанных рекомендаций нередко затруднено, так как выбор требуемого состава хромоникелевых сталей аустенитного класса ограничен. Поэтому при изготовлении сварных конструкций с использованием таких сталей для устранения полученной в околошовной зоне склонности к межкристаллитной коррозии сварные соединения или конструкцию в целом подвергают специальной термической обработке. Наиболее простым видом ее является нагрев до температур 950—1150° С с последующим быстрым охлаждением. При таком нагреве усиливается диффузия хрома из центральных участков зерна к его границе, а также растворяются выпавшие карбиды. В результате этого повышается содержание хрома в обедненных участках и они становятся склонными к пассивации, и, следовательно, стойкими против межкристаллитной коррозии. Быстрое охлаждение термообрабатываемого сварного соединения или всей конструкции требуется для того, чтобы исключить новое выделение карбидов.

Склонность высоколегированных хромоникелевых сталей к межкристаллитной коррозии значительно уменьшается при наличии в них ферритной фазы. В результате повторного нагрева таких сталей карбиды образуются по границам ферритных зерен. Так как феррит здесь содержит больше хрома, чем аустенит, то в обедняемых им из-за образования карбидов пограничных участках ферритных зерен этого элемента содержится еще достаточно для пассивации. Из сказанного следует, что в конструкциях, требующих высоколегированных хромоникелевых сталей и предназначенных для работы в агрессивных средах, лучше использовать не аустенитные, а аустенито-ферритные стали.

Особенность сварки хромоникелевых разнородных сталей в конструкциях, предназначенных для работы в условиях высоких температур, обусловлена тем, что сварное соединение должно обладать определенной жаропрочностью. Из этих соображений в таких конструкциях следует применять сталь, которая в своей структуре в состоянии поставки не должна иметь ферритной составляющей. Не допускается появление этой составляющей и в околошовной зоне сварного соединения. Даже в том случае, если конструкции подвергаются одновременному воздействию и высокой температуры и агрессивной среды, применять для их изготовления коррозионно-стойкую двухфазную аустенито-ферритную сталь не следует. Требуемая коррозионная стойкость здесь должна обеспечиваться другим способом. Объясняется это тем, что аустенитные стали с ферритной составляющей в условиях высоких температур (600—800°С) склонны к образованию α-фазы, которая вызывает сильное их охрупчивание. Поэтому даже в тех случаях, когда в аустенитном металле, используемом в конструкциях, предназначенных для эксплуатации в условиях высоких температур, необходимо наличие феррита, например для предотвращения появления в металле шва горячих трещин, содержание его следует ограничивать. Оно не должно превышать 5—5,5%.

Возможность охрупчивания высоколегированных хромоникелевых сталей при повторном нагреве обусловила вторую особенность их сварки. Охрупчивание этих сталей вызывается прежде всего выделением карбидов, образующихся при нагреве стали до температур 500—850° С. Карбиды образуются за счет углерода, выделяемого из твердого раствора вследствие того, что содержание его превышает предел растворимости.

В аустенито-ферритных сталях, если они содержат хрома 10% и более и имеют в своей структуре более 15% феррита, охрупчивание, вызываемое выпадением карбидов, усугубляется так называемой 475-градусной хрупкостью. В стали с проявленной 475-градусной хрупкостью даже с помощью электронного микроскопа нельзя выявить каких-либо изменений структуры. Поэтому природа этой хрупкости еще не выяснена, хотя этому вопросу посвящено много исследований. Вместе с тем, установлено, что отпуск охрупченной таким образом стали при температуре 600—700° С восстанавливает ее пластические свойства. На этом основании некоторые исследователи полагают, что 475-градусная хрупкость высоколегированных сталей вызывается образованием в твердом растворе богатых хромом комплексов, которые при последующем отпуске рассеиваются вследствие происходящего при этом выравнивания содержания хрома.

Явления, вызывающие рассмотренные изменения свойств высоколегированных хромоникелевых сталей при их сварке, происходят не только в околошовной зоне. Они могут иметь место и в металле шва. Поэтому материалы для сварки этих сталей необходимо выбирать таким образом, чтобы исключить возможность таких явлений или иметь возможность устранить их последствия.

Что касается изменений структуры и свойств металлов в зоне их сплавления, которые определяют основную особенность сварки разнородных сталей, то их в большинстве случаев при сварке высоколегированных хромоникелевых сталей можно не учитывать. Обусловлено это тем, что в зоне сплавления таких разнородных сталей процесс перераспределения углерода не имеет существенного развития.

При выборе материалов для сварки рассматриваемых разнородных сталей следует учитывать, что высоколегированный хромоникелевый металл шва весьма склонен к образованию горячих трещин. Из этих соображений для сварки разнородных высоколегированных хромоникелевых сталей всех возможных сочетаний наиболее целесообразно применять материалы, обеспечивающие получение металла шва аустенито-ферритного класса с содержанием феррита 2—5%. Лишь в том случае, когда в комбинируемой конструкции используется сталь аустенитного класса с высоким содержанием никеля, необходимо применять сварочные материалы, обеспечивающие металл шва однофазной аустенитной структуры при содержании в нем элементов, исключающих образование горячих трещин. При использовании в этом случае сварочных материалов, обеспечивающих получение аустенито-ферритного шва, дополнительное его легирование никелем за счет проплавления высоконикелевой свариваемой стали приводит к образованию в нем однофазной аустенитной структуры и появлению вследствие этого горячих трещин.