8.2不锈钢、耐热钢焊接

显然只有普通18-8钢(0Cr19Ni9)才会有敏化区存在，含Ti或Nb的188Ti或18-8Nb，以及超低碳18-8钢，不易有敏化区出现。为防止18-8钢敏 化区腐蚀，在焊接工艺上应采取快速过程，以减少处于敏化加热的时间。
在判定不锈钢的耐点蚀性能时常采用“点蚀指数”(Pitting lndex)PI来 衡量：
PI=Cr+3.3Mo+(13-16)N 一般希望PI>35-40。
Cr的有利作用在于形成稳定氧化膜。Mo的有利作用在于形成MoO42离子，吸附于表面活性点而阻止Cl-入侵；N的作用虽还无详尽了解，但 知可与Mo协同作用，富集于表面膜中，使表面膜不易破坏。
有标准国家。不锈钢及耐热钢，其主要成分为Cr和Ni。一般Cr≥12％才 能在大气环境下不发生锈蚀，如欲耐酸腐蚀，含Cr量不应低于17％。增 加Ni或再提高Cr含量，耐腐蚀性或耐热性均可提高。所以，本章涉及的 是高合金钢，属Cr系和Cr-Ni系铁基合金，一般Ni≤35％，Cr ≥12 ％。
(二)按用途分类
(1)提高Ni量以稳定基体，利用Mo、W固溶强化，提高原子间结合力。 (2)形成稳定的第二相，主要是碳化物相。因此，为提高热强性希望适 当提高碳量(这一点恰好同不锈钢的要求相矛盾)。如能同时加入强碳化物 形成元素Nb、Ti、V等就更有效。 (3)减少晶界和强化晶界，如控制晶粒度并加入微量硼或稀土等。
3．缝隙腐蚀 在氯离子环境中，如不锈钢装置中不锈钢间或与异物接 触的表面间存在间隙时，缝隙中溶液流动将发生迟滞现象，以至溶液局 部Cl-浓化，PH值随之降低。于是，缝隙中不锈钢表面钝化膜就易于吸附 Cl- 而被局部破坏，也就易于被腐蚀。这种腐蚀现象特称为缝隙腐蚀 （crevise corrosion)。显然，可以认为，缝隙腐蚀是和点腐蚀具有共同 性质的一种腐蚀现象。因此，能耐点腐蚀的钢都有耐缝隙腐蚀的性能，
但在同一个接头并不能同时看到这三种晶间腐蚀的出现，这取决于钢 和焊缝的成分。肯定讲，出现敏化区腐蚀就不会有熔合区腐蚀。焊缝区 的腐蚀主要决定于焊接材料。在正常情况下，现代技术水平已可以完全 保证焊缝区不会产生晶间腐蚀。
1．焊缝区晶间腐蚀 根据贫铬理论，为防止焊缝发生晶间腐蚀：第一， 通过焊接材料，使焊缝金属或者成为超低碳情况，或者含有足够的稳定 化元素Nb(因Ti不易过渡到焊缝中而不采用Ti)，一般希望Nb≥8C或Nb≈1 ％；第二，调整焊缝成分以获得一定数量的铁素体δ相。
(1)不锈钢 (指习惯型含义) 包括大气环境下及有浸蚀性化学介质中使用的 钢，工作温度一般不超过500℃范围，要求耐腐蚀，对强度要求不高。
应用最广泛的有高Cr钢(如1Crl3、2Cr13)和低碳Cr-Ni钢(如0Cr19Ni9、 1Cr18Ni9Ti)或超低碳Cr-Ni钢(如00Cr25Ni22Mo2、00Cr22Ni5Mo3N等)。耐 蚀性要求高的尿素设备用不锈钢，常限定C≤0.02％，Cr≥17％，Ni ≥ 13％， Mo ≥ 2.2％。耐蚀性要求更高的不锈钢，还须提高纯度，如C ≤ 0.01％， P ≤ 0.01％， S ≤ 0.01％，Si≤ 0.1％，即所谓高纯不锈钢，例如 000Cr19Ni15，000Cr25Ni20。
(2)铁素体钢 含Cr为17％-30％的高Cr钢属此。主要用作耐热钢(抗氧 化钢)，也用作耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25Si2。高纯铁素体钢 000Cr30Mo2(C+N＜0.015％，C＜0.005％)仅用于耐蚀条件。铁素体钢 以退火状态供货。
(3)马氏体钢 Cr13系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及 1Cr17Ni12，常用做不锈钢。以Cr12为基的1Cr12MoWV之类马氏体钢，则 用做热强钢。热处理对马氏体钢力学性能影响很大，须根据要求规定供货 状态，或者是退火态，或者是淬火回火态。
同样可用点蚀指数来衡量耐缝隙腐蚀倾向。
4．晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象。外观虽仍 呈金属光泽，仅因晶粒彼此间已失去联系，敲击时已无金属的声音，钢 质变脆。已证明，晶间腐蚀多半与晶界层“贫铬”现象有联系。
5．应力腐蚀 也称应力腐蚀开裂(Stress Corrosion Cracking，简称 SCC).对于一定的材料材，应力腐蚀开裂是在拉应力与腐蚀介质两种因 素共同作用下才能发生的现象。不锈钢的应力腐蚀大部分是由氯引起的。 高浓度苛性碱、硫酸水溶液等也会引起应力腐蚀。
二、不锈钢及耐热钢特性
(一)不锈钢的耐蚀性能
不锈钢的耐蚀性能是基于钝化作用。在不同条件下可产生几种不同的腐 蚀形式。
1．均匀腐蚀 总体均匀腐蚀的现象。对于硝酸等氧化性酸，不锈钢能 形成稳定的钝化层，不易产生均匀腐蚀。而对硫酸等还原性酸，只含Cr 的马氏体钢和铁素体钢不耐腐蚀，而含Ni的Cr-Ni奥氏体钢则显示了良好
(三)按组织分类
按空冷后室温组织来分类，是最古老、又是至今应用最广的最基本的 分类方法。
(1)奥氏体钢 它是应用最广的一类，以高Cr-Ni钢最为典型。其中以 Cr18Ni8为代表的系列简称18-8钢，如0Cr19Ni9 、1Cr18Ni9Ti(18-8Ti)， 1Cr18Mn8Ni5N、0Cr18Ni12Mo2Cu（18-8Mo)等；其中以Cr25Ni20为 代表的系列，简称25-20钢，如2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20 (国外牌号HK-40)、00Cr25Ni22Mo2(25-20Mo)等。还有25-35为代表的 系列，如0Cr21Ni32(国外牌号Incoloy800)、4Cr25Ni25(国外牌号HP)、 4Cr25Ni35Nb(国外牌号为Manaurite36x)等。供货状态多为固溶处理态。
为获得δ相，焊缝成分必然不会与母材完全相同，一般须适当提高铁 素体化元素的含量，或者说提高Creq／Nieq的比值。 Creq称为铬当量，为 把每一铁素体化元素（Cr、Mo、Nb、Ti、Si），按其铁素体化的强烈程 度折合成相当若干铬元素后的总和； Nieq称为镍当量，为把每一奥氏体 化元素（Ni、C、N）折合成相当若干镍元素后的总和。已知Creq及 Nieq 即可确定焊缝金属的室温组织。
常将抗氧化钢和热强钢统称为耐热钢。其实一些不锈钢也可作为热强 钢使用。而一些热强钢也可用作为不锈钢，可称为“耐热型“不锈钢。
由于我国是采用相同牌号表示法来标明钢号，有时很不容易区分不锈 钢和耐热钢，注意不要混淆。例如，同一牌号1Cr18Ni9Ti既可做不锈钢， 也可做热强钢。而简称25-20的Cr25Ni20，降低碳量的0Cr25Ni20或 00Cr25Ni20、000Cr25Ni20是做不锈钢使用的，提高碳量的2Cr25Ni20 及4Cr25Ni20只能做耐热钢。
2．HAZ敏化区晶间腐蚀 所谓HAZ敏化区晶间腐蚀(weld decay)是指焊 接热影响区中加热峰值温度处于敏化加热区间的部位（故称敏化区)所发 生的晶间腐蚀。不过对于C0.1％的18-8钢的热影响区，发生敏化的区间 并非平衡加热时450-850℃，而是有一个过热度，可达600-1000℃。因 为焊接是快速加热和冷却的过程，而铬碳化物沉淀是一个扩散过程， 为足够扩散需要一定的“过热度”。
此外，非奥氏体钢均显现强磁性；但奥氏体钢中只有25-20型奥氏体 钢确实不呈现磁性,18-8型奥氏体钢在退火状态下虽无磁性，在冷作条件 还能显示出强磁性。
第二节 奥氏体钢、双相钢的焊接
一、奥氏体钢焊接接头耐蚀性
(一)晶间腐蚀 有代表性的18-8钢焊接接头，有三个部位能出现晶间腐蚀现象，”如图
3-3所示。
如果母材不是超低碳不诱纲，采用超低碳焊接材料末必可靠，因为熔 合比的作用会使母材向焊缝增碳。
尿素设备用不锈钢的熔敷金属必须限制为超低碳，且不允许出现δ相， 而为“全奥氏体组织” 。
缝焊中δ相的有利作用：其一，可以打乱单一γ相柱状晶的方向性， 不致形成连续贫Cr层，其二， δ相富Cr，有良好的供Cr条件，可减少γ晶 粒形成贫Cr层。因此，常希望焊缝中存在4％-12％的δ相。过量δ相存在， 多层焊时易促使形成σ相，且不利于高温工作。在尿素之类介质中工作的 不锈钢，如含Mo的18-8钢，焊缝最好不存δ相否则易产生δ相选择腐蚀。
(5)铁素体-奥氏体双相钢 钢中铁素体δ占60％-40％，奥氏体γ占40％-60 ％，故常称为双相不锈钢(Duplex Stainless Steels)。这类钢具有极其优异 的抗腐蚀性能，是其他不锈钢所无法比拟的一种不锈钢。最典型的有 18-5 型、22-5型、25-5型，如00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni5Mo3N、 0Cr25Ni5Mo3N、0Cr25Ni7Mo4WCuN。与18-8钢相比，主要特点是提高 Cr而降低Ni，同时常添加Mo和N。这类双相不锈钢是以固溶处理态供货。
(4)沉淀硬化钢 均为经时效强化处理以形成析出硬化相的高强钢，主要用 做高强度不锈钢。最典型的有马氏体沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4Cu4Nb，简 称17-4PH；半奥氏体(奥氏体+马氏体)沉淀硬化钢，如0Cr17Ni7Al，简称 17-7PH。所以，也常称这类钢为PH不锈钢(Precipitation Hardening Stainless Steels)。
(二)耐热钢的高温性能
1． 高温性能变化特征 Cr或Cr-Ni耐热钢因热处理制度不向，在常温下， 可具有不同的性能。
2．合金化问题 耐热钢的高温性能中首先要保证抗氧化性能。为此钢中 一般含有Si或Al，可形成致密完整的氧化膜而防止继续发生氧化。
重要的是热强性，指在高温下长时工作时对断裂的抗力(持久强度)， 或在高温下长时工作时抗塑性变形的能力(蠕变抗力)。为提高钢的热强性， 其措施主要是：
(2)抗氧化钢----在高温下具有抗氧化性能的钢，它对高温强度要求不高。 工作温度可高达900一1100℃。常用的钢有高Cr钢(如1Cr17， 1Cr25Si2)和 Cr-Ni钢(如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2)。
(3)热强钢---在高温下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度， 工作温度可高达600-800 ℃ 。广泛应用的是Cr-Ni钢(如1Cr18Ni9Ti、 1Cr16Ni25Mo6、4Cr25Ni20、4Cr25Ni34等)。以Cr12为基的多元合金 化高Cr钢(如1Cr12MoWV)也是重要的热强钢。