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S是在超级双相钢S基础上加入W和Cu合金化而成的一种高合金的超级双相不锈钢,使用状态下的组织为铁素体和奥氏体,二者最佳比例为1:1,这样组织比例是超级双相不锈钢兼有奥氏体不锈钢与铁素体不锈钢的双重特征,具有比奥氏体不锈钢更低的热膨胀系数和更高的热导率,它的孔蚀系数(PREN)大于.40,具有优异的含氯离子及酸性介质环境下的耐应力腐蚀开裂能力,良好的耐氯离子点蚀及缝隙腐蚀能力,具有良好的耐冲刷腐蚀及腐蚀疲劳,力学性能优异,焊接性能良好。主要应用于石油、天然气、化工以及船舶等领域的腐蚀环境下,成为各种耐腐蚀工业应用领域的理想材料"。
S超级双相钢在实际应用中存在焊接问题,焊接接头的组织及其相比例影响焊接接头的力学性能和腐蚀性能,笔者研究了氩弧焊双相不锈钢管材焊接接头的组织、相比例和焊缝腐蚀缺陷形貌,以及分析腐蚀的原因,为该材料实际焊接接头组织分析等提供参考。1试验材料及过程试验采用8mm壁厚mm双相不锈钢管材。化学成分为:w(C)0.%,w(Cr)=24%-26%,w(Ni)-6.0%-8.0%,w(Mo)-3.0%-4.0%,w(N)-0.20-0.30%,w(Cu)0.5%~1.0%,w(W)-0.5%~1.0%,w(Si)1.0%,w(Mn)1.0%,w(P)0.%,w(S)0.%,管材的焊接开V形坡口。
S焊接时用氩弧焊打底,手工电弧焊充填盖面,氩弧焊焊丝牌号为曼斯特ZERON(ER),焊条及其焊丝化学成分为w(C)s0.%,w(Cr)-24%-27%,w(Ni)-8.0%~10.5%,w(Mo)-25%-4.5%,w(N)-0..30%,w(Si)=1.0%,w(Mn)20%,w(P)s0%,w(S)0.%,w(Cu)1.5%,w(W)1.0%。焊接保护气体98%Ar+2%N2,手工焊焊条牌号为E,所有焊接焊前管件不预热,
焊接过程层间温度℃,输入线能量1.5kJ/mm。焊接接头的腐蚀试验采用ASTMG48-9方法测定。焊接接头组织采用NIKONEPIHOT型金相数码显微镜观察其金相组织。焊接接头腐蚀试验采用12g铁氰化钾+40g氢氧化钾的mL80℃的水溶液进行热腐蚀。测试焊缝显微硬度采用MVDTM数显硬度计。
S管件焊接接头的显微硬度分布曲线。图中中间区域为焊缝显微硬度,两边为母材的显微硬度,从焊缝各区的显微硬度变化可知,管件的焊接材料采用ER,焊后不进行热处理的焊接接头焊缝区具有较高的显微硬度,图2为双相不锈钢焊后不进行热处理的焊接接头的金相组织。可以看出,焊缝金属的组织由铁素体和奥氏体组成,在铁氰化钾和氢氧化钾水溶液热腐蚀后的金相组织中,灰白色的为奥氏体,深灰色的为铁素体,深黑色分布在奥氏体和铁素体界面的为少量的0相。从图2的金相组织可以看出,焊缝组织中奥氏体主要有3种分布形式,即分布在铁素体晶界、板条状分布在铁素体晶粒中、块状分布在铁素体品粒中,如此分布的原因与焊接后焊缝金属凝固过程有关。
对于试验材料,由于采用的焊条与母材成分基本一致,为高铬镍合金,焊条材料中镍含量要高于母材。因此,根据Fe-Cr-Ni三元相图2,成分为u(Cr)-24%-27%和w(Ni)-8.0%10.5%的焊条熔化后其凝固是按铁素体凝固模式进行,即一次凝固组织为单相铁素体组织,当冷却温度低于奥氏体析出线温度时开始形成奥氏体,奥氏体的析出首先在铁素体晶粒边界形成,部分析出的奥氏体完全覆盖了铁素体晶界,因此形成晶界奥氏体,奥氏体在晶界包围铁素体,会形成所谓的“锁边”结构1。
S晶界奥氏体形成后部分奥氏体会向铁素体晶内生长,由于焊缝冷却速度较快,铁素体中容易析出类似魏氏组织的板条奥氏体(图2(a))。在冷却过程中,部分奥氏体会在铁素体晶粒内块状析出。根据固态转变的特点,焊缝中的奥氏体也由形核和长大过程组成,从试验材料的金相组织可以看出,焊缝奥氏体可在铁素体品界或品内,当从铁素体晶界形成的奥氏体数量足够多时,便向铁素体品内生长,割裂铁素体组织,可以抑制铁素体的粗化而细化一般认为,含钼双相不锈钢具有良好的耐氯化物应力腐蚀性能及其孔蚀性能,但在生产中,如果焊接过程及其参数控制不好,焊缝会产生孔蚀等腐蚀缺陷。
S焊接试验中焊接接头耐腐蚀试验的孔蚀形貌。可以看出,孔蚀发生在热影响区和熔合区(图3(a)),观察同一试样,发现焊接热影响区和焊缝组织的奥氏体和铁素体界面存在析出的黑色小质点(图3(b)),对焊缝及热影响区进行XRD物相分析,发现其物相主要由铁素体(a)、奥氏体和0相组成。o相属于正方晶系,其典型化学成分为w(Cr)=29%34%,w(Ni)-3%-5%,w(Mo)-3%-9%,w(W)-07%,主要是Fe-Cr-Mo等金属间化合物,富Cr,Mo,Si,w贫Ni,Mn等元素的相。
组织中一旦析出0相,其周围Cr和Mo等合金元素会贫化,会降低耐蚀性能1,。相硬而脆,会提高不锈钢的强度,但降低塑性和韧性。关于o相的形成机制目前还存在争议,一般认为它在双相不锈钢处于-1℃时为热力学稳定相6,而此时铁素体为亚稳相,有分解为奥氏体和相的趋势。因此,双相不锈钢在-0℃加热或焊接后缓冷时,会发生a-(oty)反应,在铁素体和奥氏体晶界析出0相。从图3(b)可以看出,热影响区、熔合区及其焊缝的0相均处于