奧氏體不銹鋼是使用最為廣泛的不銹鋼,這和它具有良好的機械性能、耐腐蝕性能,其焊接性在高合金鋼中被認為是最好有關。鉻-鎳奧氏體不銹鋼具有良好的焊接性,無淬硬性,因而在熱影響區內無淬硬現象,同時也無晶粒粗大化現象。但在焊接中存在以下問題:
奧氏體不銹鋼焊接接頭可有三種晶間腐蝕的情況:焊縫晶間腐蝕、母材上敏化區腐蝕及刀狀腐蝕。關于奧氏體鋼晶間腐蝕的機理,一般用“貧鉻”理論來解釋。在固溶狀態下,奧氏體鋼中的碳過飽和固溶于奧氏體中。加熱過程中,過飽和的碳將以Cr23C6的形式沿晶界析出。由于Cr23C6中含鉻量大大超過奧氏體基體中的含鉻量,因而使得晶界附近的含鉻量顯著下降,晶內的鉻原子又來不及擴散及時補充,故形成貧鉻層(Cr<11.7%).貧鉻層的電極電位比晶體內低得多,在腐蝕介質的作用下,電極電位低的晶界將成為陽極,而被腐蝕溶解。
①. 焊縫晶間腐蝕和母材上敏化溫度區腐蝕
18-8型不銹鋼在450~850℃溫度加熱時,具有晶間腐蝕傾向,這一溫度范圍稱為敏化溫度區間。
焊縫晶間腐蝕可有兩種情況:一種情況為焊接線能量過大或多層焊時焊縫金屬在敏化溫度區間停留時間過長所引起,即焊接狀態下已有碳化鉻析出而形成貧鉻層;另一種情況是焊接狀態下耐蝕性良好,焊后經受了敏化加熱的作用,因而具有晶間腐蝕傾向。
熱影響區、敏化區的晶間腐蝕傾向也是由于形成貧鉻層所致。但因為焊接熱循環具有快速連續加熱的特點,碳化鉻的析出需要在更高的溫度下才能較快進行,因此,焊接接頭的敏化區溫度范圍為600~1000℃,要比平衡加熱條件下的敏化區溫度(450~850℃)高。
焊縫和熱影響區晶間腐蝕傾向與含碳量、加熱溫度和保溫時間等因素有關。因此,為提高焊接接頭抗晶腐蝕能力,一般宜采取以下措施:
a. 減小母材及焊縫中的含碳量,使加熱時減少或避免Cr23C6析出,可以消除產生貧鉻層的機會。例如,超低碳(C≤0.03%)不銹鋼由于含碳量較低,具有優良的抗蝕性能,但是超低碳不銹鋼的冶煉成本高。
b. 在鋼中添加穩定化元素 Ti、Nb等,使之優先形成MC,而避免形成貧鉻層。
c. 使焊縫形成奧氏體加少量鐵素體的雙相組織。當焊縫中存在一定數量的鐵素體時,可以細化晶粒,增加晶界面積,使晶界單位面積上的碳化鉻析出量減少,減輕貧鉻程度。鉻在鐵素體中溶解度較大,Cr23C6優先在鐵素體中形成,而不致使奧氏體晶界貧鉻;此外,散在奧氏體之間的鐵素體,還可能防止腐蝕沿晶界向內部擴展。
d. 控制在敏化溫度區間的停留時間。調整焊接熱循環,盡可能縮短600℃以上的高溫停留時間,以防止焊縫及熱影響區大量析出碳化鉻。如選擇能量密度高的焊接方法(如等離子弧焊),選用較小的焊接線能量,焊縫背面通氬氣或采用銅墊增加焊接接頭的冷卻速度,減少起弧、收弧次數以避免重復加熱,多層焊時與腐蝕介質的接觸面盡可能最后施焊等,均可以減少接頭的晶間腐蝕傾向。
e. 焊后進行固溶處理或穩定化退火。固溶處理可使已析出的Cr23C6重新溶入奧氏體中,但一般只適用于較小的工件。穩定化退火是將工件加熱到850~900℃保溫后空冷。其作用為使碳化物充分析出,并促使鉻加速擴散而消除貧鉻區。
②. 焊接接頭的刀狀腐蝕
刀狀腐蝕簡稱刀蝕,它是焊接接頭中特有的一種晶間腐蝕,只發生在含有穩定劑的奧氏體鋼(如06Cr18Ni11Ti、06Cr17Ni12Mo3Ti等)的焊接接頭中。刀狀腐蝕的腐蝕部位在熱影響區的過熱區,沿熔合線發展,開始寬度僅3~5個晶粒,逐步擴大至1.0~1.5mm.因形狀如刀刃,故稱刀狀腐蝕。
高溫過熱和中溫敏化是導致焊接接頭產生刀蝕的重要條件。含有穩定劑的奧氏體鋼,一般以固溶狀態供貨,此時鋼中少部分的碳固溶于奧氏體,其余大部分碳則形成TiC或NbC.焊接時,在溫度超過1200℃的過熱區中,這些碳化物將溶人固溶體。由于碳的擴散能力較強,在冷卻過程中將偏聚在晶界形成過飽和狀態,而鈦則因擴散能力低而留于晶內。當焊接接頭在敏化溫度區間再次加熱時,過飽和的碳將在晶間以Cr23C6形式析出,在晶界形成貧鉻層,使焊接接頭抗蝕性能降低。從以上分析可知,刀狀腐蝕的形成根源也在于晶間形成貧鉻層。
防止刀口腐蝕的措施如下:
a. 降低含碳量
這是防止刀狀腐蝕的很有效的措施。對于含有穩定化元素的不銹鋼,含碳量最好不超過0.06%。
b. 采用合理的焊接工藝
盡量選擇較小的線能量,以減少過熱區在高溫停留時間,注意避免在焊接過程產生“中溫敏化”的效果。因此雙面焊時,與腐蝕介質接觸的焊縫應最后施焊(這是大直徑厚壁焊內焊在外焊之后再進行的原因所在),如不能實施,則應調整焊接規范及焊縫形狀,焊管內焊,應盡量避免與腐蝕介質接觸的過熱區再次受到敏化加熱。
焊后熱處理。焊后進行固溶或穩定化處理,均能提高接頭的抗刀狀腐蝕能力。