奥氏体不锈钢焊接腐蚀原理及处理措施

不锈钢按其组织可分为3 种: 奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢。奥氏体不锈钢相比马氏体不锈钢和铁素体不锈钢而言, 奥氏体不锈钢耐磨损, 成型性好, 可焊性良好, 而且具有无磁性, 塑性、韧性好和耐腐蚀性强的优点。因此, 在生产中, 为了提高介质管道阀门、介质过流槽体和容器等零部件的使用寿命, 常选用奥氏体不锈钢进行组焊制作。

尽管奥氏体不锈钢有很多优点, 但是奥氏体不锈钢在焊接时, 如果焊接接头不采取有效的措施进行处理, 在腐蚀介质工作一段时间后, 其焊接接头会产生3 种腐蚀现象: 整体腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀。其中晶间腐蚀是不锈钢最危险的一种破坏形式。晶间腐蚀是产生在晶粒之间的一种腐蚀形式。它可以分别产生在热影响区、焊缝或熔合线上。在熔合线上产生的晶间腐蚀又叫刀状腐蚀。产生晶间腐蚀的不锈钢, 受到应力作用时, 会沿晶界断裂, 强度几乎完全丧失。因此, 提高奥氏体不锈钢焊接接头抗晶间腐蚀的能力, 对产品的使用寿命非常重要。

1、不锈钢产生晶间腐蚀的机理

不锈钢具有抗腐蚀能力的必要条件是钢内铬的质量分数必须大于12% 。但在某些条件作用下, 其晶界( 晶粒之间) 会形成含铬量( 质量分数) 少于12% 的 贫铬区, 在腐蚀性介质的作用下, 晶界贫铬区的金属就失去抗腐蚀能力而形成晶间腐蚀。贫铬区 的形成原因一般认为是当温度升高时, 碳在不锈钢晶粒内部的扩散速度大于铬的扩散速度。因为室温时碳在奥氏体中的溶解度很小, 仅为0. 02% ~ 0. 03% ( 质量分数) , 而一般奥氏体钢中含碳量均超过0. 02% ~ 0. 03% ( 质量分数) , 故多余的碳就不断地向奥氏体晶粒边界扩散, 并和铬化合,在晶间形成碳化铬的化合物, 如( CrFe) 23 C8 等。但是由于铬的扩散速度较小, 来不及向晶界扩散, 所以在晶间形成的碳化铬所需的铬主要来自晶界附近而不是来自奥氏体晶粒内部, 结果就使晶界附近的含铬量大为减少, 当晶界含铬量小于12% ( 质量分数)时, 就形成 贫铬区。

2、 防止和消除晶间腐蚀

( 1) 控制加热温度和加热时间

加热温度和加热时间对奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响, 如图1 所示。当加热温度小于450 或大于850 时, 不会产生晶间腐蚀。因为温度小于450时, 由于温度较低, 不会形成碳化铬。当温度超过850 时, 晶粒内的铬扩散能力增强, 有足够的铬扩散至晶界和碳化合, 不会在晶界形成 贫铬区。所以产生晶间腐蚀的加热温度是在450~ 850 , 这个温度区间就称为产生晶间腐蚀的 危险温度区( 又称 敏化温度区) , 其中尤以650 最危险。焊接时焊缝两侧处于 危险温度区的地带最易发生晶间腐蚀。即使是焊缝由于在冷却过程中其温度也要穿过危险温度区, 所以也会产生晶间腐蚀。

从图1 中可看出, 当加热时间小于t 1 或大于t u时, 均不会产生晶间腐蚀。前者是由于时间太短, 碳来不及向晶界析出; 后者由于时间较长, 晶粒内部的铬有充分的时间向晶界扩散。当加热时间在t1 ~ t u时, 才会形成晶间腐蚀。

由图1 还可以看出, 不锈钢焊接接头在 危险温度区停留的时间越短, 接头的耐晶间腐蚀能力越强。所以不锈钢焊接时, 快速冷却是提高接头耐腐蚀能力的有效措施。采取的措施是在焊件下面垫铜板, 或直接在焊件背面浇水冷却。在焊接工艺上, 可以采用小电流、高焊速、短弧、多道焊等方法, 以缩短焊接接头在 危险温度区的停留时间。由于奥氏体不锈钢冷却过程中没有马氏体转变, 所以快速冷却不会使接头淬硬。

( 2) 控制含碳量

随着不锈钢中含碳量的增加, 在晶界生成的碳化铬随之增多, 结果就使得在晶界形成 贫铬区的机会增多, 导致产生晶间腐蚀的倾向增加, 所以碳是晶间腐蚀最有害的元素。应将基本金属和焊条的含碳量控制在0. 08%以下。

( 3) 在母材和焊接材料中添加稳定剂

在钢材和焊接材料中加入Ti、Nb 等与碳的结合能力比铬更强的元素, 能够与碳结合成稳定的碳化物, 可以避免在奥氏体晶界形成贫铬区。所以, 常用奥氏体不锈钢及焊接材料中都含有Ti 或Nb 元素,如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb 和焊条A132( 含铌)。

( 4) 进行固溶处理

焊后, 将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至1 050~ 1 100 , 此时碳又重新溶入奥氏体中, 然后急速冷却, 便可得到稳定的奥氏体组织, 消除贫铬区。这种方法叫固溶处理。固溶处理的缺点是, 如果焊接接头需要在危险的温度区工作, 则仍不可避免地会形成贫铬区。

( 5) 进行均匀化处理

焊后, 将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至850~ 900 , 保温2 h, 使奥氏体晶粒内部的铬有充分时间扩散到晶界, 使晶界处的含铬量又恢复到大于12%( 质量分数) , 贫铬区得以消失, 这叫均匀化处理。

( 6) 采用双相组织

在焊缝中加入铁素体形成元素, 如铬、硅、铝、钼等, 以使焊缝形成奥氏体加铁素体的双相组织, 会大大提高抗晶间腐蚀的能力。其次钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。

合金元素对组织的影响可以分为两大类:

奥氏体生成剂: Ni、N、Cu、Co、C、Mn

铁素体生成剂: Cr、Nb、Ti、Si、V、Mo

当不锈钢中的含碳量与含镍量之比大于1. 8时, 就会出现铁素体组织。因此, 为了保证焊接不锈素体生成剂比较多的焊接材料。如焊接1Cr18Ni9Ti不锈钢时, 常选用A132 焊条, 因为该焊条中含有一定量的Ti 和Nb, 焊缝金属为双相组织, 具有较高的抗热裂和耐腐蚀能力, 这在实际工作中已得到证明。加工制作重介斜轮分选机的排矸轮就是采用1Cr18Ni9Ti 材料, 用A132 焊条进行组焊的, 在实际生产中应用效果很好。

3 、焊接工艺

在奥氏体不锈钢焊接中应用最广的焊接方法是手工电弧焊。因为它使用的设备简单, 方法简便灵活, 适应性强, 对大部分金属材料的焊接均适用。而且奥氏体不锈钢的手弧焊具有热影响区小、易于保证质量, 适应各种焊接位置及不同板厚工艺要求的优点。但是, 为了提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀的能力, 手弧焊时, 对焊接工艺的要求还是比较严格的。为避免焊接时碳和杂质混入焊缝, 焊前应将焊缝两侧20~ 30 mm 用不锈钢丝刷或铜丝刷清理干净, 并涂白垩粉, 以避免表面被飞溅金属损伤, 影响耐腐蚀性。

不得在焊件上随便引弧、熄弧, 地线应与焊件紧密接触, 以免损伤焊件表面, 影响耐腐蚀性能。由于奥氏体不锈钢的电阻率为低碳钢的4 倍以上, 焊接时产生的电阻热较大, 药皮容易发红和开裂, 所以同样直径的焊条电流值应比低碳钢降低20% 左右, 一般是焊条直径的25~ 30 倍。焊条长度亦比同直径的碳钢焊条短, 否则焊接时由于药皮的迅速发红、开裂会失去保护而无法焊接。

施焊时, 焊条不应作横向摆动, 采用小电流、快速焊, 一次焊成的焊缝不宜过宽, 最好不超过焊条直径的3 倍。多层焊时, 每焊完一层要彻底清除焊渣,层间温度应低于60 。与腐蚀介质接触的焊缝, 为防止由于重复加热而降低耐腐蚀性, 应最后焊接。焊后可采取强制冷却措施, 加快接头冷却速度。由铌或钛稳定的奥氏体不锈钢焊缝的热影响区、紧邻熔合线的过热区在沸腾浓硝酸溶液中做抗晶间腐蚀试验时, 会有沿熔合线走向的刀状腐蚀出现。产生刀状腐蚀的必要条件是接头熔合线附近受到温度为450~ 850 的重复加热。因此, 单面单道焊具有较高的抗刀状腐蚀性能。双面焊时, 如果焊缝的尺寸正好使第2 道焊缝所产生的危险温度区落在第1 道焊缝的熔合线上, 就有可能在第1 道焊缝的熔合线附近引起刀状腐蚀。如果第2 道焊缝的危险温度区避开了第1 道焊缝的熔合线, 就不会引起刀状腐蚀。因此, 焊接第2 道焊缝时, 选择适当的焊接参数, 调节焊缝大小, 使危险温度区不落在第1 道焊缝的熔合线上, 是防止刀状腐蚀的有效途径。

结语

有效提高奥氏体不锈钢焊接接头的抗晶间腐蚀能力, 可以大大延长在腐蚀性介质中工作的不锈钢焊件的使用寿命, 节约能源和资源, 降低成本, 提高企业的经济效益。

节选自煤矿机械《奥氏体不锈钢焊接接头的晶间腐蚀》