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雙相不銹鋼2205由瑞典AvestaPolarit公司生產(chǎn),商業(yè)牌號是2205CodePlusTow,已納入ASTM和ASME的A240和A480中,UNS編號為S32205,屬于第二代雙相不銹鋼。2205CodePlusTow與UNS編號為S31803的同種雙相不銹鋼2205有所不同,它提高了氮含量的下限,并通過有害金屬相析出測試。2205CodePlusTow具有更高的強度、耐蝕性和焊后冶金穩(wěn)定性,焊接接頭易于獲得平衡的兩相組織,高氮含量更有效抑制有害金屬相的析出,這對焊接是非常有利的。 1 材料特性材料特性材料特性材料特性
1.1 S32205成分特點成分特點成分特點成分特點 第二代雙相不銹鋼一般稱為標準雙相不銹鋼,成分特點是超低碳、含氮,其典型成分為22%Cr+5%Ni+0.17%N(見表1)。與代雙相不銹鋼相比,2205進一步提高氮含量,增強在氯離子濃度較高的酸性介質(zhì)中的耐應力腐蝕和抗點蝕性能。氮是強烈的奧氏體形成元素,加入到雙相不銹鋼中,既提高鋼的強度且不顯著損傷鋼的塑韌性,又能抑制碳化物析出和延緩σ相形成
1.2 組織特點組織特點組織特點組織特點 雙相不銹鋼在室溫下固溶體中奧氏體和鐵素體約各占半數(shù)(雙相不銹鋼2205鐵素體含量應為30%～55%,典型值是45%左右),兼有兩相組織特征,。它保留了鐵素體不銹鋼導熱系數(shù)大、線膨脹系數(shù)小、耐點蝕、縫隙及氯化物應力腐蝕的特點;又具有奧氏體不銹鋼韌性好、脆性轉(zhuǎn)變溫度較低、抗晶間腐蝕、力學性能和焊接性能好的優(yōu)點。
1.3 S32205性能特點性能特點性能特點性能特點 在性能上的突出表現(xiàn)是屈服強度高和耐應力腐蝕。 雙相不銹鋼比奧氏體不銹鋼的屈服強度高近1倍,同樣的壓力等級條件下,可以節(jié)約材料。比奧氏體不銹鋼的線性熱膨脹系數(shù)低,與低碳鋼接近。使得雙相不銹鋼與碳鋼的連接較為合適,這有很大的工程意義。鍛壓及冷沖成型性不如奧氏體不銹鋼。
2 S32205焊接性焊接性焊接性焊接性
雙相不銹鋼2205具有良好的焊接性,焊接冷裂紋和熱裂紋的敏感性都較小。通常焊前不預熱,焊后不熱處理。由于有較高的氮含量,熱影響區(qū)的單相鐵素體化傾向較小,當焊接材料選擇合理,焊接線能量控制適當時,焊接接頭具有良好的綜合性能。
2.1 S32205 熱裂紋熱裂紋熱裂紋熱裂紋 熱裂紋的敏感性比奧氏體不銹鋼小得多。這是由于含鎳量不高,易形成低熔點共晶的雜質(zhì)極少,不易產(chǎn)生低熔點液膜。另外,晶粒在高溫下沒有急劇長大的危險。
2.2 S32205熱影響區(qū)脆化熱影響區(qū)脆化熱影響區(qū)脆化熱影響區(qū)脆化 雙相不銹鋼焊接的主要問題不在焊縫,而在熱影響區(qū)。因為在焊接熱循環(huán)作用下,熱影響區(qū)處于快冷非平衡態(tài),冷卻后總是保留更多的鐵素體,從而增大了腐蝕傾向和氫致裂紋(脆化)的敏感性。
2.3 鐵素體鐵素體鐵素體鐵素體475℃℃℃℃脆化脆化脆化脆化 雙相不銹鋼含有50%左右的鐵素體,同樣也存在475℃脆性,但不如鐵素體不銹鋼那樣敏感。
3 S3220 焊接冶金焊接冶金焊接冶金焊接冶金
雙相不銹鋼焊接過程中,在熱循環(huán)的作用下,焊縫金屬和熱影響區(qū)的組織發(fā)生著一系列的變化。在高溫下,所有的雙相不銹鋼的金相組織全部由鐵素體組成,奧氏體是在冷卻過程中析出的。奧氏體析出的多少受諸多因素的影響。
3.1 S3220相比例要求相比例要求相比例要求相比例要求 雙相不銹鋼焊接接頭的力學性能和耐蝕性能取決于焊接接頭能否保持適當?shù)南啾壤?因此,焊接是圍繞如何保證其雙相組織進行的。當鐵素體和奧氏體量各接近50%時,性能較好,接近母材的性能。改變這個比例關系,將使雙相不銹鋼焊接接頭的耐蝕性能和力學性能(尤其是韌性)下降。雙相不銹鋼2205鐵素體含量的佳值是45%。過低的鐵素體含量(<25%)將導致強度和抗應力腐蝕開裂能力下降;過高的鐵素體含量(>75%)也會有損于耐蝕性和降低沖擊韌性。
3.2 相比例影響因素相比例影響因素相比例影響因素相比例影響因素焊接接頭中鐵素體和奧氏體的平衡關系既受到鋼中合金元素含量的影響,又受到填充金屬、焊接熱循環(huán)、保護氣體的影響。
3.2.1 合金元素的影響 根據(jù)研究和大量試驗發(fā)現(xiàn),母材中含氮是非常重要的。氮在保證焊縫金屬和焊后熱影響區(qū)內(nèi)形成足夠量的奧氏體方面具有重要作用。氮和鎳一樣是形成奧氏體和擴大奧氏體元素,但是,氮的能力遠遠大于鎳。在高溫下,氮穩(wěn)定奧氏體的能力也比鎳大,可防止焊后出現(xiàn)單相鐵素體,并能阻止有害金屬相的析出。 由于焊接熱循環(huán)的作用,自熔焊或填充金屬成分與母材相同時,焊縫金屬的鐵素體量急劇增加,甚至出現(xiàn)純鐵素體組織。為了抑制焊縫中鐵素體的過量增加,采用奧氏體占優(yōu)勢的焊縫金屬是雙相不銹鋼的焊接趨勢。一般采取在焊接材料中提高鎳或是加氮這兩條途徑。通常鎳的含量比母材高出2%～4%,例如,2205填充金屬的鎳含量就高達8%～10%。用含氮的填充材料比只提高鎳的填充材料效果更好,兩種元素都可以增加奧氏體相的比例并使其穩(wěn)定,但加氮不僅能延緩金屬間相的析出,而且還可提高焊縫金屬的強度和耐蝕性能。 目前,填充材料一般都是在提高鎳的基礎上,再加入與母材含量相當?shù)牡?對于雙相不銹鋼2205,鎢極氬弧焊選用Sandvik22.8.3.L(ER2209)焊絲,焊條電弧焊選用Avesta2205AC/DC焊條是滿足對焊接材料要求的。這兩種焊接材料的化學成分見表1。雙相不銹鋼2205及焊接材料在合金元素上的這些特點,為焊接工藝參數(shù)即焊接線能量的選擇提供了一定的范圍,這對焊接是非常有利的。
3.2.2 熱循環(huán)的影響 雙相不銹鋼焊接的大特點是焊接熱循環(huán)對焊接接頭內(nèi)的組織有影響,無論焊縫還是熱影響區(qū)都會有相變發(fā)生,這對焊接接頭的性能有很大影響。因此,多層多道焊是有益的,后續(xù)焊道對前層焊道有熱處理作用,焊縫金屬中的鐵素體進一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體,成為以奧氏體占優(yōu)勢的兩相組織;毗鄰焊縫的熱影響區(qū)中的奧氏體相也相應增多,且能細化鐵素體晶粒,減少碳化物和氮化物從晶內(nèi)和晶界析出,從而使整個焊接接頭的組織和性能顯著改善。也正是由于焊接熱循環(huán)的影響,雙相不銹鋼焊接時要求與介質(zhì)接觸的焊道應先焊接,這一點與奧氏體不銹鋼焊接順序的要求恰恰相反。
3.2.3 工藝參數(shù)的影響 焊接工藝參數(shù)即焊接線能量對雙相組織的平衡也起著關鍵的作用。由于雙相不銹鋼在高溫下是100%的鐵素體,若線能量過小,熱影響區(qū)冷卻速度快,奧氏體來不及析出,過量的鐵素體就會在室溫下過冷保持下來。若線能量過大,冷卻速度太慢,盡管可以獲得足量的奧氏體,但也會引起熱影響區(qū)的鐵素體晶粒長大以及σ相等有害金屬相的析出,造成接頭脆化。 為了避免上述情況的發(fā)生,佳的措施是控制焊接線能量和層間溫度,并使用填充金屬。
3.2.4 保護氣體的影響 鎢極氬弧焊時,可在氬氣中加入2%氮氣,防止焊縫表面因擴散而損失氮,有助于鐵素體與奧氏體的平衡。
4 焊接工藝焊接工藝焊接工藝焊接工藝 焊接工藝通常應規(guī)定出焊接線能量范圍和高的層間溫度。Avesta公司建議線能量為110～215kJ/mm,層間溫度控制在150℃以下。鑒于此,焊接工藝評定采用的焊接工藝參數(shù)。 對接坡口加工形式及焊接層次如圖2所示,第1層是鎢極氬弧焊,2～4層是焊條電弧焊。
5 性能評定性能評定性能評定性能評定
5.1 焊接工藝評定焊接工藝評定焊接工藝評定焊接工藝評定 按JB4708—2000進行焊接工藝評定,平均抗拉強度高達782MPa,塑性斷裂在熱影響區(qū);4支側(cè)彎試樣無裂紋出現(xiàn)。
5.2 相比例評定相比例評定相比例評定相比例評定 金相法觀察到的組織形貌是白色奧氏體基體上分布有淺灰色條狀、塊狀鐵素體。經(jīng)評估,焊縫鐵素
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