超级奥氏体不锈钢CK3MCuN 中高温相的产生与控制探讨

于建平， 陈彩侠

(1.上海中洲特种合金材料股份有限公司，上海 201815;2.南德认证检测(中国)有限公司上海分公司，上海 200070)

0 前言

近年来，石油、化工、压力容器等工况中多种介质对设备及零部件的腐蚀性，迫使有更好抗蚀性的钢材[1-2]。CK3MCuN为超级奥氏体不锈钢，低C、高Cr、高Mo、高Ni，及较高的N和Cu含量，CK3MCuN比常用奥氏体不锈钢有更高的强度及良好的耐蚀性能，同时，低C、高N的存在，使焊接性能得以提高。CK3MCuN试板在铸造过程中，采用纯净度较高的钢水，避免产品在固溶处理中晶内及晶界处产生奥氏体外的高温相σ相、碳化物等[3-4]。经过固溶处理，这样在试板中心可能出现高温相σ相、碳化物。如对试板固溶处理处理不当，促使σ相的存在，会直接影响焊接后的焊缝组织热影响区(HAZ)产生较多的高温相σ相、碳化物等奥氏体之外组织，特别是σ相，其为又脆又硬的且无磁性的金属间化合物，从使用的角度，σ相存在一定危险，将严重影响材料的使用性能[5-6]。

文中从固溶处理、焊接过程分析了CK3MCuN中抑制高温相σ相的产生因素及其腐蚀性能。

1 试验要求

1.1 CK3MCuN的性能

CK3MCuN试板按ASTM A351/A351M-18《Standard specification for castings austenitic for pressure-containing parts》制造，还需遵循客户技术要求。

CK3MCuN的化学成分及力学性能见表1、表2。

表1 CK3MCuN及ERNiCrMo-3的化学成分(质量分数，%)

表2 CK3MCuN及ERNiCrMo-3的力学性能

1.2 试板要求

试板形式及规格符合ASTM A494/A494M-17《Standard specification for castings nickel and nickel alloy》，如图1所示。

图1 试板形式及规格

1.3 检验要求

焊态下：微观检验，母材和热影响区中不得有奥氏体之外的高温相σ相、碳化物等金属间化合物。

焊态下：点腐蚀试验按ASTM G48 方法G，40 ℃×24 h，试样要求：母材(100%)，热影响区(50%母材+50%焊缝)。

2 试验方法

2.1 试板制造

按客户的制造要求(图1)铸造了坡口25°的试板。

2.2 试板固溶处理

焊前试板固溶处理按照ASTM A351 要求最低温度1 200 ℃，保温时间最少4 h，将试板进行固溶处理。由于固溶时氧化速率高，导致金属表面比一般不锈钢表面粗糙，固溶前在试板表面涂刷涂料，防止表面氧化层增多，利于焊接。

确保母材在焊接前铸态组织得到充分的固溶，组织为单一的奥氏体，采取以下固溶处理方式。固溶处理方式Ⅰ：①1 200 ℃×4 h，循环水冷却；②1 200 ℃×5 h，循环水冷却；③1 200 ℃×6 h，循环水冷却；固溶处理方式Ⅱ：④1 220 ℃×4 h，循环水冷却；⑤1 240 ℃×4 h，循环水冷却；⑥1 240 ℃×5 h，循环水冷却。

2.3 焊接过程控制

CK3MCuN的焊接对工艺条件要求较苛刻，如控制不当，易产生奥氏体之外的高温相σ相、碳化物等金属间化合物，影响焊缝组织性能及耐蚀性能。确保合理的焊接过程控制。

焊接方法：手工钨极氩弧焊，直流正接，氩气纯度：≥99.99%。

焊接材料：AWS 5.14 ERNiCrMo-3，含高Mo，其熔敷金属在含氯化物的环境中具有很高的耐蚀性。

焊接工艺：焊前清除焊板坡口表面及距离坡口50 mm内的油污、氧化皮、渗透液、标记痕迹，一般不需要预热，在环境温度低于0 ℃时，焊前将试板预热均匀至≥10 ℃。因为焊接区域较狭窄，焊前必须试焊，采用小电流，降低热输入，控制母材金属的稀释率，减小熔合区宽度。层间温度小于80 ℃，即焊缝自然冷却(<80 ℃)，使焊缝自由收缩。焊接操作不允许摆动，采用直线窄道焊接。焊接结束时电弧倒向熄弧，防止收弧处裂纹、缩孔。每焊完一道焊缝，打磨起弧、收弧处至光亮，必要时进行液体渗透，确认焊缝无缺陷，再进行下一道焊缝的焊接。同时保证接头的根部熔透，避免未焊透诱发气孔、缝隙，点腐蚀出现缺陷，抗蚀能力下降。

将图1中凹槽焊接填满即可。在焊态下按图1截取试样。截取剖面试样，按ASTM E3-11《Standard guide for preparation of metallographic specimens》，ASTM E407-07《Standard practice for microetching metals and alloys》，磨抛和化学试剂浸蚀后置于光学显微镜上观察母材、焊缝、热影响区(HAZ)微观组织。

3 试验结果与分析

焊接前对试板进行2种固溶处理方式，进行微观组织检验，之后同一块试板焊后在焊态下进行微观组织检验对比。

3.1 固溶处理方式Ⅰ

在固溶处理方式Ⅰ状态下，试板母材微观组织如图2所示，焊后试板母材微观组织如图3所示，热影响区(HAZ)微组织如图4所示，对比信息见表3。均出现了不同程度的析出相，有微量σ、少量σ、碳化物，焊缝微观组织均为奥氏体(A)。随着固溶时间的增加，析出相的数量在逐渐增加，晶界上的析出相也逐渐变宽，5 h时，析出相在晶界处连成网状，且奥氏体晶界处有少量的不连续状析出相。

图2 焊前母材微观组织

图3 焊后母材微观组织

图4 热影响区微观组织

表3 试板焊接前后微观组织结果(固溶处理方式Ⅰ)

3.2 固溶处理方式Ⅱ

在固溶处理方式Ⅱ状态下，试板母材微观组织如图5所示，焊后试板母材微观组织如图6所示，热影响区(HAZ)微组织如图7所示，对比信息见表4。微观组织均为奥氏体(A)，焊缝微观组织均为奥氏体。固溶温度1 220 ℃，1 240 ℃×5 h时，晶界及晶内已看不到析出相，组织为单一的奥氏体组织。且1 240 ℃×5 h时，组织也为单一奥氏体组织。这是因为，在一定的时效时间下，随着时效温度的升高，晶内和晶界高温析出物已经大量溶解，基本上无相和碳化物相析出。其次是奥氏体晶界处的棒状和链状高温析出相逐渐溶入基体组织，最终组织为单一奥氏体组织，高温析出相全部溶解。由能谱分析，析出相主要是σ相。其主要有Cr，Mo，Fe，Ni等元素组成，在Fe-Cr-Ni奥氏体不锈钢中，当Cr超过17%(质量分数)，Cr，Mo的富集时均利于σ相生成，而Ni对σ相的形成有阻碍作用，σ相沿晶界不断析出，严重时会在晶界处形成网状分布，易造成晶界脆化，当σ相大量析出且在基体上分布不均时，材料会体现出又硬又脆的缺陷。 单一的奥氏体有利于CK3MCuN的焊接性能的改善[7]。

图5 焊前母材微观组织

图6 焊后母材微观组织

图7 热影响区微观组织

表4 试板焊接前后微观组织结果(固溶处理方式Ⅱ)

3.3 点蚀

采用2种固溶处理方案，焊后试板母材及热影响区试样，其点腐蚀结果见表5，点腐蚀率均符合要求：≤10 mg/(dm·d)。鉴于表5的腐蚀结果，在生产工业化中，推荐选用1 240 ℃×5 h固溶处理。

表5 试板焊后点腐蚀结果

4 结论

选用合适的焊接材料和合理的焊接工艺，同时采用合理的固溶处理方式可以使CK3MCuN获得良好的焊接组织和耐蚀性能的焊接接头。从生产工业化角度，推荐选用1 220 ℃×4 h或1 240 ℃×4 h的固溶处理方式，易于取得工程应用最大效益化。