耐热钢的焊接

第五节耐热钢的焊接 在高温下具有较高的强度和良好的化学稳定性的合金钢 它包括抗氧化钢 或称高温不起皮钢 和热强钢两类 抗氧化钢一般要求较好的化学稳定性 但承受的载荷较低 热强钢则要求较高的高温强度和相应的抗氧化性 耐热钢 耐热钢 抗氧化钢一般钢铁在较高温度下 650 以上 表面容易氧化 主要是由于在高温下生成松脆多孔德FeO 它与基本结合能力薄弱而已剥落 氧原子容易通过FeO进行扩散 使钢的内部能继续进行氧化 最终导致零件破坏 抗氧化钢中加入合金元素铬 硅 铝等 他们与氧亲和力大 故优先被氧化 形成一层致密的 高熔点的并牢固覆盖于钢表面的氧化膜 Cr2O3 SiO2 Al2O3 可将金属与外界高温氧化性气体隔绝 从而避免进一步氧化 耐热钢 热强钢金属在高温下的强度有两个特点 一是温度升高 金属原子间结合力减弱 强度下降 二是在再结晶温度上即使金属受的应力不超过该温度下的弹性极限 它也会缓慢地发生塑性变形 且变形量随时间的增长而增大 最后导致金属破坏 这种现象称为蠕变 产生蠕变的原因是 在高温下金属原子扩散能力增大 使那些在低温下起强化作用的因素逐渐减弱或消失 例如 可促使回复与再结晶 使加工硬化效果减弱或消失 促使过饱和固溶体 如马氏体 发生分解及弥散的硬化质点聚集 使淬火硬化效果减弱或消失等 所有这些过程都导致金属逐渐软化而产生蠕变 显然 其过程与温度 时间有关 耐热钢 提高材料高温强度的方法 提高再结晶温度在钢中加入铬 钼 钨 锰 铌等元素 可提高作为钢集体的固溶体的原子间结合力 使原子扩散困难 并能延缓再结晶过程的进行 其中以钨 钼作用最强 非碳化物形成元素钴 镍 硅也有提高再结晶温度的作用 具有高温强度也较铁素体为高 耐热钢 利用析出碳化物相而产生强化在钢中加入钛 铌 钒 钨 钼 铬等元素 可形成稳定而又弥散分布的碳化物 他们在较高温度下 也不易聚集长大 因而能起到阻碍位错移动 提高高温强度的作用 3 采用较粗晶粒的钢 因高温下晶界的强度比晶粒内部强度底 这与室温时情况正好相反 因此 粗晶粒钢的高温强度细晶粒钢好 此外 在热处理上采取适当措施 使钢组织在工作温度下 能长期保持稳定 不致因组织转变产生软化或脆化 如耐热钢回火温度都比工作温度高100 左右 以增加工作时的组织稳定性 热强钢采用合金元素 如铬 镍 钼 钨 硅等 除具有提高高温强度的作用外 还可提高高温抗氧化性 常用的热强钢按正火状态下组织不同 大致可分为珠光体钢 马氏体钢 奥氏体钢三类 常用的热强钢表示方法与不锈钢相同 耐热钢 采用较粗晶粒的钢 因高温下晶界的强度比晶粒内部强度底 这与室温时情况正好相反 因此 粗晶粒钢的高温强度细晶粒钢好 此外 在热处理上采取适当措施 使钢组织在工作温度下 能长期保持稳定 不致因组织转变产生软化或脆化 如耐热钢回火温度都比工作温度高100 左右 以增加工作时的组织稳定性 热强钢采用合金元素 如铬 镍 钼 钨 硅等 除具有提高高温强度的作用外 还可提高高温抗氧化性 耐热钢分类 常用的热强钢按正火状态下组织不同 大致可分为珠光体钢 马氏体钢 奥氏体钢三类 1 珠光体钢这类钢在350 600 范围内使用 其含碳量较低 合金元素总量不超过3 5 它广泛应用于动力 石油部门作为锅炉用钢与管道材料 2 马氏体钢这类钢在小于620 范围内使用 常用的钢号有马氏体不锈钢1Cr13 2Cr13以及在其基础上发展的1Cr11MoV 1Cr12WmoV 此外 4Cr9Si2及4Cr10Si2Mo等铬硅钢是另一类马氏体热强钢 他们含碳量为中碳 主要为提高耐磨性 长用作制造内燃机的气阀 故又称为气阀钢 耐热钢分类 3 奥氏体钢这类钢一般在600 700 范围内使用 常用的钢号有1Cr18Ni9Ti 18 8型钢 它是奥氏体不锈钢 同时又有高的抗氧化性 700 900 并在600 还有足够的强度 常用于高压锅炉的过热器 化工高压反应器 喷气发动机尾喷管登 4Cr14Ni14W2Mo钢 14 14 2型钢 是另一种目前应用最多的奥氏体热强钢 它的热强性 组织稳定性及抗氧化性均高于马氏体气阀钢 故常用于制造工作温度 650 的内燃机排气阀 如工作温度超过700 则应考虑选用镍基 Ni Cr合金 铁基 Fe Ni Cr合金 等耐热合金 工作温度超过900 则应选用铌基 亩基 陶瓷合金 对于350 以下工作的零件 则用一般的合金结构钢即可 常见珠光体耐热钢 珠光体耐热钢焊接性 一 热影响区硬化及冷裂纹与低碳调质钢基本相同防止措施 采用低氢型焊条和控制焊接热输入在合适的范围 预热 后热等措施 二 再热裂纹防止措施 1 采用高温塑性高于母材的焊接材料 限制母材和焊材合金成分 严格限制V Ti Nb等合金元素的含量2 预热温度提高到250 以上 层间温度300 左右 3 采用小的热输入 减小焊接过热区宽度 细化晶粒 珠光体耐热钢焊接性 三 回火脆性温度区间350 500 原因 P As Sb Sn等杂质元素在晶界偏析控制措施 1 避免脆性温度区间长时间加热2 限制杂质元素含量 焊材的选用 材质为15CrMo钢 规格为 14 3 4 原进口管 管内介质为氢 氨 氮混合气体 其工作压力高达150kg 工作温度高达500 15CrMo钢厚壁高压管现场焊接 强度 b 410MPa15CrMo钢的化学成分如下 C 0 16 Si 0 27 Mn 0 55 Cr 0 95 Mo 0 50 S 0 040 0 040 15CrMo钢焊接性分析 钢板厚度为25mm 金相组织为铁素体 珠光体 根据IIW推荐的碳当量公式计算Ceq 0 54