奧氏體不鏽鋼焊接腐蝕原理及處理措施

不鏽鋼按其組織可分為3 種: 奧氏體不鏽鋼、鐵素體不鏽鋼和馬氏體不鏽鋼。奧氏體不鏽鋼相比馬氏體不鏽鋼和鐵素體不鏽鋼而言, 奧氏體不鏽鋼耐磨損, 成型性好, 可焊性良好, 而且具有無磁性, 塑性、韌性好和耐腐蝕性強的優點。因此, 在生產中, 為了提高介質管道閥門、介質過流槽體和容器等零部件的使用壽命, 常選用奧氏體不鏽鋼進行組焊製作。

儘管奧氏體不鏽鋼有很多優點, 但是奧氏體不鏽鋼在焊接時, 如果焊接接頭不採取有效的措施進行處理, 在腐蝕介質工作一段時間後, 其焊接接頭會產生3 種腐蝕現象: 整體腐蝕、晶間腐蝕和應力腐蝕。其中晶間腐蝕是不鏽鋼最危險的一種破壞形式。晶間腐蝕是產生在晶粒之間的一種腐蝕形式。它可以分別產生在熱影響區、焊縫或熔合線上。在熔合線上產生的晶間腐蝕又叫刀狀腐蝕。產生晶間腐蝕的不鏽鋼, 受到應力作用時, 會沿晶界斷裂, 強度幾乎完全喪失。因此, 提高奧氏體不鏽鋼焊接接頭抗晶間腐蝕的能力, 對產品的使用壽命非常重要。

不鏽鋼具有抗腐蝕能力的必要條件是鋼內鉻的質量分數必須大於12% 。但在某些條件作用下, 其晶界( 晶粒之間) 會形成含鉻量( 質量分數) 少於12% 的 貧鉻區, 在腐蝕性介質的作用下, 晶界貧鉻區的金屬就失去抗腐蝕能力而形成晶間腐蝕。貧鉻區 的形成原因一般認為是當溫度升高時, 碳在不鏽鋼晶粒內部的擴散速度大於鉻的擴散速度。因為室溫時碳在奧氏體中的溶解度很小, 僅為0. 02% ~ 0. 03% ( 質量分數) , 而一般奧氏體鋼中含碳量均超過0. 02% ~ 0. 03% ( 質量分數) , 故多餘的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散, 並和鉻化合,在晶間形成碳化鉻的化合物, 如( CrFe) 23 C8 等。但是由於鉻的擴散速度較小, 來不及向晶界擴散, 所以在晶間形成的碳化鉻所需的鉻主要來自晶界附近而不是來自奧氏體晶粒內部, 結果就使晶界附近的含鉻量大為減少, 當晶界含鉻量小於12% ( 質量分數)時, 就形成 貧鉻區。

2、 防止和消除晶間腐蝕

( 1) 控制加熱溫度和加熱時間

加熱溫度和加熱時間對奧氏體不鏽鋼晶間腐蝕的影響, 如圖1 所示。當加熱溫度小於450 或大於850 時, 不會產生晶間腐蝕。因為溫度小於450時, 由於溫度較低, 不會形成碳化鉻。當溫度超過850 時, 晶粒內的鉻擴散能力增強, 有足夠的鉻擴散至晶界和碳化合, 不會在晶界形成 貧鉻區。所以產生晶間腐蝕的加熱溫度是在450~ 850 , 這個溫度區間就稱為產生晶間腐蝕的 危險溫度區( 又稱 敏化溫度區) , 其中尤以650 最危險。焊接時焊縫兩側處於 危險溫度區的地帶最易發生晶間腐蝕。即使是焊縫由於在冷卻過程中其溫度也要穿過危險溫度區, 所以也會產生晶間腐蝕。

從圖1 中可看出, 當加熱時間小於t 1 或大於t u時, 均不會產生晶間腐蝕。前者是由於時間太短, 碳來不及向晶界析出; 後者由於時間較長, 晶粒內部的鉻有充分的時間向晶界擴散。當加熱時間在t1 ~ t u時, 才會形成晶間腐蝕。

由圖1 還可以看出, 不鏽鋼焊接接頭在 危險溫度區停留的時間越短, 接頭的耐晶間腐蝕能力越強。所以不鏽鋼焊接時, 快速冷卻是提高接頭耐腐蝕能力的有效措施。採取的措施是在焊件下面墊銅板, 或直接在焊件背面澆水冷卻。在焊接工藝上, 可以採用小電流、高焊速、短弧、多道焊等方法, 以縮短焊接接頭在 危險溫度區的停留時間。由於奧氏體不鏽鋼冷卻過程中沒有馬氏體轉變, 所以快速冷卻不會使接頭淬硬。

( 2) 控制含碳量

隨著不鏽鋼中含碳量的增加, 在晶界生成的碳化鉻隨之增多, 結果就使得在晶界形成 貧鉻區的機會增多, 導致產生晶間腐蝕的傾向增加, 所以碳是晶間腐蝕最有害的元素。應將基本金屬和焊條的含碳量控制在0. 08%以下。

( 3) 在母材和焊接材料中添加穩定劑

在鋼材和焊接材料中加入Ti、Nb 等與碳的結合能力比鉻更強的元素, 能夠與碳結合成穩定的碳化物, 可以避免在奧氏體晶界形成貧鉻區。所以, 常用奧氏體不鏽鋼及焊接材料中都含有Ti 或Nb 元素,如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb 和焊條A132( 含鈮)。

( 4) 進行固溶處理

焊後, 將奧氏體不鏽鋼的焊接接頭重新加熱至1 050~ 1 100 , 此時碳又重新溶入奧氏體中, 然後急速冷卻, 便可得到穩定的奧氏體組織, 消除貧鉻區。這種方法叫固溶處理。固溶處理的缺點是, 如果焊接接頭需要在危險的溫度區工作, 則仍不可避免地會形成貧鉻區。

( 5) 進行均勻化處理

焊後, 將奧氏體不鏽鋼的焊接接頭重新加熱至850~ 900 , 保溫2 h, 使奧氏體晶粒內部的鉻有充分時間擴散到晶界, 使晶界處的含鉻量又恢復到大於12%( 質量分數) , 貧鉻區得以消失, 這叫均勻化處理。

( 6) 採用雙相組織

在焊縫中加入鐵素體形成元素, 如鉻、硅、鋁、鉬等, 以使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織, 會大大提高抗晶間腐蝕的能力。其次鋼中的合金元素是形成雙相組織的主要因素。

合金元素對組織的影響可以分為兩大類:

奧氏體生成劑: Ni、N、Cu、Co、C、Mn

鐵素體生成劑: Cr、Nb、Ti、Si、V、Mo

當不鏽鋼中的含碳量與含鎳量之比大於1. 8時, 就會出現鐵素體組織。因此, 為了保證焊接不銹素體生成劑比較多的焊接材料。如焊接1Cr18Ni9Ti不鏽鋼時, 常選用A132 焊條, 因為該焊條中含有一定量的Ti 和Nb, 焊縫金屬為雙相組織, 具有較高的抗熱裂和耐腐蝕能力, 這在實際工作中已得到證明。加工製作重介斜輪分選機的排矸輪就是採用1Cr18Ni9Ti 材料, 用A132 焊條進行組焊的, 在實際生產中應用效果很好。

3 、焊接工藝

在奧氏體不鏽鋼焊接中應用最廣的焊接方法是手工電弧焊。因為它使用的設備簡單, 方法簡便靈活, 適應性強, 對大部分金屬材料的焊接均適用。而且奧氏體不鏽鋼的手弧焊具有熱影響區小、易於保證質量, 適應各種焊接位置及不同板厚工藝要求的優點。但是, 為了提高奧氏體不鏽鋼抗晶間腐蝕的能力, 手弧焊時, 對焊接工藝的要求還是比較嚴格的。為避免焊接時碳和雜質混入焊縫, 焊前應將焊縫兩側20~ 30 mm 用不鏽鋼絲刷或銅絲刷清理乾淨, 並塗白堊粉, 以避免表面被飛濺金屬損傷, 影響耐腐蝕性。

不得在焊件上隨便引弧、熄弧, 地線應與焊件緊密接觸, 以免損傷焊件表面, 影響耐腐蝕性能。由於奧氏體不鏽鋼的電阻率為低碳鋼的4 倍以上, 焊接時產生的電阻熱較大, 葯皮容易發紅和開裂, 所以同樣直徑的焊條電流值應比低碳鋼降低20% 左右, 一般是焊條直徑的25~ 30 倍。焊條長度亦比同直徑的碳鋼焊條短, 否則焊接時由於葯皮的迅速發紅、開裂會失去保護而無法焊接。

施焊時, 焊條不應作橫向擺動, 採用小電流、快速焊, 一次焊成的焊縫不宜過寬, 最好不超過焊條直徑的3 倍。多層焊時, 每焊完一層要徹底清除焊渣,層間溫度應低於60 。與腐蝕介質接觸的焊縫, 為防止由於重複加熱而降低耐腐蝕性, 應最後焊接。焊後可採取強製冷卻措施, 加快接頭冷卻速度。由鈮或鈦穩定的奧氏體不鏽鋼焊縫的熱影響區、緊鄰熔合線的過熱區在沸騰濃硝酸溶液中做抗晶間腐蝕試驗時, 會有沿熔合線走向的刀狀腐蝕出現。產生刀狀腐蝕的必要條件是接頭熔合線附近受到溫度為450~ 850 的重複加熱。因此, 單面單道焊具有較高的抗刀狀腐蝕性能。雙面焊時, 如果焊縫的尺寸正好使第2 道焊縫所產生的危險溫度區落在第1 道焊縫的熔合線上, 就有可能在第1 道焊縫的熔合線附近引起刀狀腐蝕。如果第2 道焊縫的危險溫度區避開了第1 道焊縫的熔合線, 就不會引起刀狀腐蝕。因此, 焊接第2 道焊縫時, 選擇適當的焊接參數, 調節焊縫大小, 使危險溫度區不落在第1 道焊縫的熔合線上, 是防止刀狀腐蝕的有效途徑。

有效提高奧氏體不鏽鋼焊接接頭的抗晶間腐蝕能力, 可以大大延長在腐蝕性介質中工作的不鏽鋼焊件的使用壽命, 節約能源和資源, 降低成本, 提高企業的經濟效益。

節選自煤礦機械《奧氏體不鏽鋼焊接接頭的晶間腐蝕》