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                焊接用超馬氏體不銹鋼和中低合金耐熱鋼




                工程材料需要在大功率、重載荷條件下工作,對材料的耐腐蝕性能、強度和韌性、耐磨性能和疲勞壽命均有嚴格、高標準要求。因為工程結構復雜,工程所用大型零部件必須采用焊接成形,材料的焊接性能尤為重要。本文從分析現用各類型不銹鋼焊接性能著手,指出超馬氏體鋼焊材是最佳選擇。同時簡要介紹了超馬氏體鋼焊材的優越焊接性能,實用牌號,以及這些牌號的生產工藝和技術參數。

                作為焊接材料,現用不同類型不銹鋼各有利弊:傳統馬氏體鋼具有一定的耐均勻腐蝕性能,焊后焊口和熱影響區顯微組織為針狀馬氏體,具有很高的強度和硬度,但塑性和韌性嚴重不足,由于組織應力很大,極易產生冷脆性裂紋,必須進行回火處理才能使用?;鼗鸷鬅嵊绊憛^往往成為軟化帶,耐蝕性能也明顯下降。

                奧氏體焊材具有優良的耐蝕性能和足夠的塑性、韌性,但焊口抗拉強度偏低,無法通過熱處理提高強度。由于奧氏體鋼比熱容大、膨脹系數大,焊口冷卻過程中產生很大的拉應力,極易在弧坑和熱影響區形成熱脆性裂紋。焊口的抗晶間腐蝕性能下降也是一個令人頭疼的問題。為抑制熱裂紋和晶間腐蝕傾向,通常選用含有一定量鐵素體的焊材,但又帶來如何防止焊口析出和消除σ相的問題,勢必要增加焊后熱處理工序。

                鐵素體焊材的耐蝕性能優于馬氏體鋼,強度不高,塑性和韌性良好,但焊接后存在焊口晶間腐蝕傾向加重和σ相的析出問題,導致焊口耐蝕性能、塑性和韌性同時下降;鐵素體焊口對475℃脆性的敏感性比母材更強;電焊時滲氮或焊材鉻含量偏低,在焊口高溫區往往形成少量奧氏體,冷卻后出現馬氏體,產生不同程度的脆化,同時焊接會造成熱影響區晶粒過分長大,導致該區域鋼材塑性和韌性急劇下降。

                傳統的奧氏體不銹鋼綜合耐蝕性能優良,但在石油、化工等環境中長期使用,逐漸暴露出其對晶間腐蝕、應力腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕抗力不足,尤其是應力腐蝕造成的工業設備的突然損壞,危害性極大。20世紀中期,為解決奧氏體鋼耐應力腐蝕問題,冶金工作者進行系統的研究,開發了一種新型不銹鋼——奧氏體-鐵素體型不銹鋼,稱為雙相鋼。雙相鋼綜合了奧氏體和鐵素體型鋼的優點:具有良好的強度、韌性和焊接性能,其屈服強度是傳統18-8型奧氏體鋼的2倍,具有良好的抗點腐蝕和縫隙腐蝕能力,在中性氯化物氣氛中的耐應力腐蝕性能遠遠超過18-8型奧氏體鋼。雙相鋼耐應力腐蝕性能有根本改善的原因:首先是Cr含量有大幅度提高(雙相鋼分為Cr18、Cr21、Cr25三個級別),并含有2.04.0%Mo,鋼的耐點腐蝕和縫隙腐蝕提高,杜絕了因點腐蝕和縫隙腐蝕引發的應力裂紋源;鋼中含有適量的奧氏體形成元素NiN,保證鋼中奧氏體和鐵素體含量為4060%,由于兩相組織電極電位不同、相界的擴展機制不同,優勢互補,對裂紋的產生和擴展起抑制和阻礙作用;雙相鋼的屈服強度幾乎提高一倍,產生表面滑移需要的應力更大,鋼在更大拉應力作用下,表面鈍化膜仍能保持在致密、完整狀態,相當應力腐蝕的起始點也提高一倍;兩相晶體取向差異,使裂紋擴展時頻繁改變方向,從而延長了裂紋的擴展期。實測雙相鋼裂紋擴展無規律,多呈樹枝狀,走向曲折,發展緩慢,證實了上述分析?,F在達成的共識是:相比例和相分布狀態是影響雙相鋼耐應力腐蝕性能的主要因素,理想的相比例是其中一相占4060%,理想的相分布狀態是:兩相均為條狀或帶狀,疊置分布。

                由于雙相鋼具有良好的耐應力腐蝕性能,目前有耐蝕要求的工程結構件,普遍選用雙相鋼焊材代替奧氏體焊材(ER308ER309)。使用雙相鋼焊材面臨的最大難題是:如何控制焊口及熱影響區的相比例和相分布形態,防止焊口及熱影響區“顯微組織劣化”。焊材在快速、短暫的焊接過程中,必然要經歷熔化、熔接、冷卻、快速再結晶的全過程,雙相鋼不管原相比例是多少,加熱到1350℃以上時,顯微組織幾乎全部轉化為高溫(δ)鐵素體,殘存少量奧氏體。完成熔化、熔接后焊口快速冷卻,從δ鐵素體中分解出二次奧氏體,因冷卻速度快,焊接過程中奧氏體溶入δ鐵素體中的量多,而冷卻時分解出的二次奧氏體量少,焊口相比例變成了鐵素體+少量奧氏體,其中鐵素體變成粗大等軸晶,二次奧氏體失去了原有走向,變成竹葉狀,零散地分布于鐵素體中。以鐵素體為主的焊口及熱影響區就失去了雙相的優勢,更多地呈現鐵素體的不足。當然采取一系列工藝措施可以在很大程度上解決上述難題,本文不作描述。

                使用雙相不銹鋼焊接另一難題是:因焊材成分與基體成分差別較大,極易在焊縫熔合區出現不均勻腐蝕現象。使用超馬氏體鋼焊材,可以選配與基體更接近的成分,減輕不均勻腐蝕。與現用各類不銹鋼焊材相比,超馬氏體鋼是更為理想的焊接材料。超馬氏體鋼的焊口和熱影響區的強韌性、耐磨性和抗沖擊性遠高于雙相鋼,焊縫同樣可以不經熱處理直接使用,長期使用無明顯脆化傾向。長江三峽水電站,水輪機的轉輪和轉輪下環屬于高強度承力結構件,對耐蝕、耐磨、耐沖擊性能有嚴格要求,該結構件就選用超馬氏體焊材作為焊接材料,使用效果良好。

                1. 焊接用超馬氏體不銹鋼

                1.1超馬氏體鋼焊材的焊接特性

                (1)超馬氏體鋼焊材具有良好的焊接性能,可用于手工電弧焊(SMAW)、鎢極惰性氣體保護焊(GTAW)、鎢極氬弧焊(TIG)、熔化極氣體保護焊(GMAW)、熔化極活性氣體保護焊(MAG)、熔化極惰性氣體保護焊(MIG)、埋弧焊(SAW)和離子焊(PAW)等,焊前不需預熱,焊后不需熱處理。為測試焊接效果,選用02Cr17Ni6Mo作焊材,對04Cr13Ni5Mo特厚板(δ=190mm)實施多道次焊接,焊后分別檢測未經熱處理和經時效處理的焊縫力學性能,確認焊縫(焊口及熱影響區)具有良好力學性能,和足夠高的耐蝕性能。

                (2)超馬氏體鋼CN含量均很低,焊件焊前無需加溫預熱,焊后冷卻速度對焊縫顯微組織和熱影響區的強韌性無明顯影響,焊縫顯微組織均為板條狀低碳馬氏體,因組織內應力小,焊后不進行回火處理,也不會產生熱應力裂紋。三峽工程技術人員對用02Cr17Ni6Mo焊條焊接的03Cr14Ni6Mo鋼板焊縫進行了抗裂試驗,證實了焊件焊前不預熱和50℃的預熱,同樣均獲得穩定、無裂紋的焊縫。模擬焊接熱循環試驗也證實:盡管04Cr13Ni4Mo鋼焊縫的沖擊韌性與母材相比有所降低,但仍保持在較高水平,如圖2和圖3。圖31#、2#曲線反映焊縫沖擊韌性變化規律,1#試樣經一次加熱后空冷(A1),2#試樣經二次加熱后空冷(A2);3#曲線反映焊縫經時效處理后沖擊韌性變化規律,試樣經兩個循環的加熱和冷卻后再進行時效處理(PWHT);4#曲線反映母材經1000℃×0.5h油淬,+610℃×2h空冷和600℃×2h空冷兩次時效處理后,試樣沖擊韌性變化規律。顯而易見,鋼材受到熱沖擊,沖擊韌性有明顯下降,但經過600℃×2h的時效處理,其韌性又恢復到接近母材原有水平(見曲線3)。

                經時效處理后,焊縫沖擊韌性得以恢復的主要原因是:時效過程中產生MAn逆轉變,形成的逆轉奧氏體均勻彌散地分布在回火馬氏體基體。此時,鋼在具有較高的強度和良好的塑韌性同時,耐腐蝕性也明顯提高。在超馬氏體鋼和超高強度鋼中逆轉奧氏體是最有效的韌性相,鋼的沖擊韌性和斷裂韌性的恢復或提高程度與逆轉奧氏體含量直接相關。由于逆轉奧氏體的存在提高了鋼的儲氫能力,降低了氫的擴散作用,使焊接冷裂紋的敏感性大大降低。表3顯示了03Cr14Ni6Mo鋼模擬焊接試驗中,硬度和韌性與逆變奧氏體量的對應關系。

                (3)使用超馬氏體鋼焊材,可以選配與基體更接近的成分,消除因焊縫化學成分不均勻帶來的腐蝕破壞,通常選用與母材同質焊材。使用超馬氏體鋼代替雙相鋼的另一優點是,焊材成本可降低30%左右。

                1.2焊接用超馬氏體不銹鋼典型牌號的生產工藝和性能

                Fe-Cr-Ni-Mo基超馬氏體不銹鋼是在低碳馬氏體鑄鋼(CANM)的基本上發展起來的,最初用于ZG0Cr13Ni4MoZG0Cr13Ni5Mo等大型鑄件(如水電站轉輪和轉輪下環)的焊接。超馬氏體不銹鋼焊接性能良好,焊材用鋼的碳含量通??刂圃诔吞挤秶鷥龋ㄈ绫?/span>4),焊前不需要預熱,焊后無需立即回火,適用于各種厚度的板材和大型鑄件的多層堆焊。對于一些截面較小的焊件,為提高焊口強度和耐磨性能,多選用碳含量稍高的鋼。進一步研究表明:該類鋼淬火后的組織為板條狀馬氏體,無明顯的脆化傾向;由于合金元素Cr、Ni、Mo的共同作用,晶粒長大趨勢受到抑制;鋼材淬火后沖擊韌性雖有所下降,如在600℃或610℃進行24h回火處理,在馬氏體基體中析出812%逆轉奧氏體,國內研制成功并在工程上使用的兩種超馬氏體不銹鋼的力學性能和沖擊韌性已達到較高水平(如表5)。如條件允許,配以適當的時效處理,在馬氏體基體中析出Fe2MoFeCr型沉淀硬化相,則鋼材或焊縫可得到最佳強韌化效果。

                1.2.104Cr13Ni5Mo3

                1.2.1.104Cr13Ni5Mo的用途和性能

                04Cr13Ni5Mo主要用于焊接高強度承力部件,在三峽水電站中已成功用于耐磨轉輪和轉輪下環,在石油工業中用于耐CO2、H2S腐蝕并需要現場焊接的管線的焊接;在核工業中用于壓水堆2、3級輔助泵傳動軸和控制棒驅動機構。該類鋼除具有一定的耐蝕性外,還具有良好的抗汽蝕、耐磨損性能,在水輪機、大型水泵及核電站、油汽輸送管道中獲得廣泛使用。在含泥砂水中04Cr13Ni5Mo的耐磨性能優于鑄鋼、奧氏體鋼、傳統馬氏體鋼和馬氏體沉淀硬化鋼,如表2。

                1.2.1.2生產工藝

                a.熱加工:04Cr13Ni5Mo具有良好的熱加工性能,熱加工工藝與18-8型奧氏體鋼相同,可順利地生產出鍛件、板、管、絲、帶等品種。厚板的熱成形溫度最好控制在7001000℃范圍內。

                b.冷加工:可選擇冷軋、拉拔、冷彎曲等方法成形。

                c.熱處理:04Cr13Ni5Mo通常采用固溶(淬火或正火)+時效(回火)處理狀態交貨,固溶加熱溫度為1080℃,時效溫度為600℃,固溶和時效保溫時間可根據產品截面尺寸確定。600℃以上時效時,在原奧氏體晶界上析出沉淀硬化相,隨著時效溫度升高析出相逐漸粗化,而且逆轉奧氏體量也隨之下降,這一結果有損于鋼的強韌性。

                d.焊接:鋼具有良好的焊接性能,可采用GTAW、GMAW、SMAW等方法焊接,焊前不需預熱,焊后不需熱處理。與04Cr13Ni5Mo鋼配套的焊接材料為022Cr17Ni6Mo,特厚板經多道次焊接后其熱影響區仍具有良好的綜合性能,見表1。焊后的耐蝕性能亦保持在足夠高的水平,如圖1。

                1.2.1.3物理性能

                鋼的物理性能如表8。

                1.2.1.204Cr16Ni5Mo

                04Cr16Ni5Mo(阿維斯塔·謝菲爾德248SV)鋼因為CrNi含量同時提高,耐蝕性能,特別是在含CO2H2S介質中的耐腐蝕有明顯提高,除用作焊材(C0.03%)外,在石油和天然氣開采、儲運設備上得到廣泛的應用,在水力發電、采礦、化工及高溫紙漿生產設備上也極具應用前景(C0.06%)。多用作濃縮離心機的旋轉筒體,石油化工用壓力容器,動力傳動用的軸承、傳動軸、聯軸節、液壓軟管、高強度螺栓、拉桿等。上述用途的鋼為提高鋼的強度和耐磨性能,通常將碳控制在標準的中上限;焊絲和焊帶用鋼通常將碳控制在0.03%以下。04Cr16Ni5Mo的物理性能和力學性能如表9。

                1.3.焊接用超馬氏體不銹鋼的其他用途

                水電站和核電站用超馬氏體不銹鋼焊材設計的基本思路是:①選擇Fe-Cr-Ni-Mo基鋼,通過控制CrMo的含量使鋼具有足夠的耐腐蝕性能;②控制鋼中形成奧氏體和形成鐵素體元素的比例,保證鋼焊后空冷,獲得以低碳板條狀馬氏體為主的顯微組織,使焊縫具有較高強度、夠用的塑性和韌性、良好的焊接性能;③對焊縫進行適當的回火(或時效)處理,在馬氏體基體上析出逆轉奧氏體相,使焊縫的韌性和塑性顯著改善。當然,逆轉奧氏體相的析出是有一定條件的:馬氏體中奧氏體元素的擴散和聚積是逆轉奧氏體相析出的先決條件,鋼只有加熱到AS點以上才有可能產生奧氏體逆轉變。AS點與Ac1點一樣可用實驗手段檢測出來,特殊鋼的AS點一般比Ac1點低100℃~140℃。AS點過去用的少,實測往往受條件限制,而Ac1點比較容易查到,即使查不到也可以使用相應的經驗公式進行估算,上述經驗為擬定新鋼種的時效溫度提供了依據。通常最佳時效溫度應高于AS點(高20℃左右),又要比Ac140℃~50℃左右。

                特殊鋼的逆轉奧氏體析出溫度往往與沉淀硬化析出溫度重疊,逆轉奧氏體也常與多種沉淀硬化相共存。時效處理可以兼顧馬氏體的內應力消除、逆轉奧氏體的析出和沉淀硬化的析出和細化。逆轉奧氏體與殘余逆轉奧氏體雖然同為韌化相,前者是混有沉淀硬化相的“硬韌化相”,后者是獨立存在的“軟韌化相”。顯然,如果兼顧馬氏體的內應力消除、逆轉奧氏體的析出和沉淀硬化的析出和細化,合理優化回火或時效工藝,可能獲得意想不到的強韌化效果。

                水電站和核電站用零部件往往是形體巨大,結構復雜,要兼顧馬氏體的內應力消除、逆轉奧氏體的析出和沉淀硬化的析出、細化有一定因難,對此類焊件只能做到保證逆轉奧氏體恰到好處地析出,焊件韌性得最大限度的改善。對重要用途的機械零部件和儀器儀表的元件,完全可以綜合考慮韌化相與沉淀硬化相同時析出的問題,即逆轉奧氏體與金屬間化合物同時析出的問題。說來并不太難,只要在原有設計思路上再增加兩點即可:④在Fe-Cr-Ni-Mo基焊接用鋼中加入適量的Al、Ti、Cu、V、Nb、W等沉淀硬化元素,通過壓力加工制成焊材(焊絲或焊帶),焊后空冷,再根據預期析出相的類型,選擇適宜的時效溫度,對焊件進行14h時效處理,從鋼中彌散析出Ni3Al、Ni3(Al,Ti)、(Fe,Ni)3(Al,Ti)等面心立方結構的γ′相,Ni3Ti型密排六方結構的η相,NixNb型體心四方結構的γ〃相,Ni3Nb型具有正交點陣的δ相,NiAl型體心立方結構的β相,以及Fe2Ti、Fe2Nb、Fe2Mo、Fe2W等金屬間化合物,使鋼的強度、硬度、耐熱、耐蝕性能進一步提高,達得最佳強韌性結合。按合金元素的特性分析,Co應該是除Ni之外,最能促進逆轉奧氏體形成的元素,Co在鐵基不銹鋼和鎳基特種合金中均有很高的固溶度,與Ni相似,是擴大和穩定奧化體區的元素,但Co降低MS點作用不明顯。提高鋼中Co含量不會產生殘余奧氏體量增加、馬氏體轉變率下降的現象。Co具有抑制C析出,促進W、Mo、Al、Ti、Nb等析出的功能。因此提高鋼的強韌性功能突出,盡管因其價格高昂,但其作用是其他元素無法取代的,部分超馬氏體鋼焊材中添加一定量的Co是物有所值的。

                ⑤在確保焊接后焊縫顯微組織結構準確,韌性相和硬化相形態、分布和數量達到預期目標的基礎上,焊材的化學成分應盡可能向母材成分靠近,使焊口的金相組織與母材金相組織融為一體。焊接用超馬氏體不銹鋼是一類具有發展潛力,應用前景極其廣闊的鋼種,在可以預料的未來,現有各類中、低碳合金鋼均可從超馬氏體不銹鋼中找到實現自身焊接的材料?,F將可用于不同鋼種、不同用途鋼焊接的超馬氏體不銹鋼牌號列舉如表9。




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