UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼管焊接接頭的耐蝕性能分析

 浙江至德鋼業(yè)有限公司通過(guò)SEM和EDS研究了采用不同焊接工藝后UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼管接接頭的兩相比例及成分變化,并采用臨界點(diǎn)蝕溫度和濃硝酸法測(cè)試比較了不同焊接工藝接頭的耐點(diǎn)蝕和晶間腐蝕性能。結(jié)果表明,焊接中較高的熱輸入、加填焊絲和背面采用氮?dú)獗Ｗo(hù)焊的方法可以穩(wěn)定焊接接頭中的奧氏體相的比例,并且較高的熱輸入,使得焊接接頭冷卻速度相對(duì)較慢,有助于鉻的擴(kuò)散而消除晶界貧鉻現(xiàn)象,減小晶間腐蝕傾向;而與此相反的是較高的熱輸入,會(huì)導(dǎo)致兩相中元素分配不均衡使鐵素體相優(yōu)先發(fā)生腐蝕,從而惡化材料的整體耐點(diǎn)蝕性能.

 超級(jí)雙相不銹鋼管由于含有相同比例的奧氏體和鐵素體相而兼具奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的優(yōu)良特性,如良好的力學(xué)性能和耐蝕性能.尤其是具有奧氏體不銹鋼優(yōu)良的抗點(diǎn)蝕性和鐵素體不銹鋼優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕破裂性,因此廣泛應(yīng)用在苛刻的環(huán)境中,如石油、天然氣、海洋和化工等領(lǐng)域.雖然材料本身具有優(yōu)良的耐蝕性能,但由于焊接等加工方法對(duì)接頭組織所產(chǎn)生的嚴(yán)重影響會(huì)惡化材料的整體耐蝕性。因?yàn)楹附舆^(guò)程的快速冷卻會(huì)導(dǎo)致鐵素體相含量過(guò)高，破壞原有的兩相比例.雖然可以通過(guò)焊條中含鎳,氮等元素的添加一定程度上穩(wěn)定奧氏體相的存在,但仍然會(huì)對(duì)其耐蝕性帶來(lái)影響。浙江至德鋼業(yè)有限公司針對(duì)UNS S32750超級(jí)雙相不銹鋼管，研究了焊接工藝對(duì)接頭處耐點(diǎn)蝕性和晶間腐蝕性的影響。

一、試驗(yàn)方法

  試驗(yàn)用母材為瑞典Avesta公司生產(chǎn)的SAF2507超級(jí)雙相不銹鋼管，固溶態(tài),焊絲材料為瑞典Sandvik生產(chǎn)的25.10.4.L.母材及焊絲材料的化學(xué)成分見表。

  焊接接頭的耐腐蝕性能是影響該鋼種使用壽命的關(guān)鍵因素，對(duì)于超級(jí)雙相不銹鋼管來(lái)說(shuō)，主要是使焊縫金屬和焊接HAZ均保持有適量的鐵素體和奧氏體組織,這就對(duì)焊接工藝提出了較高要求,如焊接方法、熱輸入、冷卻速度、氣體保護(hù)、填充材料的成分等.對(duì)于雙相不銹鋼薄板或管的焊接通常采用鎢極氬弧焊的方法。文中即采用TIG焊,氬氣保護(hù),氣體流量12~15L/min.焊接工藝參數(shù)見表。

 1. 焊接接頭形貌觀察

  對(duì)4個(gè)不同焊接工藝試片的焊接接頭部位進(jìn)行切割，尺寸為40mm*20mm*2mm,隨后對(duì)截面進(jìn)行打磨、拋光.采用Behara浸蝕劑進(jìn)行浸蝕,浸蝕時(shí)間約為5秒，采用日本JSM)6480掃描電子顯微鏡對(duì)焊接接頭形貌進(jìn)行觀察,并用英國(guó)牛津INCA能譜儀對(duì)奧氏體和鐵素體相的部位進(jìn)行成分測(cè)試,為減小結(jié)果誤差,對(duì)每相選取三個(gè)不同區(qū)域測(cè)試,取其平均值。

 2. 相的體積分?jǐn)?shù)測(cè)定

  采用美國(guó)ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)測(cè)定不同焊接工藝條件下焊縫區(qū)域的奧氏體相體積分?jǐn)?shù),即采用網(wǎng)格交點(diǎn)計(jì)數(shù)法,測(cè)定方法如下。

  a. 在放大的金相試樣圖像上劃出網(wǎng)格線.

  b. 從該試樣的網(wǎng)格線中分別選取三個(gè)不同的6*6網(wǎng)格區(qū)域.

  c. 當(dāng)以?shī)W氏體為記數(shù)基準(zhǔn)時(shí),在每個(gè)區(qū)域中如果網(wǎng)格一個(gè)交點(diǎn)落在奧氏體相上,則記奧氏體含量為1。如果一個(gè)網(wǎng)格交點(diǎn)落在奧氏體、鐵素體兩相組織交界上則記為0.5,落在鐵素體相中則記為0。

  d. 用落在奧氏體相上的點(diǎn)數(shù)比上該區(qū)域總的網(wǎng)格點(diǎn)數(shù),即為該區(qū)域奧氏體相所占的體積分?jǐn)?shù)。

  e. 取三個(gè)區(qū)域奧氏體相體積分?jǐn)?shù)的平均值作為該試樣最終的奧氏體相體積分?jǐn)?shù)。

 3. 耐點(diǎn)蝕性

   在腐蝕介質(zhì)為6%FeCl 3+1%HCl的溶液中,測(cè)試臨界點(diǎn)蝕溫度.即將打磨、拋光后的焊接接頭試樣浸入腐蝕溶液中，從40℃開始試驗(yàn)，每24小時(shí)升溫5℃為一周期,直至平行于軋制方向上的試驗(yàn)面上,出現(xiàn)離散的肉眼可見的點(diǎn)蝕,這時(shí)的試驗(yàn)溫度即為臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT),邊緣部分出現(xiàn)的點(diǎn)蝕不計(jì)。

 4. 晶間腐蝕性

  采用65%濃硝酸法按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4334.3-2000的要求進(jìn)行。

二、結(jié)果與討論

 1. 形貌及成分分析

  母材與四個(gè)不同焊接工藝的焊接接頭處的形貌見圖，由圖可見,母材的奧氏體和鐵素體相之間分界清晰,兩相組織均勻,約各占50%。由于所產(chǎn)生的熱影響區(qū)非常狹窄、不明顯,故只對(duì)焊縫區(qū)域進(jìn)行觀察,發(fā)現(xiàn)焊縫部位兩相的形貌發(fā)生了較大變化,其中C相以羽毛狀存在,分布均勻性變差,同時(shí)兩相的比例也發(fā)生了變化,1號(hào)~4號(hào)試樣的奧氏體相比例分別為43%,39%,44%和48%.

 雙相不銹鋼管在焊接過(guò)程中從液相凝固后，一直保持鐵素體組織,直至鐵素體溶解度曲線溫度,隨后部分鐵素體轉(zhuǎn)變成奧氏體。兩相的含量一方面取決于焊縫金屬的成分,另一方面還取決于焊接冷卻速度。一般認(rèn)為雙相不銹鋼管中奧氏體相含量最少應(yīng)該達(dá)到30%,焊接接頭才具有較好的耐蝕性。試驗(yàn)結(jié)果顯示所有試樣的焊接接頭處奧氏體相含量均高于30%。其中奧氏體相最多的是4號(hào)試樣，最少的是2號(hào)。這是因?yàn)?號(hào)試樣的焊接工藝為加填焊絲同時(shí)采用較高的熱輸入，由于焊絲中含有較高含量的奧氏體穩(wěn)定元素鎳、氮，促使了凝固過(guò)程中奧氏體相的轉(zhuǎn)變,而較高熱輸入使冷卻速度較慢也促使了鐵素體向奧氏體相的轉(zhuǎn)變;同樣加填焊絲的1號(hào)以及背面氮?dú)獗Ｗo(hù)的3號(hào)也具有較高的奧氏體含量也是分別由于焊絲和氮?dú)獾淖饔盟隆?/span>

 從以上分析可以看出,為了減少焊接過(guò)程對(duì)雙相不銹鋼管中相的比例的影響，保證奧氏體相的穩(wěn)定存在,較高的熱輸入以及采用含有穩(wěn)定奧氏體相的元素的焊絲具有重要作用。

 為了了解焊接工藝對(duì)接頭處鐵素體相和奧氏體相中主要合金元素含量的影響,分別對(duì)各試樣的兩相進(jìn)行了成分分析,結(jié)果如表所示。

 由表可見,焊接工藝對(duì)主要合金元素在兩相中的分配比例產(chǎn)生了一定影響,尤其是對(duì)鎳和鉬的影響較大.雙相不銹鋼中含有兩類元素,一類是穩(wěn)定鐵素體相的元素,如C r,M o等,一類是穩(wěn)定奧氏體相的元素,如N,i N等.比較1號(hào)和4號(hào)試樣可以發(fā)現(xiàn),4號(hào)試樣奧氏體相中鎳含量明顯高于鐵素體相,而鐵素體相中鉬含量高于奧氏體相,而1號(hào)試樣兩者差別不大,說(shuō)明較高的熱輸入由于冷卻速度較慢使N,i M o元素有充分的時(shí)間進(jìn)行擴(kuò)散而分別富集在對(duì)應(yīng)的奧氏體相和鐵素體相中;比較1號(hào)和2號(hào)試樣可以發(fā)現(xiàn),雖然兩者具有相同的熱輸入,但2號(hào)試樣元素的分配差別較大,鎳和鉬同樣在奧氏體和鐵素體相中分配不均勻,說(shuō)明自熔焊接工藝容易產(chǎn)生凝固偏析,使合金元素偏析在對(duì)應(yīng)的相中;但同樣采用自熔焊的3號(hào)試樣由于氮?dú)獾膮⑴c對(duì)合金元素的分配產(chǎn)生了影響,使合金元素的分配趨于相近,即促使鎳向鐵素體相轉(zhuǎn)移,鉬向奧氏體相轉(zhuǎn)移,說(shuō)明氮具有一定的調(diào)整元素分配的作用.

 2. 耐點(diǎn)蝕性

  母材以及1號(hào)~4號(hào)試樣的臨界點(diǎn)蝕溫度測(cè)試結(jié)果分別為75℃,70℃,65℃,60℃。

  母材具有較高的臨界點(diǎn)蝕溫度是因?yàn)槌?jí)雙相不銹鋼管中較高的鉻、鎳、鉬和氮所致.經(jīng)過(guò)焊接后,焊接接頭處的臨界點(diǎn)蝕溫度均有所下降,其中1號(hào)變化最小,3號(hào)次之,2號(hào)和4號(hào)最差。結(jié)合試樣的焊接工藝可以發(fā)現(xiàn),1號(hào)試樣與2號(hào),3號(hào)相比,在焊接中加填了焊絲，而且與4號(hào)相比具有較低的熱輸入。由表焊絲成分可以看出,焊絲中除了含有與母材相近的25%鉻之外,還含有9.5%鎳和3.96%鉬，均較母材6.91%鎳和3.83%鉬含量高,所以從成分的平均含量上可以初步判斷加焊絲的焊接接頭具有較好的耐點(diǎn)蝕性能。但由于雙相不銹鋼管中含有鐵素體和奧氏體兩相,而元素在兩相中的分配會(huì)有所差異.結(jié)合表3的成分含量分析結(jié)果，1號(hào)試樣的元素在兩相中的分配差別不大，即鐵素體和奧氏體相中各元素的含量相近,所以兩相均呈現(xiàn)了較好的耐點(diǎn)蝕性。而4號(hào)雖然也填加了焊絲,但由于較高的熱輸入使得各元素在兩相中的分配不均勻,奧氏體形成元素容易富集在奧氏體相中,特別是氮在奧氏體相中具有較高的溶解度,導(dǎo)致鐵素體相中由于缺乏對(duì)耐點(diǎn)蝕具有突出貢獻(xiàn)的氮而優(yōu)先發(fā)生腐蝕。由圖的焊縫處點(diǎn)蝕形貌可以充分證明點(diǎn)蝕是發(fā)生在鐵素體相上,而奧氏體相幾乎完好存在,并阻止點(diǎn)蝕區(qū)域的擴(kuò)展。

 3. 耐晶間腐蝕性

  當(dāng)雙相不銹鋼管敏化加熱時(shí)，富鉻的碳化物會(huì)優(yōu)先在D/C相的D相一側(cè)析出,由于鉻在D相中擴(kuò)散速度快,析出Cr23C6所造成的貧鉻區(qū)很快得到鉻的補(bǔ)充而容易消除，所以雙相不銹鋼管由于Cr23C6析出導(dǎo)致貧鉻造成的晶間腐蝕傾向較小。

  但不銹鋼，特別是高鉻高鉬鋼可能會(huì)由于金屬間化合物R相的析出導(dǎo)致晶間腐蝕。因?yàn)镽相是一種鐵鉻化合物，因?yàn)槠涓缓t，同時(shí)又由于容易在晶界析出而導(dǎo)致其周圍同樣出現(xiàn)貧鉻區(qū)或由于其本身的溶液而產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象,R相的析出溫度一般在500~800℃,所以在焊接接頭處容易產(chǎn)生晶間腐蝕的敏感性。

  測(cè)試晶間腐蝕的65%濃硝酸法,又稱為Huey法,其腐蝕電位是基于以下氧化)還原反應(yīng)建立的，該電位相當(dāng)于R相出現(xiàn)選擇性腐蝕溶解的電位,因此,對(duì)R相在晶界析出而引起的晶間腐蝕傾向極其敏感,同時(shí)也可以檢驗(yàn)貧鉻導(dǎo)致的晶間腐蝕敏感性。

 48小時(shí)的晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示母材以及1號(hào)~4號(hào)試樣的腐蝕速率分別為0.01,0.04,0.06,0.02和0.01 g/(m2*h)。由此可見4號(hào)耐晶間腐蝕性較好,與母材相近,3號(hào)次之,1號(hào)和2號(hào)較差,尤其是2號(hào)腐蝕速度已達(dá)到母材的6倍。結(jié)合焊接工藝分析其原因,2號(hào)試樣由于采用不加焊絲的對(duì)接自熔焊方式,焊接接頭部位含有較高的鐵素體相,由于鐵素體中富集較多鉬元素，促進(jìn)了金屬間相的析出,故表現(xiàn)出較差的耐晶間腐蝕性;3號(hào)雖然也采用自熔焊,但氮?dú)獾膮⑴c一方面使奧氏體相含量增多,另一方面通過(guò)調(diào)節(jié)鉬在兩相之間的分配能夠延緩R相的析出;此外,1號(hào)焊接工藝采用較4號(hào)低的熱輸入,冷卻速度相對(duì)較快,不利于鉻的擴(kuò)散而增大了由于晶界貧鉻而產(chǎn)生的晶間腐蝕敏感性。所以加填焊絲同時(shí)采用較高熱輸入或背面氮?dú)獗Ｗo(hù)的焊接工藝有助于減小焊接接頭的晶間腐蝕傾向,甚至可以達(dá)到與母材相同的耐晶間腐蝕性能。

三、結(jié)論

 1. 較高的熱輸入、同時(shí)采用含有穩(wěn)定奧氏體相元素的焊絲的焊接工藝以及背面氮?dú)獗Ｗo(hù)可以穩(wěn)定雙相不銹鋼管中兩相的比例。

 2. 耐點(diǎn)蝕性試驗(yàn)結(jié)果證明,采用加填焊絲或背面采用氮?dú)獗Ｗo(hù)的焊接工藝可以提高焊接接頭的耐點(diǎn)蝕性能.但較高的熱輸入,會(huì)導(dǎo)致元素分配不均衡使鐵素體相優(yōu)先發(fā)生腐蝕,從而惡化材料的整體耐點(diǎn)蝕性能。

 3. 與耐點(diǎn)蝕研究結(jié)果相反的是較高的熱輸入,使得焊接接頭冷卻速度相對(duì)較慢,有助于鉻的擴(kuò)散而消除晶界貧鉻現(xiàn)象,減小晶間腐蝕傾向.反面氮?dú)獗Ｗo(hù)能夠減少R相的析出,也有助于減小焊接接頭的晶間腐蝕傾向。

 4. 由于焊接工藝中熱輸入的高低對(duì)于點(diǎn)蝕和晶間腐蝕的敏感性影響結(jié)論相反，而點(diǎn)蝕或晶間腐蝕的發(fā)生與材料所使用的介質(zhì)密切相關(guān)，所以對(duì)超級(jí)雙相不銹鋼管焊接工藝的選擇要結(jié)合使用的介質(zhì)而定，從而有針對(duì)性地避免相應(yīng)局部腐蝕的發(fā)生。