不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕性能的控制

1、<p>　　不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕性能的控制</p><p>　　【摘要】本文介紹了不銹鋼焊接頭晶間腐蝕試驗(yàn)、晶間腐蝕的金相特征、腐蝕機(jī)理以及提高焊接接頭抗晶間腐蝕能力的措施，以供參考。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】不銹鋼；接頭；晶間腐蝕；控制 </p><p>　　中圖分類號(hào)：TF764文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A </p><p>&l

2、t;b>　　一、前言 </b></p><p>　　當(dāng)前，18-8奧氏體不銹鋼應(yīng)用范圍十分廣泛，但是其晶間腐蝕性作為一種極具危險(xiǎn)性的腐蝕破壞給不銹鋼造成極具嚴(yán)重的危害。因此，要采取相關(guān)手段進(jìn)行抗腐蝕措施。 </p><p>　　二、奧氏體不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕試驗(yàn) </p><p>　　18-8奧氏體不銹鋼在氧化和弱氧化介質(zhì)中會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕,晶間腐

3、蝕是由表面沿晶界深入到內(nèi)部,它使材料機(jī)械強(qiáng)度急劇下降,稍受外力即沿晶界斷裂,而表面卻仍然光亮完好,所以晶間腐蝕是一種具有極大的危險(xiǎn)性的腐蝕破壞。因此,要求采用不銹鋼制作的設(shè)備,母材和焊接接頭都應(yīng)有足夠的抗晶間腐蝕性能。為保證產(chǎn)品質(zhì)量,經(jīng)施焊的構(gòu)件設(shè)備必須進(jìn)行焊接接頭晶間腐蝕傾性檢查。 </p><p>　　1、焊接接頭晶間腐蝕試驗(yàn)方法 </p><p>　　通常采用加速方法來(lái)測(cè)定不銹鋼對(duì)晶

4、間腐蝕的敏感性,其原理是選擇適當(dāng)?shù)慕g劑和條件對(duì)晶間進(jìn)行加速的選擇性腐蝕。我們采用/GB4334.5—2000不銹鋼硫酸——硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法(T法)進(jìn)行。 </p><p>　　(1)試樣的選取和制備。試樣在與產(chǎn)品筒體延長(zhǎng)部位同時(shí)施焊的焊接工藝檢查試板上切取,試樣尺寸為80mm×20mm×(3~4)mm,數(shù)量為2個(gè),焊接接頭位于試樣中部,試樣切取原則上用鋸切,用剪切時(shí)應(yīng)通過(guò)切削去除剪切變形的

5、影響部分,試樣上焊縫加強(qiáng)高應(yīng)加工至與母材齊平。 </p><p>　　(2)試樣的敏化處理。試樣以焊后狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn),對(duì)焊后要經(jīng)過(guò)350℃以上熱壓力加工的焊接件,試樣應(yīng)在焊后進(jìn)行敏化處理。敏化處理規(guī)范為加熱至650℃,保溫2h空冷。敏化后試樣表面所產(chǎn)生的氧化皮用砂紙打磨干凈,試樣表面粗糙度Ra值不大于0.8m。 </p><p>　　(3)腐蝕試驗(yàn)介質(zhì)為硫酸)硫酸銅溶液。試劑:100g硫酸銅

6、(CuSO4.5H2O),見(jiàn)GB665-65分析純;100ml硫酸(H2SO4)相對(duì)密度1.84,見(jiàn)GB625-77分析純;1000ml蒸餾水或去離子,銅屑純度不低于99.8%,見(jiàn)GB466-64四號(hào)銅。 </p><p>　　(4)試驗(yàn)程序。先將試樣用丙酮除油并洗凈干燥。試驗(yàn)時(shí)先在帶磨口的錐形瓶瓶底鋪上一層5~10mm銅屑,再放入試樣,若有兩個(gè)試樣,試樣間用銅屑間隔使其相互不接觸,在試樣上再覆蓋一層銅屑。倒入配

7、制好的試驗(yàn)液,液面高出銅屑20mm左右。裝上回流冷凝器,接通冷卻水,將溶液加熱至沸騰并連續(xù)煮沸16h后取出試樣,洗凈、干燥。 </p><p><b>　　2、試驗(yàn)結(jié)果評(píng)定 </b></p><p>　　試樣在萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行彎曲后評(píng)定,與介質(zhì)的接觸面為檢驗(yàn)面(即彎曲試樣處表面),沿熔合線進(jìn)行彎曲,彎曲用的壓頭直徑為5mm,試樣的彎曲角度為180度,彎曲后試樣在1

8、0倍放大鏡下觀察彎曲試樣處表面,評(píng)定有無(wú)因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋。 </p><p>　　三、不銹鋼焊接接頭晶間腐蝕的金相特征 </p><p>　　1、焊接后組織狀態(tài) </p><p>　　在顯微鏡下觀察,正常的焊縫組織為奧氏體加少量呈樹(shù)狀結(jié)晶的鐵素體,焊縫和母材熔合良好。熱影響區(qū)母材組織變化較大,緊靠熔合線熱影響區(qū)組織為單相奧氏體,其晶界呈細(xì)線狀,奧氏體邊界平直,

9、晶內(nèi)能見(jiàn)到孿晶線(圖1)。距熔合線3.7~4mm處組織仍為奧氏體,但晶界發(fā)生較大的變化,沿晶界析出點(diǎn)狀碳化物,點(diǎn)狀碳化物形成半封閉網(wǎng)絡(luò),平直的奧氏體晶界趨向圓滑(圖2),該組織寬約3.5mm。母材為正常單相奧氏體組織。 </p><p>　　圖1緊靠熔合線母材組織 </p><p>　　圖2熱影響區(qū)母材組織 </p><p>　　2、焊后敏化處理并經(jīng)晶間腐蝕試驗(yàn) &

10、lt;/p><p>　　試樣在顯微鏡下觀察,焊縫與母材熔合良好,熱影響區(qū)與該區(qū)母材組織均相同,為單相奧氏體,晶粒邊界圓滑,晶界有點(diǎn)狀碳化物形成半封閉網(wǎng)絡(luò)(圖3),所不同的是在試樣近表面處能明顯看見(jiàn)晶間裂紋,表面有時(shí)能明顯見(jiàn)到晶粒脫落,晶間腐蝕是由表面向中心推進(jìn)的,總深度約為0.9~1mm(圖4)。該組織具有典型的晶間腐蝕微觀特征。 </p><p><b>　　圖3焊縫母材組織 &l

11、t;/b></p><p>　　圖4 母材表面晶間腐蝕 </p><p><b>　　四、晶間腐蝕機(jī)理 </b></p><p>　　用公認(rèn)的貧鉻理論能完滿解釋奧氏體不銹鋼晶間腐蝕。在一定的溫度范圍奧氏體內(nèi)過(guò)飽和碳析出并與固溶體的鉻結(jié)合形成Cr23C6碳化物,由于晶粒內(nèi)碳的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度,故碳很易擴(kuò)散到晶界與鉻形成Cr23C6碳

12、化物,并在晶界沉淀析出,這個(gè)溫度范圍與不銹鋼的含碳量有關(guān),約在450~850℃,稱為危險(xiǎn)溫度范圍。在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi),由于碳化物的析出使固溶體內(nèi)的鉻大大降低,當(dāng)鉻含量低于13%時(shí)基體就會(huì)喪失抗腐蝕能力而產(chǎn)生腐蝕。 </p><p>　　金相分析結(jié)果表明,直接焊態(tài)試樣,離焊縫熔合線4~7.5mm的熱影響區(qū)母材處于危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi),焊后敏化處理試樣,因敏化溫度在危險(xiǎn)溫度范圍內(nèi),均在晶界析出大量Cr23C6碳化物,使不銹鋼

13、產(chǎn)生晶界腐蝕。而焊接接頭晶間腐蝕也可能發(fā)生在焊縫區(qū)和熔合線上。在焊縫區(qū)多層多道焊的前一層焊道的熔敷金屬,在后一道焊縫施焊時(shí),同樣經(jīng)歷了一個(gè)熱循環(huán),存在一個(gè)熱影響區(qū),在敏化溫度的區(qū)域停留過(guò)長(zhǎng)也會(huì)在晶界析出Cr23C6碳化物,形成貧鉻的晶粒邊界,若該區(qū)正好暴露在焊縫表面并與腐蝕介質(zhì)接觸則會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。在熔合線上產(chǎn)生的晶間腐蝕則是一種特殊的晶間腐蝕,俗稱刀狀腐蝕。 </p><p>　　五、提高焊接接頭抗晶間腐蝕能力

14、的措施 </p><p>　　由于晶界碳化鉻沉淀析出而引起晶界貧鉻是奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的主要原因,因此提高抗晶間腐蝕能力,防止晶間腐蝕的途徑都是從控制碳化鉻的沉淀來(lái)考慮,即從碳化鉻沉淀的分量、部位和沉淀物形成動(dòng)力等方面考慮。 </p><p><b>　　1、焊接方法選擇 </b></p><p>　　選擇適當(dāng)?shù)暮附臃椒ūM可能縮短焊件在敏化溫

15、度區(qū)段下停留的時(shí)間,減低危險(xiǎn)溫度對(duì)它的影響。對(duì)于薄件、小件,采用高能量的真空電子束焊或等離子焊;對(duì)于中等厚度板材,采用熔化極自動(dòng)或半自動(dòng)氣體保護(hù)焊;對(duì)于大厚度板材,采用埋弧焊;焊條電弧焊為最常用的方法。 </p><p><b>　　2、焊接材料控制 </b></p><p>　　焊接材料通常根據(jù)奧氏體不銹鋼的材質(zhì)、工作條件(介質(zhì)、溫度)來(lái)選擇,原則上選擇與母材相近的

16、焊接材料,為保證焊縫區(qū)抗晶間腐蝕性能,采用以下措施: </p><p>　　(1)選用低碳或超低碳的不銹鋼焊材。最大限度降低碳在焊縫金屬中的含量,達(dá)到碳在不銹鋼中室溫溶解極限以下,使碳形成碳化鉻的可能性減到最小,從而根除貧鉻區(qū)的形成,提高焊縫金屬抗晶間腐蝕能力。 </p><p>　　(2)選擇添加了鈦、鈮、鉭等穩(wěn)定化元素的焊材。鈦、鈮、鉭等穩(wěn)定化元素與碳的親和力要比鉻大得多,碳與它們優(yōu)先

17、結(jié)合成鈦、鈮、鉭的碳化物,并以顆粒彌散分布在晶內(nèi),使奧氏體內(nèi)的固溶碳含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))降低,若碳降至0.01%以下,就不能形成碳化鉻,從而可提高抗腐蝕能力。 </p><p>　　(3)采用具有C-D雙相組織的焊材。熔敷金屬中若有5%~10%的D鐵素體則可降低發(fā)生晶間腐蝕的趨勢(shì),這是由于D/C相界面能低于奧氏體晶界C/C的界面能,因而碳化物擇優(yōu)在D相一側(cè)析出,減少了碳化物在奧氏體相界面的析出量。而鉻在D鐵素體中擴(kuò)散

18、速度較在奧氏體中快10倍,在危險(xiǎn)的敏化溫度停留所造成的貧鉻區(qū)很快從鐵素體邊得到補(bǔ)充而消失,同時(shí),鐵素體在奧氏體晶界上以一個(gè)個(gè)孤立小島分布,破壞了奧氏體晶界的連續(xù)性,顯著增加了晶粒晶界的總面積,故具有雙相組織的不銹鋼有降低晶間腐蝕的趨勢(shì)。 </p><p>　　(4)焊材直徑的控制。材料的直徑直接關(guān)系到焊接熱輸入量的大小,在保證焊接質(zhì)量(全焊透)的情況下,為降低焊接時(shí)的熱量輸入應(yīng)盡量選用直徑較小的焊材。 </

19、p><p><b>　　3、焊接參數(shù)控制 </b></p><p>　　在保證完全焊透、全熔合的情況下盡量選用小電流、低電壓(短弧焊)焊接,以減少熱輸入量,改善焊接接頭性能。 </p><p><b>　　4、焊接過(guò)程控制 </b></p><p>　　(1)焊前準(zhǔn)備清潔焊件,焊件坡口應(yīng)去除油漆、油污;

20、自動(dòng)焊絲表面應(yīng)除油、除銹并保存于干凈、干燥處;電弧焊焊絲必須烘干并保存在保溫筒中。 </p><p>　　(2)焊接過(guò)程焊接時(shí)采用直線運(yùn)條,不允許作橫向擺動(dòng),多層焊時(shí)層間溫度不能過(guò)高,應(yīng)冷至60℃以下清渣后再繼續(xù)焊接。層間接頭應(yīng)錯(cuò)開(kāi),收弧一定要填滿。必要時(shí)采用強(qiáng)制焊區(qū)快速冷卻,最適用的方法是一邊施焊一邊用水冷卻焊縫,以水不浸入焊接熔池為準(zhǔn)。有條件的也可在焊縫背面通水、通惰性氣體,既可加速冷卻,又保護(hù)焊縫?？傊?采

21、取有效措施減少焊接時(shí)的熱量輸入,并快速冷卻,使焊件在危險(xiǎn)溫度區(qū)間停留時(shí)間最短,以降低不銹鋼焊接件晶間腐蝕傾向。 </p><p><b>　　5、焊接環(huán)境控制 </b></p><p>　　焊接奧氏體不銹鋼的場(chǎng)地應(yīng)清潔,以免由于環(huán)境中的油、銹或風(fēng)等不利因素影響了焊接接頭的強(qiáng)度和耐蝕性能。 </p><p><b>　　六、結(jié)束語(yǔ) &l

22、t;/b></p><p>　　在不銹鋼焊接構(gòu)件過(guò)程中，只有對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行控制，降低碳化物的沉淀析出，才能防止不銹鋼晶界腐蝕，提高構(gòu)建質(zhì)量。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1]賴春曉.焊縫腐蝕的原因及解決方法[J].全面腐蝕控制,2012 </p><p>　　[2]車小莉