奧氏體鋼的焊接性

、奧氏體鋼的焊接性奧氏體不銹鋼與奧氏體耐熱鋼具有基本相似的焊接特點。這類鋼由于具有較高的變形能力并不可淬硬，所以總的來說焊接性好。但是，為了全面保證焊接接頭的質(zhì)量，往往需要解決一些特殊的問題，如接頭各種形式的腐蝕、焊接熱裂紋、鐵素體含量的控制及a相脆化等。焊接接頭的晶間腐蝕問題在腐蝕介質(zhì)作用下，起源于金屬表面沿晶界深入到金屬內(nèi)部的腐蝕就是晶間腐蝕。晶間腐蝕是一種局部性的腐蝕，它會導(dǎo)致晶粒間的結(jié)合力喪失，材料強度幾乎消失，這是一種必須重視的危險的腐蝕現(xiàn)象。奧氏體鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的原因，目前比較一致的看法是，奧氏體鋼在固溶狀態(tài)下碳以過飽和形式溶解于Y固溶體，加熱時過飽和的碳以Cr23C6的形式沿晶界析出。Cr23C6的析出消耗了大量的鉻，因而使晶界附近WCr降到低于鈍化所需的最低量，形成貧鉻層。貧鉻層的電極電位比晶粒內(nèi)低得多。當金屬與腐蝕介質(zhì)接觸時，就形成了為電池。電極電位低的晶界成為陽極，被腐蝕溶解形成晶間腐蝕。奧氏體鋼在加熱到400~800°C時，對晶間腐蝕最為敏感。這是因為當溫度低于400^時，碳原子活動能力很弱，Cr23C6析出困難而不會形成貧鉻層，當溫度高于800C時，晶粒內(nèi)部的鉻獲得了足夠的動能，擴散到晶界，從而使已形成的貧鉻區(qū)消失。在400C?800C之間，既有利于Cr23C6的析出，晶內(nèi)的鉻原子又不能擴散到晶界，最容易形成貧鉻層，對晶間腐蝕也最敏感。一般稱400C?800C溫度范圍為敏化溫度區(qū)間。當然，若在400C?800C之間長時間加熱，晶內(nèi)的鉻原子有足夠的時間擴散，也能使貧鉻層消失，但這需要的時間過長，生產(chǎn)中沒有使用價值。根據(jù)奧氏體鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的規(guī)律，焊接接頭在冷卻過程中，若在敏化溫度區(qū)停留一定時間，接頭的耐晶間腐蝕能力降低。整個接頭中以焊縫和峰值溫度在600C?1000C的熱影響區(qū)兩個部位，對晶間腐蝕最為敏感，后者成為敏化區(qū)。提高焊接接頭耐晶間腐蝕的措施，一般可以從下面幾個方面考慮：降低母材和焊縫中的含碳量在鋼中加入穩(wěn)定的碳化物形成元素焊后進行固溶處理改變焊縫的組織狀態(tài)為了防止母材敏化區(qū)抗晶間腐蝕能力下降，關(guān)鍵在于正確的選材。當母材成分一定時，正確的選擇焊接參數(shù)，以防止敏化區(qū)在敏化區(qū)間停留較長時間，則是至關(guān)重要的。為了提高18-8鋼的耐晶間腐蝕能力。母材的選用不外乎采用18-8Ti、18-8Nb或低碳、超低碳不銹鋼兩種方案。近年來，由于精練技術(shù)的推廣使用，可以煉出低成本的低碳、超低碳不銹鋼，而逐步取代高碳級穩(wěn)定化奧氏體不銹鋼。焊接接頭的刀口腐蝕刀口腐蝕是焊接接頭中特有的一種晶間腐蝕，只發(fā)生于含有穩(wěn)定劑鈦、鈮的奧氏體鋼的焊接接頭上。腐蝕部位在熱影響區(qū)的過熱區(qū)，開始寬度只有3?5個晶粒，逐漸可擴大到1.0?1.5mm。腐蝕一直深入到金屬內(nèi)部，因形狀似刀刃而得名。刀狀腐蝕一般發(fā)生在焊后再次在敏化溫度區(qū)間加熱時，即高溫過熱與中溫敏化連續(xù)作用的條件下，產(chǎn)生的原因也和Cr23C6析出后形成的貧鉻層有關(guān)。含有穩(wěn)定劑的不銹鋼，為了充分發(fā)揮穩(wěn)定劑的作用，一般固溶處理的溫度高于Cr23C6的溶解溫度而低于穩(wěn)定劑碳化物的溶解溫度。焊接時，過熱區(qū)的峰值溫度高達1200C以上，鋼中的TiC融入奧氏體，分解出的碳在冷卻過程中偏聚在晶界形成過飽和狀態(tài)，而鈦則因擴散能力遠比碳低而留于晶內(nèi)。當接頭在敏化溫度區(qū)間再次加熱，過飽和的碳在晶間以Cr23C6形式析出，在晶界形成貧鉻層，使耐腐蝕能力降低。防止刀口腐蝕的措施有以下幾點：（1） 降低含碳量（2） 減少近縫區(qū)過熱（3） 合理安排焊接順序（4） 焊后進行穩(wěn)定化處理應(yīng)力腐蝕開裂問題金屬在應(yīng)力和腐蝕性介質(zhì)共同作用下，所發(fā)生的腐蝕破壞叫應(yīng)力腐蝕開裂。自從不銹鋼的晶間腐蝕問題在理論與實踐上得到較好地解決后，應(yīng)力腐蝕開裂逐漸成為不銹鋼腐蝕破壞中最突出的問題。如在化工設(shè)備的破壞事故中，由于不銹鋼的應(yīng)力腐蝕開裂造成的事故占50%。破壞設(shè)計幾乎所有的耐蝕材料，開裂是沒有任何的變形，因而事故往往是突發(fā)性的，后果嚴重。純金屬一般沒有應(yīng)力腐蝕開裂傾向，而在不銹鋼中，奧氏體鋼比鐵素體鋼或馬氏體鋼對應(yīng)力腐蝕更要敏感。根據(jù)對破壞實例的大量統(tǒng)計，在鉻-鎳奧氏體不銹鋼中，產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的鋼種主要是近多年來大量應(yīng)用的超低碳不銹鋼。這些鋼經(jīng)常出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂，不僅與晶體結(jié)構(gòu)和容易產(chǎn)生滑移等原因有關(guān)，而且與這些鋼種產(chǎn)量大、用途廣也有密切聯(lián)系。到目前為止，對應(yīng)力腐蝕開裂的機理還有待進一步研究，但對導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂的基本因素及某些規(guī)律，已取得了一致的看法。拉應(yīng)力的存在時產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件。表8-10列出了造成應(yīng)力腐蝕開裂主要應(yīng)力來源，可以看出，應(yīng)力主要來至于制造過程，因而焊接應(yīng)力造成事故占到30%以上。表8-10引起不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂的主要應(yīng)力來源應(yīng)力來源事故數(shù)占事故的百分比塑性加工的殘余應(yīng)力5548.7焊接的殘余應(yīng)力3531.0設(shè)備操作的熱應(yīng)力1715.0設(shè)備操作的工作應(yīng)力43.5設(shè)備固定、連接的殘余應(yīng)力21.8合計113100應(yīng)力腐蝕開裂的又一特征是，腐蝕介質(zhì)與材料的組合上有選擇性。對一定材料來說，存在著最容易引起應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)。如將強制成形彎曲后的18-8鋼放在不同介質(zhì)中進行試驗，發(fā)現(xiàn)在幾乎不腐蝕的MgCl2、CaCl2和ZnCl2等介質(zhì)中，卻容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕。反之，在一些容易引起腐蝕的介質(zhì)中，多數(shù)情況下卻不會發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。引起奧氏體不銹鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的介質(zhì)，主要有氯化物水溶液、海水、水蒸氣等。鉻鎳奧氏體不銹鋼引力腐蝕開裂產(chǎn)生的溫度范圍。在50°C一下和300°C以上，鉻鎳奧氏體鋼很少出現(xiàn)引力腐蝕開裂。而在50?300C，特別是在50~200C范圍內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂的比例最大。不銹鋼在使用條件下產(chǎn)生引力腐蝕開裂的影響因素很多，包括鋼的成分、組織和狀態(tài)，介質(zhì)種類、溫度、濃度，應(yīng)力的性質(zhì)、大小及結(jié)構(gòu)特點等。防止應(yīng)力腐蝕開裂往往要從多方面采取措施，主要有：（1） 正確的選材根據(jù)介質(zhì)特性，選用對應(yīng)力腐蝕開裂敏感性低的材料是防止應(yīng)力腐蝕開裂最根本的措施。（2） 消除產(chǎn)品的殘余應(yīng)力可以可以認為，消除或減少結(jié)構(gòu)或部件中的殘余應(yīng)力，是降低奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性的重要措施。（3）對材料進行防腐處理通過電鍍、噴鍍等方法，用金屬或非金屬覆蓋層將金屬與腐蝕介質(zhì)隔離。（4）改進部件結(jié)構(gòu)及接頭設(shè)計由于設(shè)計不合理，往往會形成較大的應(yīng)力集中或在制造中產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力。焊接接頭熱裂紋問題奧氏體不銹鋼焊接時產(chǎn)生的裂紋時熱裂紋，在焊縫和熱影響區(qū)都可能出現(xiàn)。寒風中主要是結(jié)晶裂紋；熱影響區(qū)及多層焊層間金屬，則多為高溫液化裂紋。二者都與由于偏析而導(dǎo)致的晶間液化有關(guān)。（1） 裂紋產(chǎn)生的原因奧氏體鋼對熱裂紋比較敏感，主要是由于冶金因素決定的，即由鋼的化學(xué)成分、組織與性能決定的。1） 由于奧氏體鋼是單相組織，焊縫從凝固冷卻到室溫不發(fā)生相變，很容易形成方向性很強的粗大柱狀晶組織，為低熔點物質(zhì)的偏析與集中創(chuàng)造了條件。2） 奧氏體鋼中合金元素的品種多，數(shù)量大，不僅硫、磷等雜質(zhì)會與鐵形成低熔點共晶，合金元素之間或與雜質(zhì)間作用也可以形成低熔點化合物或共晶。3） 奧氏體鋼的熱物理性能對裂紋敏感性以后亦有著直接的影響。由于熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)大，局部加熱時溫度分布不均勻，收縮量大等都將是接頭在冷清過程中產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。（2） 防止焊縫結(jié)晶裂紋的途徑主要有以下幾點：1） 嚴格控制有害雜質(zhì)，主要是硫、磷的數(shù)量。2） 調(diào)整焊縫金屬為雙相組織。3） 合理進行合金化。在單相穩(wěn)定奧氏體鋼中適當增加Mn、C、N的含量，可以改善抗裂性?？紤]合金化時還必須盡可能在提高焊縫抗裂能力的同時保證焊縫的使用性能，力求工藝性能與使用性能統(tǒng)一。4） 工藝上的措施。為降低焊縫的熱裂傾向，制定焊接工藝時盡可能減少熔池過熱和街頭的殘余應(yīng)力。減少電流是有益的。?（3） 近縫區(qū)的液化裂紋液化裂紋主要出現(xiàn)在25-20鋼中。根據(jù)25-20鋼快速加熱模擬實驗，發(fā)現(xiàn)晶粒長大趨勢明顯。平均晶粒尺寸比相同條件下的18-8鋼要高出50°C?60°C。而且在過熱晶粒的邊界發(fā)生明顯的偏析，并產(chǎn)生晶間液膜，Cr、Ni、Si、Mn等元素都要高于平均量。晶間液膜的熔點大約在1355?1360C，比基體熔點低60?65C。加熱速度越快，距離平衡狀態(tài)越遠，則偏析程度越高?？梢姷腿埸c晶間液膜的存在，是產(chǎn)生液化裂紋的主要原因。為了防止25-20鋼液化裂紋，主要在焊接工藝方面采取措施，以減少母材過熱，抑制晶粒長大。嚴格限制母材中有害雜質(zhì)的含量，也有利于提高抗液化裂紋性能。鐵素體含量控制問題奧氏體耐熱鋼焊縫金屬鐵素體含量的多少。直接關(guān)系到抗熱裂性等。對于各種不同成分的鉻鎳系焊縫金屬，在焊后狀態(tài)的鐵素體含量可按德龍焊縫組織圖來確定