金属材料焊接论文

晶 间 腐 蚀随着现代工业的快速发展，不锈钢在现代机械生产加工中得到广泛应用。通常不锈钢指空气中能够抵抗腐蚀的钢。它有两种分类法：一种是按化学成分，分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种则按正火状态下钢的组织状态，分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和奥氏体一铁素体不锈钢等。奥氏体不锈钢是目前应用最广的不锈钢：它以铬、镍为主要合金元素，因具有优良的耐蚀性、力学性能等综合性能，导致它在生产中需求快速地增长，并占据重要的地位。奥氏体不锈钢化学成分类型有Crl8％一Ni9％ (18— 8型不锈钢)、C T1 8％一Ni1 2％、C T2 3％一Ni13％、Cr25％一Ni20％等。常用的有1CT18Ni9Ti。奥氏体不锈钢的焊接性从理论上讲，与铁素体、马氏体不锈钢相比，被认为是较好的，它不因温度变化发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下接头也有较好的塑性和韧性。但这并不意味着在所有的情况下该钢的焊接质量都能达到较高的使用要求。在役的奥氏体不锈钢焊接结构中，焊后接头出现晶间腐蚀破坏的时有发生，这不仅影响了结构的正常使用和安全性，还给企业造成经济损失。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题归根结底是与其焊接性相关，然而人们往往对它的认识不足，对它焊接性能不甚了解，选用不当的焊接工艺，而产生晶问腐蚀缺陷，导致具有寿命优势的奥氏体不锈钢早期失效。为此，通过查阅资料将对铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀缺陷的产生机理进行探讨，并据此开展预防不锈钢晶间腐蚀，提高耐蚀性的初步探讨。2 晶间腐蚀的形成条件 机理典型的18—8 型不锈钢(1C T1 8Ni9Ti)一般是在固溶处理状态下使用，于常温下腐蚀介质中工作，它的耐蚀性能是基于钝化作用：奥氏体不锈钢含有较高的铬，铬易氧化形成致密的氧化膜，能提高钢的电极电位，因此具有良好的耐蚀性能。当含铬量1 8％ 、镍量8％时，能得到均匀的奥氏体组织，且含铬和镍量越高，奥氏体组织越稳定，耐蚀性能就越好，故通常没有晶间腐蚀现象。但如经再次加热到450～850℃或在此温度区间工作，并且钢中含碳量超过0．02～0．03％ ，又缺少Ti、Nb等能控制碳的元素时，处于腐蚀介质中往往就可以见到晶间腐蚀现象。这说明，晶间腐蚀和钢的成分(碳和碳化物形成元素)有关，还与加热条件有关。现已有一些学说对晶问腐蚀现象做了解释，其中以碳化铬在晶界沉淀为前提的“贫铬理论” 较普遍为人们所接受。铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，有效含量应超过12％。以含碳量为0．03％的普通18—8型钢为例。室温时的碳的溶解度只有0．02～0．03％ ，固溶处理后奥氏体必为碳过饱和，而呈不稳定状态。若经再次中温加热(在450～850℃ 之间)， 则过饱和的碳将向晶界扩散，与铬结合而形成Cr23C6或(Cr、Fe)23 C6沉淀于晶界。这时，由于铬的原子半径较大，在晶粒内部的扩散速度较慢，来不及向晶界扩散，故在形成铬的碳化物时，晶界处可能发生铬的“供不应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面一个薄层严重缺铬(铬的有效含量低于1 2％)。当有腐蚀介质作用时，这一缺铬区域将产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。Ti、Nb的有利作用在于，可优先与碳结合形成TiC或NbC，消耗掉晶界过饱和的碳，从而防止碳与铬结合，避免缺铬现象发生。所以，含有Ti或Nb的钢一般不具有晶间腐蚀倾向。超低碳不锈钢由于不存在碳的过饱和，就无所谓碳的过饱和析出，因此也不发生晶间腐蚀。加热条件的影响主要是与合金元素的扩散相联系。加热温度低(<450℃)或加热时间短，不利于扩散而难以形成铬的碳化物，不致产生缺铬现象；加热温度较高(> 8 5 0℃)，铬的扩散速度加快， “供铬” 条件得到改善， 晶粒表层缺铬现象可以逐步消失；加热时间充分长时，也有利于铬的均匀扩散而不致形成贫铬层。3 晶间腐蚀的预防在了解奥氏体不锈钢晶间腐蚀的形成机理后，据此提出以下几条预防措施：(1)严格控制含碳量碳是造成晶间腐蚀的主要元素，碳含量在0．08％以下时，能够析出碳的数量少；碳含量在0．08％以上时，则析出碳的数量迅速增加。所以常控制母材金属和焊条的含碳量在0．0 8％以下，如0Cr1 8Ni9Ti、A107等。另外，奥氏体钢中含碳量小于0．02％ ～0．03％时，全部碳都溶解在奥氏体中，不会产生晶间腐蚀。超低碳不锈钢(如00 Cr 1 8Ni 1 0，A002)的大量应用就是此原理。(2)采用双相组织钢中的合金元素是形成双相组织的主要因素。奥氏体化元素有Ni、C、Mn、N、C U等；而铁素体化元素则有C r、Nb、Ti、M O、V、W 、Si等。当不锈钢中铬与镍的质量分数之比大干1．8时，就会出铁素体组织。调整钢的化学成分，在焊缝中加入铁素体形成元素，就可促使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的双相组织。形成双相组织的优势在于，双相组织中的奥氏体，其碳的浓度较大，碳有向铁素体扩散的趋势；而铁素体中铬的浓度较大，铬就有向奥氏体扩散的趋势。奥氏体中的碳和铁素体中的铬都向两相交界处扩散， 由于碳的扩散速度很大，有可能碳首先从奥氏体越过边界与铬形成碳化铬；又由于铬在铁素体里的扩散速度要比在奥氏体中快得多，所以一旦在晶界处出现贫铬层，铬能够较快地从铁素体内部得到补充，而使贫-铬层消失，使奥氏体晶界上析出的碳化铬数量减少、分布不连续，并打乱单一奥氏体柱状晶的方向性，从而避免贫铬层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的集中通道，降低了晶间腐蚀倾向。形成双相组织有利于防止晶间腐蚀，但也应注意铁素体含量的控制。铁素体含量超过5％时，o相(FeC r金属间化合物)很快形成。o相硬而脆(H RC>6 8)，分布在晶界，不仅使焊缝冲击韧性和塑性急剧下降，还将增大晶间腐蚀倾向。因此综合考虑，奥氏体不锈钢焊缝的铁素体数量为4～12％较适宜。实践表明，5％左右的铁素体能获得较满意的抗晶阃腐蚀性能。 (3)添加稳定剂焊接材料中加入钛、铌等与碳的亲和力比铬强的元素，能提高抗晶间腐蚀能力。因此常用焊接材料1Cr18Ni9Ti、A137、A302等，都含有钛或铌。(4)进行固溶处理在焊后把接头加热到1050～1150℃，保温1 h后水淬(图3)。此时晶界碳化铬被全部溶解，部分钛和铌的碳化物也被溶解，使碳重新溶入奥氏体中，然后迅速冷却，使碳来不及析出，形成稳定均一的奥氏体组织，消除晶界处的贫铬层，避免产生晶阃腐蚀。(5)进行均匀化处理将奥氏体不锈钢加热到850～900℃，保温2 h，使晶粒内部的铬也扩散到晶粒边界，使晶界铬的质量分数重新恢复到大于1 2％，从而消除晶界贫铬层。(6)减小焊接线能量在焊接工艺方面，采用小电流，大焊速，短弧，直道焊接。多层多道焊时，层间温度不宜过高，应待先焊的一层完全冷却后(<6 0℃)，再进行下一层焊接，且层间接头错开。奥氏体钢的电阻率大(约为碳钢的5倍)，导热系数小，焊接电流应比同样直径的低碳钢焊条小1 0～20％ 。以手弧焊为例，平焊的焊接电流为焊芯直径的2 5～3 5倍，在立焊或仰焊时，焊接电流还要再减小1 0～30％ 。小线能量、小电流、快速焊，冷却速度快，在敏化温度区停留时间短，有利于防止晶间腐蚀；短弧，焊丝或焊条芯中所含对氧亲和力大的合金元素T i、Nb、C r、Al等烧损少，有利于防止晶间腐蚀。 (7)Jjn快接头的冷却焊件焊前不预热，焊后应尽可能加快接头的冷却，如使用铜垫板等，甚至条件允许还可用水冷等强制措施，来减少接头在危险温度的停留时间，防止晶间腐蚀产生。(8)合理安排焊接顺序多层焊和双面焊时，后一条焊缝的热作用可能对先焊焊缝的过热区起到敏化温度加热的作用。为此，双面焊缝中与腐蚀介质接触的一面应尽可能最后焊接。焊缝布局上应尽量避免交叉焊缝，减少焊缝接头。与腐蚀介质接触的焊缝若无法安排最后焊接，则应调整工艺参数，使后焊焊缝的敏化区不与第一面焊缝表面的过热区重合。进一步提高 锈钢焊缝的耐蚀性，则还应严格控制以下几项：(1)为避免损伤不锈钢表面，在坡口两侧刷涂石灰水或商品化的专用防飞溅剂，并在焊后彻底清除飞溅物、残渣；(2)禁止在坡口之外的焊件上随处任意打弧；(3)焊接电缆卡头在工件上要卡紧，以免发生打弧或过烧现象；(4)焊接前、后的处理对产品耐蚀性影响很大：①钢材的贮存及运输应与一般结构钢分开，以免被铁锈等污染；②钢材表面光滑平整，避免碰撞或摩擦损伤，划线下料时不要打冲眼和不用划针；③尽可能用机械加工或等离子弧切割下料，避免用碳弧切割；④封头等零件最好冷压成形，热压 1ooo度 ≈ 6O0度成形时应检查耐蚀性变化，并做相应的热处理；⑤焊接前后热处理时，加热前必须将钢材表面污物洗净，以免加热时产生渗碳。⑥表面处理(磨平、抛光、酸洗、钝化)必须严格遵守操作规程，以表面呈均匀的银白色为宜。奥氏体不锈钢焊接易出现晶间腐蚀缺陷，且存在导热性能差、线膨胀系数大、熔池的流动性差等不利因素，因此只有选择合适的焊接方法、焊接材料，遵循相关的焊接工艺，才能保证奥氏体不锈钢的焊接质量，使其寿命优势得到充分发挥，让它的应用范围进一步扩大。

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