第二章(双相不锈钢的焊接).ppt

第二章双相不锈钢的焊接 材料科学与工程学院朱平 30年代 法国最先研制出双相不锈钢 呈铁素体和奥氏体双相组织状态 具有独特的耐腐蚀性和较好的力学性能 但双相不锈钢的相组成比例难以控制及焊接困难 工业应用受到限制 40年代 美国开发出第一代双相不锈钢 329钢 耐腐蚀性能好 但含碳量较高 0 1 含钼和铬都较高 焊接性不好 50年代 苏联开发含稳定元素钛的双相不锈钢 德 法 英 日等国也相继开发出双相不锈钢 60年代 瑞典开发出最具代表性的第一代双相不锈钢 超低碳 0 03 双相不锈钢 3RE60钢 使焊接接头塑性 韧性和耐腐蚀性显著改善 2 1双相不锈钢的发展概况 70年代 开发出第二代双相不锈钢 即在超低碳的基础上含氮双相不锈钢 并含有钼 铜 硅等耐蚀性元素 包括18Cr型 22Cr型及25Cr型 如瑞典开发的SAF2205等 80年代 研发的超级双相不锈钢 SuperDSS 为第三代双相不锈钢 含碳量低 c0 01 0 02 高钼 Mo4 高氮 N0 3 钢中铁素体含量40 45 耐点蚀系数大于40 成功解决了Cr Ni奥氏不锈钢容易出现的孔蚀 应力腐蚀 腐蚀疲劳等问题 双相不锈钢的发展历程可概括为 产量低 增速快 2002年全球双相不锈钢年产量约占不锈钢总产量的1 但到了2009年这一比例上升到了15 这种高增长的原因在于 一是质量具备可靠性 二是成本具备经济性 目前双相不锈钢被广泛应用于工业设备制造和工程项目建设 如 炼油行业中的催化裂化装置 加氢处理装置 油气输送管线 化工行业中的氯乙烯生产装置 运输行业中的海上化学品船 造纸行业中的漂白设备 建筑行业中的结构件 核电行业等 双相不锈钢的主要应用领域 1 中性氯化物环境双相不锈钢在中性氯化物环境中应用广泛 在加工制造过程中 通常使用少量的含有氯离子的溶液作为冷却水 从而导致普通的奥氏体不锈钢 例如AISI304 316 有产生应力腐蚀的倾向 而双相不锈钢可以很好的解决这一问题 尤其适用于由孔蚀引起的应力腐蚀开裂的环境 衡量耐腐蚀性的好坏通常用孔蚀当量指数PRE Cr 3 3Mo 16N 表示 其中双相不锈钢PRE值大于24 而奥氏体PRE小于20 2 石油和天然气工业20世纪80年代以来 双相不锈钢在酸性气和油的生产中用量逐渐增多 主要用作生产管衬里 热交换器以及岸上和近海的管道系统等 尤其在石油和天然气的生产中 双相不锈钢多数面临的主要是酸性环境 即含有大量Cl CO2和一些H2S的环境 在含Cl 的湿CO恶性环境中 双相不锈钢是一种理想材料的首选 可耐高流速的磨损腐蚀 比加缓蚀剂的碳素钢及不锈钢更能抵抗高流速的磨损腐蚀 并用于井上管道系统 可以减少大量的材料重量 3 海水环境海水是自然环境中腐蚀性最强的一种介质 尤其在金属表面粘附着微生物薄膜时将产生腐蚀电位增加 同时也增加了孔蚀和缝隙腐蚀的倾向 就热海水而言 目前大多使用超级双相不锈钢 例如 用SAF2507超级双相不锈钢制造的海水交换器 使用3年未发现腐蚀 而钛管由于不耐F 腐蚀 只能用3个月 4 纸浆和造纸工业双相不锈钢在纸浆和造纸工业中的发展应用中已经有40多年的历史了 3RE60双向不锈钢最早就是在这一领域起步应用的 除3RE60钢外 其它双相不锈钢如UR45N SAF2205 UR47N 00Cr25Ni6 5Mo3N UR52N 00Cr25Ni6 5Mo3 5CuN 等都应用在各工业领域 由于双相不锈钢具有优秀的力学性能 以及耐磨损腐蚀 耐应力腐蚀以及耐疲劳腐蚀性能好等特长 所以在制造纸浆和工业用的造纸木屑预蒸器 造纸压力滚筒 连续式和间歇式纸浆蒸煮器和回收设备中都取得了良好的应用效果 5 化肥工业尿素工业也是最早使用双相不锈钢的部门之一 其装置中含氯离子水的热交换设备使用得较多 例如尿素装置中CO2压缩机三段冷却器原先使用304L奥氏体不锈钢管束 l个月后即因应力腐蚀破裂而导致泄漏 而双相不锈钢可用5年以上 随后一 二段冷却器也都换用了18 5Mo或SAF2205双相不锈钢 由于双相不锈钢在尿素介质中有良好的抗腐蚀疲劳性能 很适合用于制造尿素生产的关键设备 甲按泵泵体 国产的00Cr25Ni6Mo2N双向不锈钢能够通过Huey法的晶间腐蚀倾向的检验 已用于洞庭氮肥厂 五柱塞式 黑龙江化肥厂等大型化肥厂 国内中一些小化肥厂的甲按泵泵体基本上采用18 5Mo钢制造 也有数十家采用的是高铬含铅双相不锈钢 此外这种钢的泵阀锻件通过了日本JISG0573 G0591硝酸法和硫酸法的检验 批量出口日本 价格要比日本当地生产的优惠 此外 采用国产0Cr25Ni6Mo3CuN时效强化双相不锈钢 利用其优异的耐磨损腐蚀性能 用于加工多种规格的尿素装置主工艺管路高压截止阀的内件等 能起到不错的效果 6 运输业最近几年海上化学品运输船行业是国外最大的双相不锈钢用户 消费量约占热轧板的50 化学品船装载的液体货物多种多样 包括化学和石化产品 要求船舱材料既能耐腐蚀 又有较高的强度和优良的塑性 目前 SAF2205双相不锈钢已取代316L和317L等奥氏体不锈钢 成为海上化学品船的首选材料 我国在这方面起步较晚 中国长江航运集团青山船厂采用欧洲建造标准 使用进口的SAF2205钢板 自行制造成功第一艘18500t化学品船 钢板消耗量大约1200t 已出口比利时 实现了我国用双相不锈钢建造化学品船零的突破 该厂已形成规模生产能力 2 2 1主要成分 Cr Ni Mo N 其中 Cr Mo 铁素体形成元素Ni N 奥氏体形成元素N 主要固溶强化元素Cr Mo N 提高耐氯化物点蚀性能耐点蚀当量 PREN Cr 3 3 Mo 16 N 正常含Mo双相不锈钢 PREN 30 36超级双相不锈钢 PREN 40 2 2双相不锈钢的成分 组织和性能 根据成分和PREN值分类 低合金型 23 Cr无Mo双相不锈钢 Cr 23 Ni 4 N 0 1 0 2 PREN 24 25 中合金型 22 Cr标准双相不锈钢 Cr 22 Ni 5 5 5 Mo 3 N 0 14 0 17 PREN 30 36 高合金型 25 Cr 0 2 5 Cu双相不锈钢 Cr 25 27 Ni 4 7 Mo 1 5 3 3 N 0 15 0 25 PREN 32 40 25 Cr超级双相不锈钢 Cr 25 26 Ni 6 7 Mo 3 5 4 N 0 25 0 28 PREN 40 不锈钢的PREN值的比较 2 2 2组织 相 铁素体 相 奥氏体 双相组织 其中 相与 相的体积分数之比 约各占50 其中 铁素体 提供高的屈服强度 耐氯化物应力腐蚀性能 奥氏体 提供好的韧性和耐全腐蚀性能 相含量过高 引起脆化 相含量过高 降低耐应力腐蚀性能 2 2 3性能1 具有良好的耐氯化物应力腐蚀的能力 2 具有良好的抗点蚀和缝隙腐蚀性能 优于奥氏体不锈钢 3 有良好的耐腐蚀疲劳和耐磨损腐蚀性能 4 综合力学性能好 有较高的强度 包括疲劳强度 屈服强度是普通Cr Ni奥氏体不锈钢的2倍 5 焊接性好 热裂倾向小 一般不需要焊前预热和焊后热处理 可与18 8型奥氏体不锈钢及碳钢进行异种钢焊接 6 低铬 Cr18 的双相不锈钢热加工温度范围比18 8型奥氏体不锈钢宽 抗力小 高铬 Cr25 的双相不锈钢热加工比18 8型奥氏体不锈钢困难 7 双相不锈钢比18 8型奥氏体不锈钢加工硬化效应大 8 与奥氏体不锈钢相比 双相不锈钢的热导率大 线胀系数小 9 仍有高铬铁素体不锈钢的各种脆化倾向 不宜在高于300 C的温度下使用 若含铬量较低 脆性相析出危害性较小 奥氏体 铁素体双相不锈钢的性能主要受铁素体和奥氏体比例的影响 奥氏体和铁素体各占50 时 具有良好的耐腐蚀性和焊接性 在平衡状态下 两相的比例主要由钢中的合金元素 即铬当量和镍当量来决定 Creq Cr Mo 1 5 SiNieq Ni 30 C N 0 5 Mn 2 3 1焊缝凝固与奥氏体形成母材组织 50 V 相 50 V 相 其中 相呈长条状分布在 相基体中 焊缝组织 焊接熔化后形成铸态组织 2 3双相不锈钢的焊接冶金 Fe Cr Ni伪二元相图 液态下凝固 L 冷却到1300 在固态下 在 晶粒边界形核和生长 冷却到室温 其中 相的形态和数量 化学成分 冷却速度基于TTT图 冷却速度增加 相含量减少 在焊缝快速冷却条件下形成的 相 一般呈魏氏组织形态 合金元素的作用 合金元素直接影响焊缝金属的组成 Creq越大 Nieq越小 焊缝中奥氏体含量越少 合金元素在铁素体和奥氏体所占的比例也不一样 焊接参数的作用 由于焊接参数影响到冷却速度 即影响到合金元素的扩散 所以 也影响到合金元素在两相中的分配 焊接线能量越大 冷却速度越慢 由于扩散比较充分 铁素体向奥氏体转变进行的就比较充分 奥氏体含量增加 合金元素在两相中的含量差别也会拉大 析出相的问题 析出相会影响到焊缝金属中的力学性能及耐腐蚀性 A 当焊缝成分与母材相同时 降低焊缝的冷却速度 冷却速度过快时 焊缝中 相含量不足 而 相含量可超过80 导致焊缝韧性下降 氢脆敏感性增加 B 当焊缝的冷却速度难以降低时 提高焊缝中Ni Mn N等奥氏体形成元素含量 其中N的作用最为显著 通过焊缝过合金化 促使 相增加 使焊缝获得与母材同样的组织 N对 转变的作用 由TTT图 例如 焊缝和母材为获得60 40 的双相组织 要求焊缝0 219 N 而母材只需0 141 N 注 焊缝中 相体积分数一般推荐为22 70 为获得足够的耐腐蚀性并避免氢致裂纹 相最大含量应限制在60 焊缝室温组织预测 Schaeffler图 铁素体含量的精度 4 DeLong图 铁素体含量的精度 2 WRC1992组织图 美国焊接研究委员会推荐 Creq Cr Mo 1 5 Si 0 5 Nb Nieq Ni 30 C 30 N 0 5 Mn 舍夫勒组织图 Creq Cr Mo 1 5 Si 0 5 Nb Nieq Ni 30 C 30 N 0 5 Mn 德龙图 2 3 2热影响区的组织转变早期双相不锈钢 焊后HAZ中 相含量过高 甚至接近单相 组织 5 导致脆化和耐腐蚀性下降 现代双相不锈钢 通过提高N含量和控制Cr Ni当量 使钢中 接近于1 保证焊后HAZ不会出现单相 组织 B Creq Nieq 11 59当B 7时 焊接热影响区过热区的组织为比较理想的奥氏体 铁素体的双相组织 但是 单道焊时 B 7 奥氏体只是在部分铁素体的晶界析出 晶内析出大量的氮化物 影响钢的塑 韧性及耐腐蚀性 当B 4时 才能保证单道焊时焊接热影响区过热区的组织为比较理想的奥氏体 铁素体双相组织 但多层焊时 B 7仍然有效 存在的重要问题 如何控制焊接热影响区的组织 问题一 HAZ中 相析出过多问题 近缝HAZ加热至接近熔化温度 处于 单相组织状态 随后冷却速度较快 转变来不及进行 在HAZ中保有较多 相 影响因素 1 钢中N含量2 冷却速度 热输入量 板厚 含N量较高的钢材 HAZ中 相含量受冷速影响较小 含N量较低的钢材 HAZ中 相含量受冷速影响较大 例如 700 下冷速为70 s时 含N量0 130 的钢 HAZ中 含量达85 含N量0 396 的钢 HAZ中 含量仅43 仍能保持满意的力学性能和耐腐蚀性能 为85 为43 不同N含量双相不锈钢的HAZ组织 结论 含N量较高的双相不锈钢采用低热输入的焊接工艺 不会对HAZ组织产生不良影响 且无需进行焊后固溶退火处理 问题二 HAZ中Cr2N析出问题冷速较快时 在HAZ中 相含量增加的同时 也增加了由 相中析出的Cr2N 焊接冷速提高 随着 相增加 Cr2N也增加 对韧性和耐蚀性不利 t12 8表示由1200 冷却至800 所需要的时间 t12 8越小 冷却速度越快 热影响区中的 相越多 同时析出的Cr2N的量也越多 这显然对韧性和耐蚀性不利 近缝区以内的HAZ 组织变化严重 近缝区以外的HAZ 同样存在组织变化 但没有近缝区严重 一般规律为 随着峰值温度的提高 相增加 而 相减少 相晶粒尺寸增大 在 相晶界和晶内析出的Cr2N总量增加 此外 由于钢中Cr Mo含量高 故在800 高温附近停留时间较长时 会析出一些硬脆的金属间化合物 如 相 FenCrm HV800 1000 在正常焊接条件下一般不会析出 但在制定焊接工艺时应注意避免HAZ在高温停留时间过长 导致 相脆化和失去耐腐蚀性能 双相不锈钢焊接性兼有奥氏体钢和铁素体钢各自的优点 并减少了其各自的不足 焊接冷裂纹和热裂纹的敏感性都较小 具有良好的焊接性 通常焊前不预热 焊后不热处理 由于有较高的氮含量 热影响区的单相铁素体化倾向较小 当焊接材料选择合理 焊接线能量控制适当时 焊接接头具有良好的综合性能 热裂纹双相不锈钢热裂纹的敏感性比奥氏体不锈钢小得多 这是由于含镍量不高 易形成低熔点共晶的杂质极少 不易产生低熔点液膜 另外 晶粒在高温下没有急剧长大的危险 冷裂纹的敏感性也比一般低合金高强钢小得多 热影响区脆化双相不锈钢焊接的主要问题不在焊缝 而在热影响区 因为在焊接热循环作用下 热影响区处于快冷非平衡态 冷却后总是保留更多的铁素体 从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹 脆化 的敏感性 2 4双相不锈钢的焊接性 相析出双相不锈钢焊接接头有析出 相脆化的可能 相是铬和铁的金属间化合物 它的形成温度范围600 1000 不同钢种形成 相的温度不同 如00Cr18Ni5Mo3Si2钢在800 900 而双相不锈钢00Cr25Ni7Mo3CuN在750 900 形成 850 最敏感 形成 相需经一定的时间 一般1 2min萌生 3 5min 相增多并长大 因此 焊接时应采用小热量输入 快速冷却 消除应力处理时 采用较低的温度 如550 600 为宜 这样可以防止 相的产生 双相不锈钢固溶处理及 相和475 脆性的温度范围 铁素体475 脆化双相不锈钢含有50 左右的铁素体 同样也存在475 脆性 但不如铁素体不锈钢那样敏感 双相不锈钢中的铁素体在300 525 长期保温会析出高铬 相 在475 最敏感 使双相钢脆化 由于 相析出时间较长 故对一般焊接影响不大 但应限制双相不锈钢的工作温度不高于250 焊接工艺焊接工艺参数对双相组织的平衡起着关键的作用 由于双相不锈钢在高温下是100 的铁素体组织 若线能量过小 热影响区冷却速度快 奥氏体来不及析出 过量的铁素体就会在室温下过冷保持下来 若线能量过大 冷却速度太慢 尽管可以获得足量的奥氏体 但也会引起热影响区铁素体晶粒长大以及 相等有害金属相的析出 造成接头脆化 为避免上述情况的发生 最佳的措施是控制焊接线能量和层间温度 并使用填充金属 焊接材料双相不锈钢焊接材料在近年来才得到快速发展 美国于1992年和1993年首次在焊接材料标准中列入双相不锈钢焊条和焊丝 而且均仅有2个型号 AWSA5 4 1992和AWSA5 9 1993中的E2209 XX E2553 XX 焊条 和ER2209 ER2553 焊丝 目前在国内的焊接标准中尚未列入双相不锈钢焊条和焊丝 国内有些厂商生产的焊接材料 以焊条为主 大都参考国外的相关标准 具体到焊接材料的开发研制 采用能形成较多 相的焊接材料 可以抑制焊缝中铁素体相的过量增加 因而一般采用镍的质量分数比母材高2 4 的焊接材料 但应注意 镍的质量分数不宜过高 因为这样有可能使单一的铁素体凝固模式转变为双相凝固时发生元素偏析 还会存在由于母材稀释得少 铁素体含量过低 使铬 钼相对集中 促使金属间相析出的可能性 氮元素在通过维持必要的相平衡来提高焊接接头的耐蚀性方面的能力 是其他合金元素无法替代的 焊接材料一般都是在提高镍的基础上 再加入与母材含量相当的氮 只要加入0 1 以上的氮就会改善焊接接头的力学性能 除了在焊接材料中加入氮以外 还可以从焊接工艺上控制相平衡 如在保护气体中加氮 如TIG焊 MIG焊 以氮元素对焊缝金属合金化 或将其成分中镍的质量分数提高10 左右 可获得奥氏体体积分数不少于60 70 的焊缝金属组织 双相不锈钢及异种金属焊接材料 2 4 1含N量对焊缝组织与性能的影响 含N量对焊缝组织的影响Ar N2混合气体保护TIG焊 混合气体中N2的分压PN2增加 焊缝N含量开始时迅速增加 然后变化很小 焊缝中 相随含N量的增加呈线性下降 含N量对焊缝强度和塑性的影响纯Ar气体保护TIG焊时 焊缝含N量最低 0 122 N 其抗拉强度 伸长率明显低于母材 0 1414 N 焊缝含N量增加 则焊缝抗拉强度 延伸率逐渐增大 当含N量约0 4 时 焊缝抗拉强度和延伸率接近于母材 原因 含N量增加 焊缝中 相减少 而 相增加 焊缝中 相增加 其抗拉强度 延伸率则逐渐减小 当 相达60 时 焊缝的抗拉强度和延伸率均低于母材 原因 显微组织不同母材 细小的轧制组织 焊缝 粗大的铸态组织 母材焊缝铁素体含量相同的母材和焊缝组织 拉伸断口母材 韧窝断裂焊缝 0 136 N 准 解理断裂0 219 N 准解理断裂0 395 N 韧窝断裂 含N量对焊缝冲击韧性的影响焊缝含N量增加 则焊缝在室温和高温下的冲击功增大 但都低于母材 焊缝金属的脆性转变温度都高于母材金属 原因 焊缝韧度主要受 相和CrN2的影响 焊缝含N量增加 相增加 CrN2析出减少 使冲击韧性提高 而焊缝中 相晶粒粗大 故韧性始终低于母材 思考题 从断裂机制上解释焊缝中的 相和CrN2析出相的含量是决定焊缝冲击韧性的主要因素 解理面小且较平坦 解理平面有延性断裂区 该区对应 相板条 相板条阻止解理裂纹扩展 2 4 2焊接热输入对热影响区冲击韧度的影响与焊缝不同 热影响区含N量不变 主要受热输入影响 热输入太低 相含量增加 Cr2N析出增多 导致冲击韧度下降 热输入太高 晶粒严重粗大 也使冲击韧度下降 如 2205双相不锈钢 Cr22 Ni5 5 Mo3 N0 15 焊条 Cr22 Ni9 5 Mo3 N0 13 热输入 0 4kJ mm 0 8kJ mm 1 1kJ mm 1 6kJ mm 冲击功 41 2J 48J 49J 35 3J除焊接热输入外 板厚 层间温度等影响冷速的因素 都会影响HAZ韧性 如 瑞典SAF2507超级双相不锈钢 焊条选择BOEHLERFOXCN25 9Cu AWSA5 4 06E2595 15 2 4 3双相不锈钢及其焊缝的 相脆化焊缝和母材再热过程中 先由 相形成细小的 然后析出 相 相在焊缝中析出要比在母材中快的多 引起的韧性降低也比母材快的多 母材Cr25Ni5Mo2 焊条Cr25Ni9Mo3 DP3 Cr22Ni9Mo3 DP8 断口分析表明 脆性开裂发生在 相及其与基体的界面上 母材断口 在 相周围的区域呈韧窝状 由于 区较宽 只有析出大量的 相才使韧性降低 焊缝断口 在焊缝中 区是细条的 断口为带有清晰撕裂岭的脆性断裂 只要少量的 相就足以引起焊缝韧性降低 因此 焊缝 相脆化倾向比母材大得多 引起脆化的再热时间也比母材短得多 2 4 4焊接接头的氢脆和氢致裂纹 热影响区氢脆及氢致裂纹敏感性焊接HAZ峰值温度升高 氢脆敏感性增加 原因 随着峰值温度升高 相减少 相增加 在 相边界和内部析出Cr2N增加 在Ar H2中进行低热输入MIG焊含N量较高 0 4 的675钢 即使低热输入也不会在HAZ产生冷裂纹 含N量较低 0 13 的UR45N钢 HAZ中 相高达82 产生冷裂纹 通过调整热输入将HAZ中 相降到75 可避免冷裂 焊缝金属氢脆及氢致裂纹敏感性焊缝不出现冷裂纹临界扩散氢质量分数 直Y形坡口裂纹试验 34 10 4 G Bop焊缝裂纹试验 25 10 4 一般地 焊缝中 相低于50 焊缝金属对氢致裂纹不敏感 当 相超过50 随着 相的增加 氢致裂纹敏感性显著增加 2 4 5焊接接头的应力腐蚀开裂氢脆型应力腐蚀裂纹 HESCC 母材 BM 临界应力达到破坏应力的90 HESCC敏感性低 焊缝 WM 临界应力达到破坏应力的70 相当于 0 2的95 而焊缝周围的残余应力可以超过 0 2 因此HESCC敏感性提高 裂纹萌生于 界面的 相一侧 并在 相中扩展 相在母材中呈层状分布 有效阻挡裂纹扩展 而在焊缝中呈魏氏组织形态 对裂纹的阻挡作用受到抑制 热影响区 HAZ 敏化处理前 反映应力腐蚀开裂 SCC 敏感性的断裂应变取决于 相含量 敏化处理后 断裂应变与 相含量无关 断口呈现与 相有关的二次裂纹 2 4 6焊接接头的点蚀问题 成分对点蚀的影响Fe 60 时 双相的点蚀电位处于纯 相与纯 相之间 Fe 60 时 双相的点蚀电位与纯 相和纯 相基本相同 注 Fe增加时 对应的Cr Ni相应减少 组织对点蚀的影响随着 相含量的增加 点蚀电位开始时增加较快 当 相达到40 后则基本不变 注 Fe含量降低时 即合金含量提高时 点蚀电位降低 A 低铁系列合金 Fe 50 B 高铁系列合金 Fe 68 70 冷却速度对点蚀的影响随着含N量增加 点蚀电位提高 但与冷速有关 N 0 13 时 冷速对SCE影响显著 冷却快 析出大量Cr2N SCE低 冷却慢 基本没有析出Cr2N SCE高 N 0 25 时 冷速快慢Cr2N基本没有析出 故对SCE没有影响 结论 含N量较低的双相钢 其点蚀电位 SCE 对冷却速度很敏感 因此焊接含N量较低的双相不锈钢时 要严格控制冷却速度 思考题 分析在不同的冷却速度条件下 双相不锈钢的含N量对 相