Johan Löthman1, Anders Wallerö2, Ola Runnerstam1, 張懷征3
山特維克材料科技焊接產(chǎn)品事業(yè)部，瑞典1
山特維克材料科技研發(fā)部，瑞典2
山特維克材料科技，上海3
摘要
與奧氏體不銹鋼和鎳基材料相比，超級(jí)雙相不銹鋼（SDSS）具有一系列獨(dú)特特性，例如能有效抵御應(yīng)力腐蝕開裂，具有更高的機(jī)械強(qiáng)度以及良好的耐氯化物腐蝕能力。此外，SDSS還具有良好的可焊接性、耐侵蝕腐蝕以及耐腐蝕疲勞等優(yōu)異特性。憑借卓越的耐蝕性，SDSS適合用于各類嚴(yán)苛的應(yīng)用環(huán)境中，如氯化海水以及溫度低于300℃的酸性含氯介質(zhì)。其典型的應(yīng)用包括石油和天然氣、海水淡化及其他
海洋工程相關(guān)領(lǐng)域、脫硫裝置以及造紙和化工行業(yè)中需要含氯漂白環(huán)境的應(yīng)用。
在本次研究中，Sandvik 25.10.4.L超級(jí)雙相鋼焊帶通過使用非合金焊劑進(jìn)行電渣堆焊（ESW）獲得符合EQ 2594成分的堆焊層。結(jié)果顯示，堆焊層熔敷金屬的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）為45℃，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE）值≥41，基本上不存在有害析出相。熔敷金屬的化學(xué)成分符合UNS S32750 (AWS A5.9)標(biāo)準(zhǔn)，鐵素體含量為50-60％（根據(jù)WRC-92標(biāo)準(zhǔn)）或者大約30％左右（根據(jù)ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)）。力學(xué)性能方面，已通過側(cè)彎試驗(yàn)。在零下46°C環(huán)境下沖擊強(qiáng)度為約125 J，抗拉強(qiáng)度達(dá)到830兆帕，延伸率在30％左右。
關(guān)鍵詞：SDSS，超級(jí)雙相鋼，表面堆焊，電渣焊ESW，耐蝕合金CRA， 臨界點(diǎn)蝕溫度CPT，中性焊劑，Sandvik 25.10.4.L，UNS 32750，EQ2594
簡(jiǎn)介
與奧氏體不銹鋼和鎳基材料相比，超級(jí)雙相不銹鋼（SDSS）具有一系列獨(dú)特特性，如能有效抵御應(yīng)力腐蝕開裂，具有更高的機(jī)械強(qiáng)度，良好的耐氯化物腐蝕能力（參見圖1）。此外，SDSS還具有卓越的可焊接性、耐侵蝕腐蝕以及耐腐蝕疲勞等優(yōu)異特性。
憑借出色的耐蝕性，SDSS適合用于各類嚴(yán)苛的環(huán)境中，如氯化海水以及溫度小于300℃的酸性含氯介質(zhì)。在應(yīng)用溫度小于300℃的腐蝕環(huán)境下，SDSS是替代鎳基材料的一種具有成本效益的解決方案。其卓越的耐腐蝕性、良好的可焊接性以及與碳鋼和低合金鋼接近的熱膨脹系數(shù)使SDSS尤其適用于耐腐蝕堆焊層（參見圖2）。
超級(jí)雙相鋼SDSS牌號(hào)目前僅有焊絲（ER2594）和焊條（E2594）兩種形式的產(chǎn)品。因此SDSS尚未能有效替代奧氏體不銹鋼和鎳基合金等擁有埋弧焊（SAW）或電渣焊（ESW）焊帶材料。目前EQ2594焊帶已推向市場(chǎng)。本次研究對(duì)用ESW方法獲得的EQ2594 堆焊層進(jìn)行了熔敷金屬化學(xué)成分、鐵素體含量、PRE值、機(jī)械性能以及耐腐蝕性等方面的進(jìn)行測(cè)量和分析。
實(shí)驗(yàn)材料和方法
實(shí)驗(yàn)使用一種或兩種焊帶，堆焊得到兩層或者三層熔敷金屬，從而評(píng)估母材未經(jīng)過或者經(jīng)過熱處理的情況下的焊接工藝（參見圖1）。
在此次研究中，ESW帶極堆焊在AISI A182級(jí)母材試板上進(jìn)行，使用Sandvik 47S焊劑，這是一種用于ESW方法的燒結(jié)型中性焊劑。本研究中使用的焊帶詳見表2。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析
堆焊層化學(xué)成分
實(shí)驗(yàn)顯示，在母材（未經(jīng)熱處理）上直接堆焊兩層EQ2594所得到的堆焊層表面的化學(xué)成分與先堆焊一層EQ309L過渡層再堆焊兩層EQ2594的表面化學(xué)成分幾乎完全一致。在這兩種情況下，PRE 值都達(dá)到了41（參見表3）。
鐵素體含量
根據(jù)ASTM E562 標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量堆焊層的鐵素體含量，并根據(jù)WRC-92標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。兩種堆焊層的測(cè)量和計(jì)算結(jié)果幾乎完全相同（參見表4）。
微觀組織
在對(duì)母材未經(jīng)熱處理和經(jīng)過熱處理（第一層使用過渡層309L）堆焊層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，兩者均含有典型的雙相焊縫結(jié)構(gòu)以及大約鐵素體含量30%左右的平衡的鐵素體-奧氏體比例（參見圖3）。微觀組織中基本不含二次析出相成分（二次奧氏體、σ相和氮化鉻），極低的孔隙率和極小的孔徑（直徑約為50微米）（詳見表5）。
腐蝕
實(shí)驗(yàn)中采用ASTM G48A和ASTM G48E兩種不同方法分析耐點(diǎn)蝕性能。根據(jù)NORSOK M-601標(biāo)準(zhǔn)，ASTM G48A方法應(yīng)在40°C環(huán)境下進(jìn)行，曝露時(shí)間最少為24小時(shí)（參見表6）。ASTM G48E方法中的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）實(shí)驗(yàn)在40°C、45°C及50°C三種不同的溫度下進(jìn)行（參見表7）。
力學(xué)性能
通過對(duì)純?nèi)鄯蠼饘僭谑覝叵逻M(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，從而研究材料的機(jī)械性能（參見表8）。
根據(jù)NORSOK M/601標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)純?nèi)鄯蠼饘俚纳蠈�、每組取6個(gè)樣本進(jìn)行了沖擊強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試溫度為-46°C（參見表9）。
側(cè)彎試驗(yàn)選取了3個(gè)試樣進(jìn)行，所有試樣均通過了測(cè)試（參見表10）。
討論
對(duì)于超級(jí)雙相不銹鋼的焊接，一般不需要進(jìn)行熱處理，但如果需要對(duì)母材（例如低合金鋼）進(jìn)行焊后熱處理的話，在堆焊第一層奧氏體過渡層之后進(jìn)行焊后熱處理。在本次研究中，過渡層采用了309L（Sandvik 24.13.L）材料。如無需對(duì)母材進(jìn)行焊后熱處理，則僅需兩層EQ2594熔敷金屬就能獲得未稀釋的EQ2594堆焊層。
EQ2594的堆焊可使用ESW（電渣焊）工藝。采用Sandvik 25.10.4.L（EQ2594）焊帶和Sandvik 47S焊劑，可實(shí)現(xiàn)良好的焊接性和表面光滑度。兩層堆焊可以獲得未稀釋的EQ2594堆焊層的表面化學(xué)成分，以及鐵素體-奧氏體微觀組織，且基本上不含第二相。
鐵素體-奧氏體微觀組織的鐵素體含量約為30%（按ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量）。根據(jù)WRC-92標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，鐵素體含量為50-60%，抗點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE）約為41。較為平衡的鐵素體-奧氏體比例加上較高的PRE值表現(xiàn)出了卓越的耐腐蝕性。根據(jù)NORSOK M-601標(biāo)準(zhǔn)，能滿足40°C條件下ASTM G48 A試驗(yàn)要求，并在ASTM G48 E標(biāo)準(zhǔn)下達(dá)到45°C極高的臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）。
由于很好的兩相平衡鐵素體-奧氏體，加之不存在第二相，使得焊縫的機(jī)械強(qiáng)度和延展性較高。一般可達(dá)到30%的延伸率，這對(duì)于超級(jí)雙相焊接金屬而言是相當(dāng)高的，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)出色的拉伸強(qiáng)度（約830兆帕）和屈服強(qiáng)度（約670兆帕）。在沖擊強(qiáng)度測(cè)試中，表面熔敷金屬還展現(xiàn)出優(yōu)異的韌性，在-46°C下約為125 J。此外，所有樣品均通過側(cè)面彎曲測(cè)試。
經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，使用Sandvik 25.10.4.L焊帶和Sandvik 47S焊劑進(jìn)行ESW方法堆焊，可成功獲得EQ2594耐蝕合金（CRA）堆焊層。這種方式可提高CRA耐蝕合金堆焊的成本效益，適用于石油，天然氣，化工，海水相關(guān)應(yīng)用、紙漿和造紙工業(yè)等氯漂白環(huán)境以及化學(xué)工業(yè)等較為嚴(yán)苛的應(yīng)用領(lǐng)域。
結(jié)論
通過使用Sandvik 25.10.4.L焊帶和Sandvik 47S焊劑進(jìn)行ESW方法堆焊，可獲得EQ2594耐蝕合金（CRA）堆焊層。
根據(jù)NORSOK M-601標(biāo)準(zhǔn)，能在40°C條件下符合ASTM G48 A試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并在ASTM G48 E標(biāo)準(zhǔn)下實(shí)現(xiàn)45°C的極高臨界點(diǎn)蝕溫度（CPT）。
鐵素體-奧氏體微觀結(jié)構(gòu)的鐵素體含量約為30%（按ASTM E562標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量）。根據(jù)WRC-92標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，鐵素體含量為50-60%，耐點(diǎn)蝕當(dāng)量（PRE）約為41。
堆焊層具有較高的機(jī)械強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度達(dá)830兆帕，屈服強(qiáng)度670兆帕），并展現(xiàn)出良好的延伸性，延伸率約為30%，在-46°C環(huán)境下沖擊強(qiáng)度為約125 J，已通過側(cè)彎試驗(yàn)。
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