18-8 奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀的评定及控制
18-8 奥氏体不锈钢已得到极广泛的应用,但钢在氧化和弱氧化介质中会产生晶间腐蚀,晶间腐蚀是由表面沿晶界深入到内部,它使材料的强度急剧下降,稍受外力即沿晶界断裂,而表面却仍然光亮完好,所以晶间腐蚀是一种具有极大的危险性的腐蚀破坏。因此,要求采用不锈钢制作的设备,母材和焊接接头都应有足够的抗晶间腐蚀性能。
为保证产品质量,经施焊的构件设备必须进行焊接接头晶间腐蚀倾向性检查。
1 奥氏体不锈钢焊接接头晶间腐蚀试验
1. 1 焊接接头晶间腐蚀试验方法
通常采用加速方法来测定不锈钢对晶间腐蚀的敏感性,其原理是选择适当的侵蚀剂和条件对晶间进行加速的选择性腐蚀。采用GB/ T 4334. 5- 2000“不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验方法”进行焊接接头晶间腐蚀试验。
1. 1. 1 试样制备
试验用材料为1Cr18Ni9 Ti 不锈钢,其化学成分( 质量分数) 为≤0. 12 %
C , ≤1. 0 % Si ,≤2. 0 % Mn , ≤0. 030 % S , ≤0. 035 % P ,17. 0 %~19.
0 % Cr ,8. 0 %~11. 0 % Ni ,0. 8 % Ti 。
在与产品筒体延长部位同时施焊的焊接工艺检查试板上取2 个试样,试样尺寸80 mm ×20 mm ×(3~4) mm ,焊接接头位于试样中部,试样切取原则上用锯切,若用剪切则应通过切削去除剪切变形部分,试样上焊缝加强高应加工至与母材齐平。
1. 1. 2 试样的敏化处理
对焊后要经350 ℃以上热压力加工的焊接件在焊后进行敏化处理。敏化处理工艺为650 ℃保温2 h空冷。敏化后试样表面所产生的氧化皮用砂纸打磨干净,试样表面粗糙度Ra ≤0. 8μm。
1. 1. 3 腐蚀试验
侵蚀介质为硫酸2硫酸铜溶液。将100 g 分析纯硫酸(CuSO4 ·5H2O) 溶解于700 mL 蒸馏水或去离子水中, 再加入100 mL 优级纯硫酸,用蒸馏水或去离子水稀释至1 000 mL ,配制成硫酸2硫酸铜溶液。
1. 1. 4 试验程序
先将试样用丙酮除油并洗净干燥。试验时先在带磨口的锥形瓶瓶底铺上一层5~10 mm 铜屑,再放入试样(若有两个试样,试样间用铜屑间隔使其相互不接触) ,在试样上覆盖一层铜屑。倒入配制好的试验液,液面高
出铜屑20 mm 左右。装上回流冷凝器,接通冷却水,将溶液加热至沸腾并连续煮沸16 h后取出试样,洗净并干燥。
1. 2 试验结果评定
试样在万能材料试验机上进行弯曲后评定,与介质接触面为检验面。沿熔合线进行弯曲,弯曲用的压头直径为5 mm ,试样的弯曲角度为180°,在10 倍放大镜下观察试样弯曲处的表面,评定有无因晶间腐蚀而产生的裂纹。
2 晶间腐蚀裂纹的判别
在试样弯曲部位棱角产生的裂纹、且不伴有裂纹的滑移线、以及皱纹和表面粗糙等都不能认为是因晶间腐蚀而产生的裂纹,存在晶间腐蚀的试样在冷弯后表面会出现鳞状裂纹,且敲击时会失去金属声响。当评定有困难时,可采用金相法。做断面金相检查时,若发现晶界或其毗邻区域发生局部腐蚀,甚至晶粒脱落,腐蚀沿晶界推进较为均匀,沿晶界产生的腐蚀即为晶间腐蚀。
3 不锈钢焊接接头晶间腐蚀的金相特征
3. 1 焊接后组织状态
在显微镜下观察,正常的焊缝组织为奥氏体加少量呈树状结晶的铁素体,焊缝和母材熔合良好。热影响区母材组织变化较大,紧靠熔合线热影响区组织为单相奥氏体,其晶界呈细线状,奥氏体边界平直,晶内能见到孪晶线(图1) 。距熔合线3. 7 ~4 mm处组织仍为奥氏体,但晶界发生较大的变化,沿晶界析出点状碳化物,点状碳化物形成半封闭网络,平直的奥氏体晶界趋向圆滑(图2) ,该组织宽约3. 5 mm。母材为正常单相奥氏体织。
图1 紧靠熔合线母材组织320 ×
Fig. 1 Mat rix microst ructure near the melting line
图2 热影响区母材组织320 ×
Fig. 2 Mat rix microst ructure in heat2effective zone
3. 2 焊后敏化处理并经晶间腐蚀试验
试样在显微镜下观察,焊缝组织与3. 1 节所述相同,焊缝与母材熔合也良好,热影响区与该区母材组织均相同,为单相奥氏体,晶粒边界圆滑,晶界有点状碳化物形成半封闭网络(图3) ,所不同的是在试样近表面处能明显看见晶间裂纹,表面有时能明显见到晶粒脱落,晶间腐蚀是由表面向中心推进的,总深度约为0. 9~1 mm(图4) 。该组织具有典型的晶间腐蚀微观特征。
图3 焊缝母材组织320 ×
Fig. 3 Mat rix microst ructure in weld seam
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图4 母材表面晶间腐蚀80 ×
Fig. 4 Surface intergranual corrosion of mat rix
_3. 3 晶间腐蚀机理
用公认的贫铬理论能完满解释奥氏体不锈钢晶间腐蚀。在一定的温度范围奥氏体内过饱和碳析出并与固溶体的铬结合形成Cr23 C6碳化物,由于晶粒内碳的扩散速度大于铬的扩散速度,故碳很易扩散到晶界与铬形成Cr23 C6碳化物,并在晶界沉淀析出,这个温度范围与不锈钢的含碳量有关,约在450~850 ℃,称为危险温度范围。在危险温度范围内,由于碳化物的析出使固溶体内的铬大大降低,当铬含量低于13 %时基体就会丧失抗腐蚀能力而产生腐蚀。
金相分析结果表明,直接焊态试样,离焊缝熔合线4~7. 5 mm 的热影响区母材处于危险温度范围内,焊后敏化处理试样,因敏化温度在危险温度范围内,均在晶界析出大量Cr23 C6碳化物,使不锈钢产生晶界腐蚀。而焊接接头晶间腐蚀也可能发生在焊缝区和熔合线上。在焊缝区多层多道焊的前一层焊道的熔敷金属,在后一道焊缝施焊时,同样经历了一个热循环,存在一个热影响区,在敏化温度的区域停留过长也会在晶界析出Cr23 C6碳化物,形成贫铬的晶粒边界,若该区正好暴露在焊缝表面并与腐蚀介质接触则会产生晶间腐蚀。在熔合线上产生的晶间腐蚀则是一种特殊的晶间腐蚀,俗称刀状腐蚀。
4 提高焊接接头抗晶间腐蚀能力的措施
由于晶界碳化铬沉淀析出而引起晶界贫铬是奥氏体不锈钢晶间腐蚀的主要原因,因此提高抗晶间腐蚀能力,防止晶间腐蚀的途径都是从控制碳化铬的沉淀来考虑,即从碳化铬沉淀的分量、部位和沉淀物形成动力等方面考虑。
4. 1 焊接方法选择
选择适当的焊接方法尽可能缩短焊件在敏化温度区段下停留的时间,减低危险温度对它的影响。对于薄件、小件,采用高能量的真空电子束焊或等离子焊;对于中等厚度板材,采用熔化极自动或半自动气体保护焊;对于大厚度板材,采用埋弧焊;焊条电弧焊为最常用的方法。
4. 2 焊接材料控制
焊接材料通常根据奥氏体不锈钢的材质、工作条件(介质、温度) 来选择,原则上选择与母材相近的焊接材料,为保证焊缝区抗晶间腐蚀性能,采用以下措施:
(1) 选用低碳或超低碳的不锈钢焊材。最大限度降低碳在焊缝金属中的含量,达到碳在不锈钢中室温溶解极限以下,使碳形成碳化铬的可能性减到最小,从而根除贫铬区的形成,提高焊缝金属抗晶间腐蚀能力。
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