第七章 不锈钢及耐热钢的焊接

第7章不锈钢及耐热钢的焊接7.1不锈钢、耐热钢的类型和特性7.2不锈钢的焊接7.3耐热钢的焊接不锈钢：指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的、具有高度化学稳定性的合金钢的总称。不锈钢具有良好的耐蚀性、耐热性和较好的力学性能，适于制造耐腐蚀、抗氧化、耐高温和超低温的零部件和设备。(1)原义型仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢。(2)习惯型指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称。(3)广义型泛指耐蚀钢和耐热钢，统称为不锈钢7.1.1不锈钢、耐热钢的类型7.1不锈钢、耐热钢的类型和特性不锈钢中主加元素铬的质量分数ｗCr＞12％，通常还含其他合金元素如Ni、Mn、Mo等。不锈钢之所以具有耐腐蚀性是因为：一是不锈钢中一定量的Cr元素，能在钢材表面形成一层不溶于腐蚀介质的坚固的氧化钝化膜，使金属与外界介质隔离而不发生化学作用；二是大部分金属腐蚀属于电化学腐蚀，铬的加入可提高钢基体的电极电位；三是Cr、Ni、Mn、N等元素的加入还会促使形成单相组织，阻止形成微电池，从而提高耐蚀性。按照合金元素对不锈钢组织的影响和作用的程度，分为两大类：一类是形成或稳定奥氏体的元素：C、Ni、Mn、N、Cu；一类是缩小或封闭奥氏体区即形成铁素体的元素：Cr、Si、Mo、Ti、Nb、V、W、Al等。不锈钢按金相组织分类(1)铁素体型不锈钢(2)马氏体型不锈钢(3)奥氏体型不锈钢(4)双相不锈钢（奥氏体-铁素体型、奥氏体-马氏体型）(5)沉淀硬化不锈钢等。(1)室温组织为铁素体,以退火状态供货；(2)铬的质量分数WCr在11.5％～32.0％的范围内。随Cr增加，其耐酸性能提高；加入钼后，则可以提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。典型牌号有00Cr12、1Cr17、00Cr17Mo、00Cr30Mo2等1铁素体不锈钢(3)根据C和N的含量，分为普通纯度和超高纯度两个系列:①普通纯度铁素体不锈钢WC=0.1％左右，少量的氮，如1Cr17、1Cr17Mo缺点是碳和氮的总质量分数较高、在高温加热条件下造成钢的脆性转变温度升高，材质较脆，焊接性较差。②超高纯度铁素体不锈钢WC+N≤0.025％～0.035％，通过真空或保护气体精炼技术冶炼：00Cr18Mo2和00Cr27Mo韧性、耐蚀性、焊接性等方面均优于普通纯度的铁素体不锈钢(1)室温组织为马氏体，退火态或淬火回火态供货；(2)WCr=11.5％～18.0％，碳的质量分数WC最高可达1.0％。(3)具有一定的耐酸腐蚀性和较好的热稳定性及热强性。(4)主要用于力学性能要求较高、且在弱腐蚀介质中工作的零件和工具，也可作为温度在700℃以下长期工作的耐热钢使用，如汽轮机的叶片、内燃机排气阀和医疗器械等。(5)焊接性较差典型牌号:1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni22马氏体不锈钢(1)室温组织为奥氏体，多为固溶处理态供货；(2)高铬不锈钢中加入镍（WNi=8％～25％）而形成的。(3)以0Cr18Ni8的基础上发展了六大系列：①降低碳发展超低碳不锈钢，00Cr19Ni10，提高耐蚀性；加入Mo、Cu、Ti，如00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Ni14Mo2Cu2Ti，提高抗还原性酸的能力；②增加碳质量分数，如1Cr18Ni9，提高强度；③加入Ti、Nb等稳定碳化物元素，获得0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb等，提高抗晶间腐蚀的能力；④加入Mo、Cu、Ti，获得1Cr18Ni12Mo2Ti、1Cr18Ni12Mo3Ti、0Cr18Ni12Mo2Cu2等，提高抗还原酸腐蚀的能力和抗晶间腐蚀力；⑤加入Cr、Ni，如1Cr23Ni13、1Cr25Ni20等，提高耐热性；⑥用Mn、N代Ni，如1Cr17Mn6Ni5N、1Cr18Mn8Ni5N，降低成本。3奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢属于耐蚀钢，在氧化性、中性及弱还原性介质中有良好的耐蚀性，是应用最广泛的不锈钢。在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能和良好的耐热性能；但对溶液中含有氯离子（Cl-）的介质特别敏感，易于发生应力腐蚀。部分奥氏体不锈钢可作为耐热钢使用(1)固溶组织为铁素体相(60%~40%)与奥氏体相的双相组织，固溶处理态供货；(2)含C较低，Cr=18%~28%，Ni=3%~10%，添加Mo、N。(3)兼有奥氏体和铁素体不锈钢的特点:与铁素体相比，塑性、韧性更高，无室温脆性，耐晶间腐蚀性能和焊接性能显著提高，保持有铁素体不锈钢的475℃脆性以及导热系数高/超塑性等特点。与奥氏体不锈钢相比，强度高,耐晶间腐蚀和耐氯化物应力腐蚀高。具有优良的耐孔蚀性能，也是一种节镍不锈钢。典型钢种:00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni5Mo3N、0Cr25Ni5Mo24.奥氏体-铁素体型双相不锈钢(4)广泛应用于化肥厂和化工厂等设备装置，机械加工、冷冲压和焊接性能良好，耐蚀性能好。7Mo双相不锈钢中的奥氏体,铁素体,和σ相816℃退火并时效48h20%NaOH水溶液,3Vdc,10s电解腐蚀部分铁素体(棕黄色)转变为σ相(橙色),还有新形成的奥氏体,原奥氏体未被染色，标尺长度代表10µm５.沉淀硬化不锈钢时效强化处理钢，在不锈钢中单独或复合添加硬化元素，通过适当热处理获得高强度、高韧性并具有良好耐蚀性能的一类不锈钢。通常作为耐磨、耐蚀、高强度结构件，如轴、齿轮、弹簧、阀等零件以及高强度压力容器、化工处理设备和航空航天设备等。典型马氏体沉淀硬化钢17-4PH钢，如0Cr17Ni4Cu4Nb半奥氏体(奥氏体和马氏体）17-7PH钢，如0Cr17Ni7Al7.1.2不锈钢的耐蚀性能不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面腐蚀）、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀破裂等五种。1均匀腐蚀均匀腐蚀是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。硝酸-氧化性酸，不易产生均匀腐蚀；硫酸-还原性酸，Cr-Ni的不锈钢较高的耐蚀性，Cr的马氏体不锈钢和铁素体不锈钢不耐腐蚀。含Cl-介质中，Cr-Ni的不锈钢不耐腐蚀耐蚀性由强到弱依次为：奥氏体钢、双相不锈钢、铁素体钢、马氏体钢2晶间腐蚀晶间腐蚀是起源于金属表面沿金属晶界发生的有选择的深入金属内部的一种局部腐蚀。能够导致晶粒间的结合力丧失，使材料强度几乎消失。危害性最大，容易造成设备突然破坏，而在金属外观上没有任何变化。奥氏体钢的敏化温度：18-8型奥氏体不锈钢在450~850℃温度范围内加热后沿晶界析出Cr3C2，晶界贫铬，对晶间腐蚀最为敏感；随碳含量的升高，敏化温度的上限就越高；原因：与晶界贫铬有关铁素体钢的晶间腐蚀：与晶界贫铬有关“稳定化处理”：从1000~1200℃急速冷却后再经650~850℃的加热缓冷使得贫铬层消失。改善，固溶处理，在奥氏体钢中存在一定量的铁素体相可减小晶间腐蚀的趋势。3点蚀点蚀是指在金属表面产生的尺寸约小于1.0mm的穿孔性或蚀坑性的宏观腐蚀。常因Cl-的存在引起的。由材料表面钝化膜的局部破坏所引起的，材料的阳极电位值越高，抗点蚀能力越好。F-A双相不锈钢的抗点蚀性能较高。4缝隙腐蚀缝隙腐蚀是金属构件缝隙处发生的斑点状或溃疡形宏观蚀坑，常发生在垫圈、铆接、螺钉连接缝、搭接的焊接接头等部位。主要是由溶液局部Cl-浓化PH值降低，介质浓度不均匀所造成的。0Cr18Ni9、00Cr17Ni14Mo2型奥氏体不锈钢、铁素体及马氏体不锈钢在海水中均有缝隙腐蚀的倾向。适当增加铬、钼含量以改善抗缝隙腐蚀、点蚀的能力。实际上采用钛、高钼镍基合金和铜合金等能有效地防止缝隙腐蚀的发生。因此，改变介质成分和结构形式是防止缝隙腐蚀的重要措施。5应力腐蚀开裂(SCC)应力腐蚀开裂是指在拉伸应力与电化学介质的共同作用下，因阳极溶解过程而引起的断裂(Cr-Ni奥氏体不锈钢）。其产生的条件如下：①引起应力腐蚀破裂的介质条件最大特点是在腐蚀介质与材料的组合上有选择性。在此特定组合以外的条件下不产生应力腐蚀。②应力条件在拉应力作用下才能产生，在压应力的作用下不会产生。③材料条件一般条件下纯金属不产生应力腐蚀，应力腐蚀均发生在合金中。晶界上的合金元素是引起合金的晶间型开裂的应力腐蚀的重要原因。7.1.3不锈钢及耐热钢的性能1不锈钢的物理性能奥氏体不锈钢的线膨胀系数比低碳钢大将近50％，而热导率仅为低碳钢的1/3左右；铁素体不锈钢钢和马氏体不锈钢钢的线膨胀系数与低碳钢相近，而热导率仅为低碳钢的1/2左右。由于奥氏体不锈钢的特殊物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种钢焊接时，由于两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差别，会产生很大的残余应力，成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。2不锈钢的力学性能奥氏体不锈钢的综合性能最好，既有足够的强度，又有极好的塑性，同时硬度也不高。奥氏体不锈钢同绝大多数的其它金属材料相似，其抗拉强度、屈服点和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减小；并具有较高的冷加工硬化性。马氏体不锈钢在退火状态下，硬度最低；可通过淬火硬化；正常使用时回火状态的硬度又稍有下降。铁素体不锈钢的特点是常温塑性低。当在高温长时间加热时，可能导致475℃脆化，σ脆性相产生或晶粒粗大等，使力学性能进一步恶化。在高温下工作，并具有一定强度和抗氧化、耐蚀能力的铁基合金。用于石油化工工业中的高温管线、反应塔和加热炉、热电站的锅炉和汽轮机、汽车和船舶的内燃机、航空航天工业的喷气发动机、核能动力装置等高温装置。(1)高温性能变化特征强度指标为高温蠕变强度；奥氏体钢比铁素体钢具有更高的热强性。(2)合金化问题Cr、Si、Al等元素形成致密的氧化膜保证抗氧化性；利用W、Mo固溶强化、形成稳定的第二相、减少晶界和强化晶界等措施提高热强性。(3)高温脆化问题：Cr13回火脆化，高Cr铁素体钢的晶粒长大脆化、奥氏体钢的晶界脆化；铁素体钢的475℃脆化；FeCr金属间化合物的σ相脆化。3耐热钢的耐热性能7.2不锈钢的焊接7.2.1奥氏体不锈钢的焊接性焊缝及热影响区热裂纹敏感性大；接头产生碳化铬沉淀析出，耐蚀性下降；焊接接头的脆化。1焊接热裂纹单相奥氏体不锈钢钢焊接时，具有较高的热裂纹敏感性。在焊缝及近缝区都有可能出现热裂纹，最常见的是焊缝凝固裂纹，也可能在HAZ或多层焊道间金属出现液化裂纹。右上图：奥氏体不锈钢(Fe-0.08%C-18%Cr-9%Ni-3.5%Cu)热轧及固溶退火后的显微组织Beraha’sBI试剂腐蚀.等轴有孪晶的FCC奥氏体晶粒.微弱的垂直线是合金的偏析造成(垂直方向为试样的纵向).偏振光加灵敏色片.(1)奥氏体钢的导热系数小，线膨胀系数大，焊缝接头在冷却过程中形成拉应力；(2)奥氏体钢易于联生结晶形成柱状晶利于形成杂质的偏析而形成晶间液膜；(3)合金组成较为复杂。奥氏体不锈钢中的镍，易与硫、磷等杂质形成低熔点共晶，如Ni-S共晶熔点为645℃，Ni-P共晶熔点为880℃，比Fe-S、Fe-P共晶的熔点更低，危害性也更大。其他一些元素如硅、硼、铌等元素，也能形成有害的易熔晶间层，这些低熔点共晶会促使热裂纹的产生。奥氏体不锈钢的焊接热裂纹倾向比低碳钢大得多。1焊接热裂纹防止热裂纹的产生，严格限制母材中的杂质含量，控制母材的晶粒度，工艺上应尽量采用高能量密度的焊接方法、小热输入和提高接头的冷却速度等措施，以减少母材的过热和避免近缝区晶粒的粗化。2焊接接头的晶间腐蚀在腐蚀介质中工作中发生局部沿着晶粒边界的腐蚀。0Cr18Ni9不锈钢晶间腐蚀，下图示。根据母材类型和所采用焊接材料与焊接工艺不同，奥氏体不锈钢焊接接头可能发生焊缝晶间腐蚀、HAZ敏化区（600～1000℃）晶间腐蚀、熔合区附近的刀状腐蚀。奥氏体不锈钢焊接接头可能发生晶间腐蚀的部位a—焊缝区b—HAZ敏化区c—熔合区（1）晶间腐蚀1）产生晶间腐蚀的原因奥氏体不锈钢焊缝和HAZ敏化区的晶间腐蚀，都与敏化过程使晶界形成贫铬层有关。奥氏体不锈钢(0Cr19Ni9)在加热到450～850℃时，对晶间腐蚀最敏感，此温度区间称敏化温度区。奥氏体不锈钢焊接接头敏化温度范围为600～1000℃，高于平衡条