材料焊接性第4章 不锈钢及耐热钢更新版.ppt

第4章不锈钢及耐热钢的焊接 不锈钢 不锈钢是耐蚀和耐热高合金钢的统称 不锈钢通常含有Cr wCr 12 Ni Mn Mo等元素 具有良好的耐腐蚀性 耐热性和较好的力学性能 适于制造要求耐腐蚀 抗氧化 耐高温和超低温的零部件和设备 不锈钢焊接接头的宏观照片 YAG MAG激光电弧复合焊 4 1不锈钢及耐热钢的分类及特性 4 1 1不锈钢的基本定义 不锈钢的定义 原义型 习惯型 广义型 仅指在无污染的大气环境中能够不生锈的钢 指原义型含义不锈钢与能耐酸腐蚀的耐酸不锈钢的统称 泛指耐蚀钢和耐热钢 统称为不锈钢StainlessSteels 4 1 2不锈钢及耐热钢的分类 按主要化学成分分类 铬锰氮不锈钢 铬镍不锈钢 铬不锈钢 指Cr的质量分数介于12 30 之间的不锈钢 其基本类型为Cr13型 Cr的质量分数介于12 30 Ni的质量分数介于6 12 和含其他少量元素的钢种 基本类型为Cr18Ni9钢 属于节镍型奥氏体不锈钢 化学成分中部分镍被锰 氮替代 可减少镍的含量如1Cr18Mn8Ni5N 1Cr18Mn6Ni5N 按用途分类 超低碳Cr Ni钢 如00Cr25Ni22Mo2 00Cr22Ni5Mo3N 等 低碳Cr Ni钢 如0Cr19Ni9 1Cr18Ni9Ti 高Cr钢 如1Cr13 2Cr13 不锈钢 抗氧化钢 热强钢 高Cr钢 如1Cr17 1Cr25Si2 如1Cr18Ni9Ti 1Cr16Ni25Mo6 4Cr25Ni20 4Cr25Ni34等 Cr Ni钢 如2Cr25Ni20 2Cr25Ni20Si2 以Cr12为基的多元合金化高Cr钢 如1Cr12MoWV 按组织分类 奥氏体钢 铁素体钢 马氏体钢 铁素体 奥氏体双相钢 0Cr19Ni9 1Cr18Ni9Ti 18 8Ti 2Cr25Ni20Si2 4Cr25Ni200Cr21Ni32 4Cr25Ni35 沉淀硬化钢 1Cr17 1Cr25Si2000Cr30Mo2 Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13及1Cr17Ni12 1Cr12MoWV 00Cr18Ni5Mo3Si2 0Cr25Ni5Mo3N 00Cr22Ni5Mo3N 0Cr17Ni4Cu4Nb 简称17 4PH0Cr17Ni7Al 简称17 7PH 4 1 3不锈钢及耐热钢的特性 表4 1不锈钢及耐热钢的物理性能 不锈钢的耐蚀性能 应力腐蚀 SCC 不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力作用下出现的低于强度极限的脆性开裂现象 晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象 缝隙腐蚀 在电解液中 如在氯离子环境中 不锈钢间或与异物接触的表面间存在间隙时 缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl 而被局部破坏的现象 点腐蚀 孔蚀或坑蚀 金属材料表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微 而分散发生的局部腐蚀 均匀腐蚀 接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象 相脆化 是Cr的质量分数约45 的典型FeCr金属间化合物 无磁性 硬而脆 475 脆性 主要出现在Cr 15 的铁素体钢中 430 480 之间长期加热并缓冷 导致在常温时或负温时出现强度升高而韧性下降的现象 热强性 在高温下长时间工作时对断裂的抗力 持久强度 或在高温下长时间工作时抗塑性变形的能力 蠕变抗力 数据 刘会杰书186表7 3 耐热性能 耐热性能是指高温下 既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能即热稳定性 同时又有足够的强度即热强性 不锈钢及耐热钢的高温性能 4 1 4Fe Cr Fe Ni相图及合金元素的影响 图4 1Fe Cr二元合金状态图 图4 2Fe Ni二元合金状态图 合金元素对相图的影响 碳的影响 氮的影响 锰的影响 钼的影响 碳是强奥氏体化元素 会使 相区增大 而 相区减小 氮是强奥氏体化元素 Mo也是铁素体形成元素Mo对 相区有强烈的缩小作用 Mn是奥氏体形成元素 与Ni相似 会扩大 相区 使 的转变向低温移动 4 2奥氏体不锈钢的焊接 4 2 1奥氏体不锈钢的类型 类型 18 8型奥氏体不锈钢 18 12Mo型奥氏体不锈钢 为克服晶间腐蚀倾开发了1Cr18Ni9Ti和0Cr18Ni11Nb等 主要牌号有1Cr18Ni9和0Cr18Ni9 25 20型奥氏体不锈钢 超低碳18 8型不锈钢 如00Cr19Ni10等 0Cr17Ni12Mo2 0Cr18Ni12Mo2Ti等 牌号有0Cr25Ni20等 4 2 2奥氏体不锈钢焊接性分析 奥氏体不锈钢焊接性分析 奥氏体不锈钢焊接接头的耐蚀性 热裂纹 析出现象 低温脆化 晶间腐蚀 应力腐蚀开裂 SCC 热影响区敏化区晶间腐蚀 焊缝区晶间腐蚀 点蚀 刀状腐蚀 腐蚀介质的影响 焊接应力的作用 合金元素的作用 奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向 双相钢有时也会有点蚀产生 焊接接头的耐蚀性 焊缝区晶间腐蚀 防止途径 选择超低碳焊接材料 调整焊缝成分获得一定 相 图4 50Cr18Ni9不锈钢HAZ晶间腐蚀 图4 318 8不锈钢焊接接头可能出现晶间腐蚀的部位1 HAZ敏化区2 焊缝区3 熔合区 图4 4舍夫勒焊缝组织图铬当量镍当量 奥氏体不锈钢焊接热影响区可划分为过热区 相脆化区和敏化区三个区 铁素体不锈钢的热影响区可分为过热区 相脆化区 475 脆性区 图2 9为不锈钢热影响区的划分示意图 一 过热区加热温度在Tks Tm 二 相脆化区加热温度在650 850 三 敏化区加热温度在450 850 四 475 脆性区加热温度在400 600 HAZ晶间腐蚀 晶间腐蚀的机理是什么呢 贫铬区 不锈钢表面或内部局部铬含量低于平均含量的区域 贫铬区的出现 通常是碳化铬析出的结果 由于铬是保证不锈钢耐腐蚀性的元素 贫铬区往往优先发生腐蚀 例如不锈钢中沿晶界析出碳化铬后导致晶界附近贫铬 从而容易发生晶间腐蚀 什么是敏化区 18 8钢型奥氏体不锈钢在450 850 温度范围内加热后对晶间腐蚀最为敏感 通常把这一温度区间成为敏化温度区间 在此区间内加热的过程称为敏化过程 超低碳以及含Ti或Nb的奥氏体不锈钢不易有敏化区出现 图4 6Cr23C6 TiC的析出温度 Cr23C6的析出温度 600 850 TiC的析出温度 1100 刀状腐蚀 定义 在熔合区产生的晶间腐蚀 如刀削切口形式 故称为刀状腐蚀 发生部位 只发生在含或的18 8和18 8钢的熔合区 实质 与M23C6沉淀形成贫铬层有关 必要条件 高温过热和中温敏化的相继作用 图4 818 8Ti钢热影响区中碳化物的分布特征WM 焊缝WI 焊缝边界 图4 7不锈钢刀状腐蚀形貌500 图4 100Cr17Ni12Mo2不锈钢焊趾处的应力腐蚀裂纹10 应力腐蚀开裂 1 腐蚀介质的影响腐蚀介质与材料组合上的选择性 在此特定组合之外不会产生应力腐蚀 2 焊接应力的作用应力腐蚀开裂是应力和腐蚀介质共同作用的结果 由于低热导率及高热膨胀系数 不锈钢焊后常常产生较大的残余应力 合金元素的作用在晶界上的合金元素偏析引起合金晶间开裂是应力腐蚀的主要因素之一 三个条件 环境选择性的腐蚀介质拉应力 点蚀 奥氏体钢焊接接头有点蚀倾向 点蚀指数PI越小的钢 点蚀倾向越大 易产生部位 焊缝中的不完全混合区 焊接材料选择不当时 焊缝中心部位也会有点蚀产生 主要原因 耐点蚀成分Cr与Mo的偏析 TIG自熔焊易形成点蚀 甚至填送同质焊丝时也是如此 仍不如母材 为提高耐点蚀性能 一方面须减少Cr Mo的偏析 一方面采用较母材更高Cr Mo含量的所谓 超合金化 焊接材料 OveralloyedFillerMetal 提高Ni含量 晶轴中Cr Mo的负偏析显著减少 凝固模式对热裂纹的影响凝固裂纹最易产生于单相奥氏体 组织的焊缝中 如果为 双相组织 则不易于产生凝固裂纹 所谓凝固模式 首先是指以何种初生相 或 开始结晶进行凝固过程 其次是指以何种相完成凝固过程 可有四种凝固模式 FAFFAA 奥氏体钢焊接热裂纹的原因 1 奥氏体钢的热导率小和线膨胀系数大 较大拉应力2 奥氏体钢易于联生结晶形成方向性强的柱状晶的焊缝组织 有利于有害杂质偏析3 奥氏体钢合金组成较复杂 易溶共晶多 热裂纹 化学成分对热裂纹的影响任何钢种都是一个复杂的合金系统 某一元素单独作用和其他元素共存时发生的作用 往往不尽相同 甚至可能相反 MnSPSiNbTiCB 焊接工艺对热裂纹的影响有一定影响 图4 13凝固模式对热裂纹的影响 图4 14Fe Cr Ni三元合金一个70 Fe的伪二元相图 图4 17热裂倾向 关键是Creq Nieq比值 而并非室温 相数量 18 8系列奥氏体钢 因Creq Nieq处于1 5 2 0之间 一般不会轻易发生热裂 而25 20系列奥氏体钢 因Creq Nieq 1 5 Ni含量越高 其比值越小 所以具有明显的热裂敏感性 析出现象 低温脆化 相通常只有在铬的质量分数大于16 时才会析出 由于铬有很高的扩散性 相在铁素体中的析出比奥氏体中的快 相的析出使材料的韧性降低 硬度增加 有时还增加了材料的腐蚀敏感性 相的产生 是 或是 为了满足低温韧性要求 有时采用18 8钢 焊缝组织希望是单一 相 成为完全面心立方结构 尽量避免出现 相 相的存在 总是恶化低温韧性 4 2 3奥氏体不锈钢的焊接工艺特点 焊接材料选择应注意的问题 应坚持 适用性原则 根据所选各焊接材料的具体成分来确定是否适用 考虑具体应用的焊接方法和工艺参数可能造成的熔合比大小 根据技术条件规定的全面焊接性要求来确定合金化程度 不仅要重视焊缝金属合金系统 而且要注意具体合金成分在该合金系统中的作用 不仅考虑使用性能要求 也要考虑防止焊接缺陷的工艺焊接性的要求 焊接工艺要点 合理选择焊接方法 控制焊接参数 避免接头产生过热现象 接头设计的合理性应给以足够的重视 尽可能控制焊接工艺稳定以保证焊缝金属成分稳定 控制焊缝成形 防止焊件工作表面的污染 4 3铁素体及马氏体不锈钢的焊接 4 3 1铁素体不锈钢焊接性分析 铁素体不锈钢的类型 普通铁素体钢 高纯度铁素体钢 低Cr wCr 12 14 钢如00Cr12 0Cr13 0Cr13Al等 中Cr wCr 16 18 钢如0Cr17Ti 1Cr17Mo等 高Cr wCr 25 30 钢 如1Cr25Ti 1Cr28等 wC wN 0 035 0 045 如00Cr18Mo2等 wC wN 0 03 如00Cr18Mo2Ti等 wC wN 0 01 0 015 如000Cr18Mo2Ti 000Cr26Mo1等 焊接性分析 焊接接头的晶间腐蚀 焊接接头的脆化 高温脆性 相脆化 475 脆化 从铁素体组织的塑性 韧性以及线膨胀系数分析 其焊接热裂纹和冷裂纹的问题并不突出 但是焊接接头耐蚀性和高温下长期服役可能出现的脆化脆化问题需要引起重视 高纯铁素体钢比普通铁素体钢的焊接性要好得多 焊接接头的晶间腐蚀 发生腐蚀的条件稍有不同 从900 C以上快速冷却 铁素体铬不锈钢对腐蚀很敏感 但经过650 800 C的回火后 又可恢复其耐蚀性 所以 焊接接头产生晶间腐蚀的位置是紧挨焊缝的高温区 高温脆性 相脆化 475 脆化 焊接接头的脆化 铁素体不锈钢焊接接头加热至950 1000 以上后急冷至室温 焊接热影响区的塑性和韧性显著降低 称为 高温脆性 其脆化程度与合金元素碳和氮的含量有关 普通纯度铁素体不锈钢中wCr 21 时 若在520 820 之间长时间加热 可析出 相 相的形成与焊缝金属中的化学成分 组织 加热温度 保温时间以及预先冷变形等因素有关 wCr 15 的普通纯度铁素体不锈钢在400 500 长期加热后 即可出现475 脆性 475 脆化可通过焊后热处理消除 4 3 2铁素体不锈钢的焊接工艺特点 焊接方法 焊接材料的选择 低温预热及焊后热处理 可采用焊条电弧焊 药芯焊丝电弧焊 熔化极气体保护焊 钨极氩弧焊和埋弧焊 同质铁素体型 奥氏体型和镍基合金 预热在100 200 600 700 焊后热处理 4 3 3马氏体不锈钢焊接性分析 马氏体不锈钢的类型 Cr13系钢1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 热强马氏体钢2Cr12WMoV 2Cr12MoV 超低碳复相马氏体钢0 01C 13Cr 7Ni 3Si 0 03C 12 5Cr 4Ni 0 3Ti 焊接性分析 焊接接头的冷裂纹 焊接接头的硬化现象 超低碳复相马氏体钢无淬硬倾向 并具有较高的塑性和韧性 常见马氏体钢均有脆硬倾向 含碳量越高 脆硬倾向越大 因此 首先遇到的问题是含碳量较高的马氏体钢淬硬性导致的冷裂纹的问题和脆化问题 焊接接头的冷裂纹 马氏体型不锈钢Cr 12 增加钢的奥氏体稳定性 适量的碳和镍 淬硬性和淬透性高 经固溶再空冷也会发生马氏体转变 马氏体型不锈钢焊缝和热影响区焊后状态的组织为硬脆的马氏体组织 马氏体型不锈钢导热性较碳钢差 焊后残余应力较大 如果焊接接头刚度又大或焊接过程中含氢量又较高 当从高温直接冷至120 100 以下时 很容易产生冷裂纹 焊接接头的硬化现象 Cr13类马氏体不锈钢以及Cr12系列的热强钢 可以在退火状态或淬火状态下进行焊接 无论焊前原始状态如何 冷却速度较快时 近缝区必会出现硬化现象 形成粗大马氏体的硬化区 在冷却速度较小时 近缝区会出现粗大的铁素体 塑性和韧性也明显下降 所以 焊接时冷却速度的控制是一个难题 图4 21高强度马氏体钢TIG焊后的硬度1 1Cr132 2Cr133 00Cr13Ni7Si3 4 3 4马氏体不锈钢的焊接工艺特点 同质焊缝焊接时 宜预热 预热温度与材料厚度 填充金属种类 焊接方法和构件的拘束度有关 与碳含量关系最大 焊接构件不能进行预热或不便进行热处理时 可采用奥氏体不锈钢焊接材料 对于热强型马氏体钢 最希望焊缝成分接近母材 焊接材料的选择 预热及焊后热处理 最好采用同质填充金属来焊接马氏体钢 同时应考虑合理的合金化 加少量Ti Al N Nb等以细化晶粒 降低淬硬性 马氏体型不锈钢的预热温度不宜过高 否则将使奥氏体晶粒粗大 并且随冷却速度降低 还会形成粗大铁素体加晶界碳化物组织 使焊接接头塑性和强度均有所下降 图4 22正确的焊后热处理工艺 图4 23不正确的焊后热处理工艺 4 4奥氏体 铁素体双相不锈钢的焊接 4 4 1奥氏体 铁素体双相不锈钢的类型 中合金型双相不锈钢 低合金型双相不锈钢 高合金双相不锈钢 超级双相不锈钢 00Cr25Ni6Mo2N00Cr25Ni7Mo3WcuN 0Cr21Ni5Ti 1Cr21Ni5Ti 00Cr18Ni5Mo3Si2 00Cr23Ni4N钢 00Cr22NI5Mo3N 00Cr25Ni7Mo4N00Cr25Ni6 5Mo3 5CuN 4 4 2双相不锈钢的耐蚀性 双相不锈钢的耐蚀性 耐应力腐蚀性能 耐晶间腐蚀性能 耐点蚀性能 4 4 3奥氏体 铁素体双相不锈钢的焊接性分析 双相不锈钢焊接的冶金特性 双相不锈钢焊接接头的析出现象 焊缝金属的组织转变 焊接热影响区的组织转变 铬的氮化物 如Cr2N CrN 二次奥氏体 2 及金属间相 如 相等 图4 25 相区域宽度 图4 26峰值温度对热影响区的影响 双相不锈钢焊接的析出现象 有可能发生三种类型的析出 即铬的氮化物 如Cr2N CrN 二次奥氏体 2 及金属间相 如 相等 当焊缝金属铁素体数量过多或为纯铁素体组织时 很容易有氮化物的析出 这与在高温时 氮在铁素体中的溶解度高 而快速冷时溶解度又下降有关 尤其是在焊缝近表面 由于氮的损失 使铁素体量增加 氮化物更易析出 焊缝若是健全的两相组织 氮化物的析出量很少 因此 为了增加焊缝金属的奥氏体数量 可在填充金属中提高镍 氮元素的含量 另外 若采用大的热输入焊接 也可防止纯铁素体晶粒的生成而引起的氮化物的析出 在含氮量高的超级双相不锈钢多层焊时会出现二次奥氏体的析出 特别是前道焊缝采用低热输入而后续焊缝采用大热输入焊接时 部分会转变成细小分散的二次奥氏体 2 这种 2也和氮化物一样会降低焊缝的耐腐蚀性能 尤其以表面析出影响