0Cr18Ni9Cu3型奥氏体不锈钢化学成分对焊缝质量的影响

2014-01-24王泽荫李宗义

焊管 2014年4期

关键词：晶间腐蚀铁素体钢材

王泽荫，李宗义

（甘肃机电职业技术学院，甘肃天水 741001）

不锈钢因其良好的耐腐蚀性、较高的塑性和韧性而广泛应用于机械、石油、化工、食品、医药等行业。在发达国家，每年消耗的不锈钢中约有70%是奥氏体不锈钢，在国内，奥氏体不锈钢的消耗量达到了不锈钢总消耗量的65%左右。

18-8型奥氏体不锈钢是奥氏体不锈钢中具有代表性的系列，该类钢材具有较好的耐腐蚀性能、耐热性能、力学性能和焊接性能，便于进行机械、冲压和焊接加工。本研究以0Cr18Ni9Cu3奥氏体不锈钢为例，阐述其化学成分对焊缝质量的影响。

1 0Cr18Ni9Cu3奥氏体不锈钢的化学成分

0Cr18Ni9Cu3奥氏体不锈钢的主要化学成分见表1[1-2]。

表1 0Cr18Ni9Cu3不锈钢主要化学成分%

2 化学成分对焊缝质量的影响

2.1 C

在0Cr18Ni9Cu3奥氏体不锈钢中，w（C）≤0.08%，由于C的存在，焊接时可导致在焊缝金属的晶界与亚晶界处产生晶间腐蚀，最终导致产生焊接裂纹，晶间腐蚀的显微结构如图1所示[3]。产生晶间腐蚀的原因是奥氏体不锈钢在450～850℃时，过饱和的C向奥氏体晶粒边界扩散，并与晶界处的Cr化合形成碳化铬（Cr23C6）。由于Cr在奥氏体中的扩散速度小于C的扩散速度，使得晶界处的Cr得不到及时补充，造成奥氏体晶粒边界处贫Cr富C。当晶界附近的w（Cr）≤12%时，不锈钢就失去了抗腐蚀能力，将会在腐蚀介质的作用下产生晶间腐蚀。受到晶间腐蚀的不锈钢，从表面上看奥氏体不锈钢在焊接过程中，有两次温度将会处于450～850℃，一次是加热熔化过程，一次是冷却结晶过程，对焊缝质量起决定性作用的是冷却结晶过程。450～850℃温度段被称为产生晶间腐蚀的“危险温度区”，如果在危险温度区的停留时间保持十几秒钟以上，产生晶间腐蚀的倾向就会大大增加。因此，不锈钢在冷却至450～850℃时，可采用风冷等形式来减小焊缝在这一温度区间的停留时间，也可采取控制含C量、以N代C、形成焊缝双相组织、加快冷却速度以及焊后热处理等措施予以解决。

图1 晶间腐蚀的显微结构

2.2 Si

Si在不锈钢中起脱氧作用，可有效去除焊缝中的有害气体，防止气孔和氧化物的生成。当w（Si）为0.10%～0.30%时，能起到细化晶粒的作用，在一定范围内使钢材强度提高，而塑性和韧性等有所降低；当Si含量过高时（w（Si）＞1%），则会使钢材变脆，可焊性和抗锈蚀性能降低，但随着w（Si）的提高，奥氏体不锈钢对浓硝酸的耐腐蚀能力会有所提高。由表1可知，0Cr18Ni9Cu3不锈钢中的Si含量相对较高，表明该钢种适用于浓硝酸环境。在焊接时，需通过制定合理的工艺来保证材料的焊接性和焊后力学性能（塑性和韧性）。

2.3 Mn

Mn具有很好的脱氧作用，奥氏体不锈钢中加入较多的Mn，在某种程度上可减少Ni的含量，起到降低成本的作用。但Mn具有固溶处理后提高焊缝抗拉强度和冷加工硬化的作用，抗拉强度值一般为800～1100 MPa，冷加工强化系数K＞15，并且提高后的强度和硬度值很难再降低，同时Mn可促进奥氏体晶粒的长大，粗大的晶粒组织会降低材料的塑性和韧性，这意味着焊缝金属抵抗外界冲击载荷的能力降低。Mn形成的化合物对晶间腐蚀很敏感，易产生裂纹缺陷，即使加入稳定化元素也无法改变其敏感性。

因此，在选择焊接材料（母材、焊材、辅助材料）时，必须根据国家标准，选择合格材料。

2.4 S

在热加工（冶炼、焊接、锻造等）过程中，S与Fe将会形成低熔点（950～1190℃）的化合物FeS及FeS-Fe共晶体，在焊接时，这些共晶物首先成为液态流失，在随后的冷却过程中受收缩拉应力的作用发生热开裂，形成热影响区液化裂纹。热影响区液化裂纹的显微结构如图2所示[3-4]。

图2 液化裂纹的显微结构

GB 50017—2003《钢结构设计规范》明确要求控制S的含量。由表1可知，0Cr18Ni9Cu3不锈钢中的S含量和优质碳素钢的含量基本一致，因此，S对不锈钢焊缝金属的性能影响不大。

为了消除S的有害作用，必须增加钢材中的Mn含量。Mn与S将会优先形成高熔点（1 620℃）的MnS，并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定塑性，从而避免了热脆性。

2.5 P

P具有强烈的固溶强化作用，使钢材的强度和硬度增加，但塑性和韧性则显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。“冷脆”产生的裂纹如图3所示。

图3 “冷脆”产生的裂纹

“冷脆”对在高寒地带和其他低温条件下工作的结构件具有严重的危害性，因此，一般希望冷脆转变温度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。但P在结晶过程中，由于容易产生晶内偏析，使局部地区含P量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而发生冷脆。所以，在进行焊接加工时，首先要选择合格的材料（包括焊材、母材等），其次要选择合理的工艺参数，必要的话，还需进行焊后处理。

2.6 Cr

Cr是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，是各种添加元素中含量最高的，不锈钢之所以能够抗腐蚀，是由于 Cr的存在。 Cr抗腐蚀的机理是Cr和C可以形成稳定的钝化组织，其主要成分是Cr23C6，这种组织具有很好的抗腐蚀性、抗氧化性、抗硫化和抗融盐腐蚀等性能。

对于奥氏体钢来说，只要奥氏体不锈钢保持完全奥氏体组织而没有δ铁素体等的形成，仅提高奥氏体钢中的Cr含量对材料的力学性能不会产生显著影响。当奥氏体钢中还存在Ni，Mo和Cu等元素时，在几种元素的复合作用下，奥氏体不锈钢的耐酸性和耐碱性将会大大提高。当钢中同时有Mo和N存在时，Cr的这种性能会进一步加强。同时,Cr还可防止奥氏体不锈钢及合金中由于Ni含量提高而容易出现晶间型应力腐蚀的倾向。

2.7 Ni

Ni也是奥氏体不锈钢中的主要合金元素，Ni的加入，使得合金的γ区扩大到室温以下，促使晶体结构从体心立方(BCC)结构转变为面心立方(FCC)结构，这种结构被称为奥氏体。因此这类钢材在室温下的平衡组织是单项奥氏体，也就是说，Ni是形成奥氏体钢的决定性元素。焊缝金属中Ni的质量分数提高，则焊缝金属可成为稳定的奥氏体组织，马氏体脆化层随之减少，焊缝金属的力学性能得到了改善。

Ni对酸性物质和碱性物质有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。Ni还可提高钢材的韧性和延展性，使之更易于加工、制造和焊接。

由于Cr和Ni是不锈钢中的两种主要添加元素，因此，在工业生产中总是将其他元素的质量分数折合成Cr当量和Ni当量来表述不锈钢中合金元素的质量分数，其表达式为

Creq=Cr+1.37Mo+2Nb+1.5Si+3Ti；

Nieq=Ni+22C+0.31Mn+Cu+14.2N。

2.8 Cu

Cu除了可以提高钢材的耐酸碱性外，还可降低钢材的冷加工硬化率，改善冷顶锻和冷成形性能，提高焊缝的耐腐蚀能力，尤其是耐盐雾腐蚀的能力。

随着Cu含量的增加，在进行热加工时，要考虑适当降低加热温度，工艺操作不当极易造成钢坯角裂和表面裂纹。

奥氏体不锈钢中加入Cu还可起到很好的抗菌作用，这是由于ε-Cu具有极强的杀菌作用，奥氏体不锈钢的减菌率为99%。

2.9 其他

0Cr18Ni9Cu3不锈钢中除了上述合金元素外，还存在 Mo， N， Ti， Nb， Al， Se， Pb， Ce，Yb和La等多种元素，这些元素的存在，很大程度上改善了钢材的耐腐蚀性能、机械切削性能和抗氧化性能。

不锈钢是在碳素钢的基础上加入一定的合金元素而形成的，因而铁素体（F）也是不锈钢中的一种主要组织成分，铁素体的体积分数为5%～25%。奥氏体钢中铁素体含量的多少直接关系到钢材和焊缝的抗热裂性、δ相脆变和热强性。从抗热裂性出发，要求焊缝金属内含有一定量的铁素体，但从δ相脆变和热强性来考虑，要求铁素体含量越低越好。因此，对于高温强度要求较高的焊接接头，必须严格控制铁素体含量[5-10]。