雙相鋼的特性以及焊接要點(diǎn)

1、雙相鋼的特性以及焊接要點(diǎn) 中國(guó)石化集團(tuán)南京化學(xué)工業(yè)有限公司化機(jī)廠 尤廣偉 董安霞摘要：隨著雙相鋼在化工、石化加工、造紙、海上作業(yè)等行業(yè)的廣泛應(yīng)用，南化機(jī)廠近年來(lái)也承制了很多雙相鋼材料的設(shè)備，包括換熱器、反應(yīng)釜、塔器等。同時(shí)，我們?cè)诠ぷ鬟^(guò)程中對(duì)雙相鋼焊接性的了解與焊接工藝參數(shù)的摸索與控制方面也積累了一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)，本文進(jìn)行了簡(jiǎn)要說(shuō)明。關(guān)鍵詞：雙相鋼；特性；焊接一 雙相鋼簡(jiǎn)介由于現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼經(jīng)常遭到晶間腐蝕、點(diǎn)蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕的破壞，雙相不銹鋼在上述腐蝕類型中表現(xiàn)出了某些優(yōu)越性。在鐵基固溶體組織中鐵素體相與奧氏體相約各占一半，但最少相的含量必須達(dá)到30%以上的鋼

2、稱雙相不銹鋼。奧氏體接頭有良好的塑性和韌性，但是導(dǎo)熱性能差，線膨脹系數(shù)大，焊接應(yīng)力和變形都比較大；普通鐵素體不銹鋼導(dǎo)熱性能和線膨脹系數(shù)都小于奧氏體不銹鋼，并且有較高的強(qiáng)度及耐氯離子應(yīng)力腐蝕性能，但是塑性較差，并存在475脆化和相析出脆化以及高溫晶粒粗化脆化現(xiàn)象。雙相鋼的開(kāi)發(fā)正是集中了奧氏體和鐵素體的優(yōu)點(diǎn)并最大限度地減少了兩相的缺點(diǎn)。性能最好的雙相鋼成分是鐵素體的含量在60%-40%，奧氏體的含量在40%-60%之間，任何一種機(jī)體的大幅度減少都會(huì)造成雙相鋼的性能減弱。二 雙相鋼的化學(xué)成分和性能（一）雙相鋼力學(xué)性能及影響因素表1 雙相鋼典型鋼種的室溫力學(xué)性能鋼種標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)0.2/MPab/Mpa5/

3、%AK/JAISI304UNS S3040021051569045300AISI430UNS S4300020545020SAF2304UNS S3230440060082025300SAF2205UNS S3180345068088025250SAF2507UNS S32750550800100025230雙相鋼力學(xué)性能的影響因素主要有合金元素、晶粒度以及相比例等。由表二中可以看出：雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度是奧氏體不銹鋼的23倍，SAF2507鋼的屈服強(qiáng)度比其他雙相不銹鋼的高原因在于氮元素的強(qiáng)化作用。而在奧氏體不銹鋼的內(nèi)部晶粒之間有更多的滑移面，所以它 的延伸率明顯高于雙相不銹鋼。在雙相鋼中的主

4、要合金元素Cr、 Ni、 Mo、 N等對(duì)鋼的各項(xiàng)性能都起到了很重要的作用。1 化學(xué)成分（見(jiàn)表二）：表二 部分奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的典型化學(xué)成分對(duì)比（約數(shù)值）組織鋼種化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%PRENCCrNiMoN奧氏體308L0.032010-20316L0.0318122-25雙相不銹鋼22050.0322530.15342550.0325630.203825070.0325740.2542鋼的抗點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕能力主要由Cr、Mo和Ni元素含量決定，用來(lái)衡量這種抗腐蝕性能的指數(shù)就是PREN值（抗點(diǎn)蝕當(dāng)量），PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%。其他合金元素作用此處不再詳述。2 晶粒度的

5、影響雙相不銹鋼的晶粒度對(duì)其屈服強(qiáng)度和韌性起重要作用。細(xì)小的晶粒使鋼材具有較高的屈服強(qiáng)度和韌性。而晶粒度的增加也會(huì)引起脆性轉(zhuǎn)變溫度的升高，例如IN-744鋼，當(dāng)晶粒尺寸由2m增加到25m時(shí)，脆性轉(zhuǎn)變溫度大約由-130上升至-45，所以晶粒度的增加會(huì)降低鋼材的低溫沖擊韌性。相比例的影響在這里不再詳述。（二）雙相不銹鋼接頭的耐腐蝕性能雙相不銹鋼不僅有很好的力學(xué)性能，而且還具有十分優(yōu)異的耐點(diǎn)蝕、耐應(yīng)力腐蝕、耐腐蝕疲勞等性能。它的接頭也有很好的耐點(diǎn)蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂性能，晶間腐蝕性能也不低于母材，但抗H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力較差。接頭耐蝕性最不良的地方是近縫區(qū)（HAZ），主要原因是近縫區(qū)析出第二相（

6、鉻的氮化物）形成了“貧鉻”層所導(dǎo)致。1 點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕 抗點(diǎn)蝕當(dāng)量 PREN的計(jì)算式定量地描述了Cr、Mo、N元素對(duì)它的影響。公式只考慮了Cr、Mo、N的作用，沒(méi)有考慮組織的不均勻和析出相的影響。選擇合適的固溶處理溫度使兩相分別具有相當(dāng)?shù)腜REN值，才能使鋼具有最佳的耐點(diǎn)蝕性能。 2 應(yīng)力腐蝕 雙相不銹鋼的屈服強(qiáng)度比普通不銹鋼高，所以產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂（SCC）的臨界應(yīng)力值也高；鋼中第二相的存在對(duì)裂紋的擴(kuò)展起機(jī)械屏障作用，延長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展期；在中性氯化物介質(zhì)中，不銹鋼多以點(diǎn)蝕為SCC的裂源，而雙相不銹鋼的成分和組織特點(diǎn)使點(diǎn)蝕不易形成，延長(zhǎng)了點(diǎn)蝕的孕育期。所以抗雙相不銹鋼抗SCC能力很強(qiáng)。各種不銹

7、鋼和雙相鋼的SCC敏感性還與溫度和氯化物的濃度有關(guān)，在較寬的氯離子濃度范圍內(nèi)SCC是否發(fā)生取決于溫度。3 耐腐蝕疲勞腐蝕疲勞是由于腐蝕和循環(huán)應(yīng)力的聯(lián)合作用而引起的一種腐蝕形態(tài)，所受的應(yīng)力大部分循環(huán)應(yīng)力。當(dāng)循環(huán)應(yīng)力比較小而腐蝕介質(zhì)較強(qiáng)時(shí)，腐蝕疲勞源往往產(chǎn)生于表面區(qū)的非金屬夾雜上，這又是產(chǎn)生局部腐蝕的地方，而對(duì)于雙相不銹鋼尤其是高鉻雙相不銹鋼來(lái)說(shuō)，既具備了很高的抗局部腐蝕的能力又有很高的強(qiáng)度，所以雙相不銹鋼的抗腐蝕疲勞能力也很強(qiáng)。由于雙相不銹鋼既有良好的耐腐蝕性又有很高的硬度，所以它的在磨損腐蝕性能也很好。經(jīng)過(guò)實(shí)踐許多例子證明雙相不銹鋼的耐晶間腐蝕、耐均勻腐蝕等方面都有很優(yōu)異的性能。（三）雙相不銹

8、鋼使用的局限性與奧氏體不銹鋼相比，雙相不銹鋼的弱勢(shì)如下：1 應(yīng)用的普遍性和多面性不如不銹鋼，并且使用溫度必須控制在-50250。2 塑性比奧氏體不銹鋼低，冷、熱加工 工藝和成型性能稍差。3 存在中溫脆性區(qū)，需要嚴(yán)格控制熱處理和焊接工藝制度，以避免有害相的出現(xiàn)，否則損害性能。三 雙相不銹鋼的焊接雙相不銹鋼具有良好的焊接性能，熱裂傾向小，焊接時(shí)不需預(yù)熱，焊后不需熱處理，與奧氏體不銹鋼焊接相比較，焊縫的熱裂紋傾向低；與鐵素體不銹鋼焊接相比較，焊接接頭焊后的狀態(tài)的脆化程度低；而且焊接熱影響區(qū)中（HAZ）單相鐵素體相的粗化程度也較低。雙相不銹鋼的焊接關(guān)鍵是要使焊縫金屬和焊接熱影響區(qū)（HAZ）均保持有適量

9、的鐵素體和奧氏體的組織。 我們廠進(jìn)行雙相鋼焊接之前進(jìn)行了焊接工藝評(píng)定，各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下：1 材料 我們工藝評(píng)定所用的鋼板是2205（ASTM A240-00 UNS S31803），采用的焊絲是ER2209（SANDVIK）。鋼板、焊絲以及焊縫主要化學(xué)成分見(jiàn)表三：表三CMnPSSiCrNiMoNCu22050.161.820.0280.00070.3622.485.463.10.16ER22090.0131.530.0190.0010.4923.028.633.180.1560.12焊縫0.0291.520.0240.0110.4122.476.503.010.160.142 典型工藝規(guī)范（見(jiàn)表四

10、）：表四焊接方法焊材牌號(hào)直徑（mm）極性電流（A）電壓（V）焊速 mm/s熱輸入量KJ/mmGTAWER22092.4DCEN80120121511.50.81.5工作中選用的氣體是：Ar（97.5%）+N2（2.5%），氣體流量0.40.7m3/h3 試件評(píng)定結(jié)果 試件拉伸（GB/T228）、彎曲（GB/T232）、-40沖擊試驗(yàn)（ASTM A293 B）均合格；焊縫、母材、熱影響區(qū)的金相組織均為奧氏體+40%50%鐵素體；腐蝕試驗(yàn)：在6%的FeCl3溶液中，40溫度下24小時(shí)化學(xué)浸泡后表面沒(méi)有出現(xiàn)腐蝕，單位面積質(zhì)量損失為0.098m/cm2。評(píng)定結(jié)果合格。我們推薦雙相不銹鋼之間以及其與奧氏

11、體不銹鋼之間的焊材如下表五所示： 隨著我們對(duì)雙相不銹鋼的焊接性的熟悉，近年來(lái)我們逐步掌握了雙相不銹鋼的各項(xiàng)性能，完善了雙相不銹鋼的焊接工藝。表五 雙相不銹鋼焊材選用鋼 種2304（Cr18）2205(Cr22)255(Cr25)低合金高強(qiáng)鋼2304（Cr18）E2209E2304E2209E2209E22092205(Cr22)E2209E2209E2510E2510255(Cr25)E2209E2510E2510E2510超級(jí)雙相鋼E2209E2510E2510E2510304E309MoLE2209E309MoLE2209E309MoLE2209E309MoL316E309MoLE2209

12、E309MoLE2209E309MoLE2209E309MoLE2209低合金高強(qiáng)鋼E309LE309LE309LE309L四 結(jié)論：雙相不銹鋼的焊接問(wèn)題并不是十分復(fù)雜，在焊接性方面，它繼承了奧氏體和鐵素體的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合我們的實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，對(duì)雙相不銹鋼的焊接要點(diǎn)總結(jié)如下：1 焊接時(shí)可以通過(guò)Schaeffler不銹鋼組織圖控制母材和焊材的成分以及工藝參數(shù)，使接頭獲得足夠數(shù)量的奧氏體。2 焊接時(shí)不需預(yù)熱、后熱，一般焊后不進(jìn)行熱處理。3盡量采用鎢極氬弧焊，對(duì)無(wú)鎳或低鎳的雙相鋼焊接時(shí)，要控制熱輸入量，盡量用小電流、高速焊、窄焊道和多道焊，防止熱影響區(qū)晶粒粗化和單項(xiàng)鐵素體化。4第一道焊道的熱輸入量不能太小，冷卻速度不能太快，讓焊縫在冷