焊接用超马氏体不锈钢和中低合金耐热钢

工程材料需要在大功率、重载荷条件下工作,对材料的耐腐蚀性能、强度和韧性、耐磨性能和疲劳寿命均有严格、高标准要求。因为工程结构复杂,工程所用大型零部件必须采用焊接成形,材料的焊接性能尤为重要。本文从分析现用各类型不锈钢焊接性能着手,指出超马氏体钢焊材是最佳选择。同时简要介绍了超马氏体钢焊材的优越焊接性能,实用牌号,以及这些牌号的生产工艺和技术参数。

作为焊接材料,现用不同类型不锈钢各有利弊:传统马氏体钢具有一定的耐均匀腐蚀性能,焊后焊口和热影响区显微组织为针状马氏体,具有很高的强度和硬度,但塑性和韧性严重不足,由于组织应力很大,极易产生冷脆性裂纹,必须进行回火处理才能使用。回火后热影响区往往成为软化带,耐蚀性能也明显下降。

奥氏体焊材具有优良的耐蚀性能和足够的塑性、韧性,但焊口抗拉强度偏低,无法通过热处理提高强度。由于奥氏体钢比热容大、膨胀系数大,焊口冷却过程中产生很大的拉应力,极易在弧坑和热影响区形成热脆性裂纹。焊口的抗晶间腐蚀性能下降也是一个令人头疼的问题。为抑制热裂纹和晶间腐蚀倾向,通常选用含有一定量铁素体的焊材,但又带来如何防止焊口析出和消除σ相的问题,势必要增加焊后热处理工序。

铁素体焊材的耐蚀性能优于马氏体钢,强度不高,塑性和韧性良好,但焊接后存在焊口晶间腐蚀倾向加重和σ相的析出问题,导致焊口耐蚀性能、塑性和韧性同时下降;铁素体焊口对475℃脆性的敏感性比母材更强;电焊时渗氮或焊材铬含量偏低,在焊口高温区往往形成少量奥氏体,冷却后出现马氏体,产生不同程度的脆化,同时焊接会造成热影响区晶粒过分长大,导致该区域钢材塑性和韧性急剧下降。

传统的奥氏体不锈钢综合耐蚀性能优良,但在石油、化工等环境中长期使用,逐渐暴露出其对晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀和缝隙腐蚀等局部腐蚀抗力不足,尤其是应力腐蚀造成的工业设备的突然损坏,危害性极大。20世纪中期,为解决奥氏体钢耐应力腐蚀问题,冶金工作者进行系统的研究,开发了一种新型不锈钢——奥氏体-铁素体型不锈钢,称为双相钢。双相钢综合了奥氏体和铁素体型钢的优点:具有良好的强度、韧性和焊接性能,其屈服强度是传统18-8型奥氏体钢的2倍,具有良好的抗点腐蚀和缝隙腐蚀能力,在中性氯化物气氛中的耐应力腐蚀性能远远超过18-8型奥氏体钢。双相钢耐应力腐蚀性能有根本改善的原因:首先是Cr含量有大幅度提高(双相钢分为Cr18Cr21Cr25三个级别),并含有2.04.0%Mo,钢的耐点腐蚀和缝隙腐蚀提高,杜绝了因点腐蚀和缝隙腐蚀引发的应力裂纹源;钢中含有适量的奥氏体形成元素NiN,保证钢中奥氏体和铁素体含量为4060%,由于两相组织电极电位不同、相界的扩展机制不同,优势互补,对裂纹的产生和扩展起抑制和阻碍作用;双相钢的屈服强度几乎提高一倍,产生表面滑移需要的应力更大,钢在更大拉应力作用下,表面钝化膜仍能保持在致密、完整状态,相当应力腐蚀的起始点也提高一倍;两相晶体取向差异,使裂纹扩展时频繁改变方向,从而延长了裂纹的扩展期。实测双相钢裂纹扩展无规律,多呈树枝状,走向曲折,发展缓慢,证实了上述分析。现在达成的共识是:相比例和相分布状态是影响双相钢耐应力腐蚀性能的主要因素,理想的相比例是其中一相占4060%,理想的相分布状态是:两相均为条状或带状,叠置分布。

由于双相钢具有良好的耐应力腐蚀性能,目前有耐蚀要求的工程结构件,普遍选用双相钢焊材代替奥氏体焊材(ER308ER309)。使用双相钢焊材面临的最大难题是:如何控制焊口及热影响区的相比例和相分布形态,防止焊口及热影响区“显微组织劣化”。焊材在快速、短暂的焊接过程中,必然要经历熔化、熔接、冷却、快速再结晶的全过程,双相钢不管原相比例是多少,加热到1350℃以上时,显微组织几乎全部转化为高温(δ)铁素体,残存少量奥氏体。完成熔化、熔接后焊口快速冷却,从δ铁素体中分解出二次奥氏体,因冷却速度快,焊接过程中奥氏体溶入δ铁素体中的量多,而冷却时分解出的二次奥氏体量少,焊口相比例变成了铁素体+少量奥氏体,其中铁素体变成粗大等轴晶,二次奥氏体失去了原有走向,变成竹叶状,零散地分布于铁素体中。以铁素体为主的焊口及热影响区就失去了双相的优势,更多地呈现铁素体的不足。当然采取一系列工艺措施可以在很大程度上解决上述难题,本文不作描述。

使用双相不锈钢焊接另一难题是:因焊材成分与基体成分差别较大,极易在焊缝熔合区出现不均匀腐蚀现象。使用超马氏体钢焊材,可以选配与基体更接近的成分,减轻不均匀腐蚀。与现用各类不锈钢焊材相比,超马氏体钢是更为理想的焊接材料。超马氏体钢的焊口和热影响区的强韧性、耐磨性和抗冲击性远高于双相钢,焊缝同样可以不经热处理直接使用,长期使用无明显脆化倾向。长江三峡水电站,水轮机的转轮和转轮下环属于高强度承力结构件,对耐蚀、耐磨、耐冲击性能有严格要求,该结构件就选用超马氏体焊材作为焊接材料,使用效果良好。

1. 焊接用超马氏体不锈钢

1.1超马氏体钢焊材的焊接特性

(1)超马氏体钢焊材具有良好的焊接性能,可用于手工电弧焊(SMAW)、钨极惰性气体保护焊(GTAW)、钨极氩弧焊(TIG)、熔化极气体保护焊(GMAW)、熔化极活性气体保护焊(MAG)、熔化极惰性气体保护焊(MIG)、埋弧焊(SAW)和离子焊(PAW)等,焊前不需预热,焊后不需热处理。为测试焊接效果,选用02Cr17Ni6Mo作焊材,对04Cr13Ni5Mo特厚板(δ=190mm)实施多道次焊接,焊后分别检测未经热处理和经时效处理的焊缝力学性能,确认焊缝(焊口及热影响区)具有良好力学性能,和足够高的耐蚀性能。

(2)超马氏体钢CN含量均很低,焊件焊前无需加温预热,焊后冷却速度对焊缝显微组织和热影响区的强韧性无明显影响,焊缝显微组织均为板条状低碳马氏体,因组织内应力小,焊后不进行回火处理,也不会产生热应力裂纹。三峡工程技术人员对用02Cr17Ni6Mo焊条焊接的03Cr14Ni6Mo钢板焊缝进行了抗裂试验,证实了焊件焊前不预热和50℃的预热,同样均获得稳定、无裂纹的焊缝。模拟焊接热循环试验也证实:尽管04Cr13Ni4Mo钢焊缝的冲击韧性与母材相比有所降低,但仍保持在较高水平,如图2和图3。图31#2#曲线反映焊缝冲击韧性变化规律,1#试样经一次加热后空冷(A1),2#试样经二次加热后空冷(A2);3#曲线反映焊缝经时效处理后冲击韧性变化规律,试样经两个循环的加热和冷却后再进行时效处理(PWHT);4#曲线反映母材经1000℃×0.5h油淬,+610℃×2h空冷和600℃×2h空冷两次时效处理后,试样冲击韧性变化规律。显而易见,钢材受到热冲击,冲击韧性有明显下降,但经过600℃×2h的时效处理,其韧性又恢复到接近母材原有水平(见曲线3)

经时效处理后,焊缝冲击韧性得以恢复的主要原因是:时效过程中产生MAn逆转变,形成的逆转奥氏体均匀弥散地分布在回火马氏体基体。此时,钢在具有较高的强度和良好的塑韧性同时,耐腐蚀性也明显提高。在超马氏体钢和超高强度钢中逆转奥氏体是最有效的韧性相,钢的冲击韧性和断裂韧性的恢复或提高程度与逆转奥氏体含量直接相关。由于逆转奥氏体的存在提高了钢的储氢能力,降低了氢的扩散作用,使焊接冷裂纹的敏感性大大降低。表3显示了03Cr14Ni6Mo钢模拟焊接试验中,硬度和韧性与逆变奥氏体量的对应关系。

(3)使用超马氏体钢焊材,可以选配与基体更接近的成分,消除因焊缝化学成分不均匀带来的腐蚀破坏,通常选用与母材同质焊材。使用超马氏体钢代替双相钢的另一优点是,焊材成本可降低30%左右。

1.2焊接用超马氏体不锈钢典型牌号的生产工艺和性能

Fe-Cr-Ni-Mo基超马氏体不锈钢是在低碳马氏体铸钢(CANM)的基本上发展起来的,最初用于ZG0Cr13Ni4MoZG0Cr13Ni5Mo等大型铸件(如水电站转轮和转轮下环)的焊接。超马氏体不锈钢焊接性能良好,焊材用钢的碳含量通常控制在超低碳范围内(如表4),焊前不需要预热,焊后无需立即回火,适用于各种厚度的板材和大型铸件的多层堆焊。对于一些截面较小的焊件,为提高焊口强度和耐磨性能,多选用碳含量稍高的钢。进一步研究表明:该类钢淬火后的组织为板条状马氏体,无明显的脆化倾向;由于合金元素CrNi、Mo的共同作用,晶粒长大趋势受到抑制;钢材淬火后冲击韧性虽有所下降,如在600℃或610℃进行24h回火处理,在马氏体基体中析出812%逆转奥氏体,国内研制成功并在工程上使用的两种超马氏体不锈钢的力学性能和冲击韧性已达到较高水平(如表5)。如条件允许,配以适当的时效处理,在马氏体基体中析出Fe2MoFeCr型沉淀硬化相,则钢材或焊缝可得到最佳强韧化效果。

1.2.104Cr13Ni5Mo3

1.2.1.104Cr13Ni5Mo的用途和性能

04Cr13Ni5Mo主要用于焊接高强度承力部件,在三峡水电站中已成功用于耐磨转轮和转轮下环,在石油工业中用于耐CO2H2S腐蚀并需要现场焊接的管线的焊接;在核工业中用于压水堆23级辅助泵传动轴和控制棒驱动机构。该类钢除具有一定的耐蚀性外,还具有良好的抗汽蚀、耐磨损性能,在水轮机、大型水泵及核电站、油汽输送管道中获得广泛使用。在含泥砂水中04Cr13Ni5Mo的耐磨性能优于铸钢、奥氏体钢、传统马氏体钢和马氏体沉淀硬化钢,如表2

1.2.1.2生产工艺

a.热加工:04Cr13Ni5Mo具有良好的热加工性能,热加工工艺与18-8型奥氏体钢相同,可顺利地生产出锻件、板、管、丝、带等品种。厚板的热成形温度最好控制在7001000℃范围内。

b.冷加工:可选择冷轧、拉拔、冷弯曲等方法成形。

c.热处理:04Cr13Ni5Mo通常采用固溶(淬火或正火)+时效(回火)处理状态交货,固溶加热温度为1080℃,时效温度为600℃,固溶和时效保温时间可根据产品截面尺寸确定。600℃以上时效时,在原奥氏体晶界上析出沉淀硬化相,随着时效温度升高析出相逐渐粗化,而且逆转奥氏体量也随之下降,这一结果有损于钢的强韧性。

d.焊接:钢具有良好的焊接性能,可采用GTAWGMAWSMAW等方法焊接,焊前不需预热,焊后不需热处理。与04Cr13Ni5Mo钢配套的焊接材料为022Cr17Ni6Mo,特厚板经多道次焊接后其热影响区仍具有良好的综合性能,见表1。焊后的耐蚀性能亦保持在足够高的水平,如图1

1.2.1.3物理性能

钢的物理性能如表8

1.2.1.204Cr16Ni5Mo

04Cr16Ni5Mo(阿维斯塔·谢菲尔德248SV)钢因为CrNi含量同时提高,耐蚀性能,特别是在含CO2H2S介质中的耐腐蚀有明显提高,除用作焊材(C0.03%)外,在石油和天然气开采、储运设备上得到广泛的应用,在水力发电、采矿、化工及高温纸浆生产设备上也极具应用前景(C0.06%)。多用作浓缩离心机的旋转筒体,石油化工用压力容器,动力传动用的轴承、传动轴、联轴节、液压软管、高强度螺栓、拉杆等。上述用途的钢为提高钢的强度和耐磨性能,通常将碳控制在标准的中上限;焊丝和焊带用钢通常将碳控制在0.03%以下。04Cr16Ni5Mo的物理性能和力学性能如表9

1.3.焊接用超马氏体不锈钢的其他用途

水电站和核电站用超马氏体不锈钢焊材设计的基本思路是:①选择Fe-Cr-Ni-Mo基钢,通过控制CrMo的含量使钢具有足够的耐腐蚀性能;②控制钢中形成奥氏体和形成铁素体元素的比例,保证钢焊后空冷,获得以低碳板条状马氏体为主的显微组织,使焊缝具有较高强度、够用的塑性和韧性、良好的焊接性能;③对焊缝进行适当的回火(或时效)处理,在马氏体基体上析出逆转奥氏体相,使焊缝的韧性和塑性显著改善。当然,逆转奥氏体相的析出是有一定条件的:马氏体中奥氏体元素的扩散和聚积是逆转奥氏体相析出的先决条件,钢只有加热到AS点以上才有可能产生奥氏体逆转变。AS点与Ac1点一样可用实验手段检测出来,特殊钢的AS点一般比Ac1点低100℃~140℃。AS点过去用的少,实测往往受条件限制,而Ac1点比较容易查到,即使查不到也可以使用相应的经验公式进行估算,上述经验为拟定新钢种的时效温度提供了依据。通常最佳时效温度应高于AS点(高20℃左右),又要比Ac140℃~50℃左右。

特殊钢的逆转奥氏体析出温度往往与沉淀硬化析出温度重叠,逆转奥氏体也常与多种沉淀硬化相共存。时效处理可以兼顾马氏体的内应力消除、逆转奥氏体的析出和沉淀硬化的析出和细化。逆转奥氏体与残余逆转奥氏体虽然同为韧化相,前者是混有沉淀硬化相的“硬韧化相”,后者是独立存在的“软韧化相”。显然,如果兼顾马氏体的内应力消除、逆转奥氏体的析出和沉淀硬化的析出和细化,合理优化回火或时效工艺,可能获得意想不到的强韧化效果。

水电站和核电站用零部件往往是形体巨大,结构复杂,要兼顾马氏体的内应力消除、逆转奥氏体的析出和沉淀硬化的析出、细化有一定因难,对此类焊件只能做到保证逆转奥氏体恰到好处地析出,焊件韧性得最大限度的改善。对重要用途的机械零部件和仪器仪表的元件,完全可以综合考虑韧化相与沉淀硬化相同时析出的问题,即逆转奥氏体与金属间化合物同时析出的问題。说来并不太难,只要在原有设计思路上再增加两点即可:④在Fe-Cr-Ni-Mo基焊接用钢中加入适量的AlTiCuVNbW等沉淀硬化元素,通过压力加工制成焊材(焊丝或焊带),焊后空冷,再根据预期析出相的类型,选择适宜的时效温度,对焊件进行14h时效处理,从钢中弥散析出Ni3AlNi3(Al,Ti)(Fe,Ni)3(Al,Ti)等面心立方结构的γ′相,Ni3Ti型密排六方结构的η相,NixNb型体心四方结构的γ〃相,Ni3Nb型具有正交点阵的δ相,NiAl型体心立方结构的β相,以及Fe2TiFe2NbFe2MoFe2W等金属间化合物,使钢的强度、硬度、耐热、耐蚀性能进一步提高,达得最佳强韧性结合。按合金元素的特性分析,Co应该是除Ni之外,最能促进逆转奥氏体形成的元素,Co在铁基不锈钢和镍基特种合金中均有很高的固溶度,与Ni相似,是扩大和稳定奥化体区的元素,但Co降低MS点作用不明显。提高钢中Co含量不会产生残余奥氏体量增加、马氏体转变率下降的现象。Co具有抑制C析出,促进WMoAlTiNb等析出的功能。因此提高钢的强韧性功能突出,尽管因其价格高昂,但其作用是其他元素无法取代的,部分超马氏体钢焊材中添加一定量的Co是物有所值的。

⑤在确保焊接后焊缝显微组织结构准确,韧性相和硬化相形态、分布和数量达到预期目标的基础上,焊材的化学成分应尽可能向母材成分靠近,使焊口的金相组织与母材金相组织融为一体。焊接用超马氏体不锈钢是一类具有发展潜力,应用前景极其广阔的钢种,在可以预料的未来,现有各类中、低碳合金钢均可从超马氏体不锈钢中找到实现自身焊接的材料。现将可用于不同钢种、不同用途钢焊接的超马氏体不锈钢牌号列举如表9

文章作者:不锈钢管|大口径不锈钢管|不锈钢厚壁管|大口径厚壁钢管|厚壁不锈钢管

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