第4章不锈钢及耐热钢的焊接

1、 第第4 4章章 不锈钢及耐热钢的焊接不锈钢及耐热钢的焊接 不锈钢及耐热钢的分类和特性不锈钢及耐热钢的分类和特性 不锈钢的基本定义不锈钢的基本定义n不锈钢不锈钢 是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和是指能耐空气、水、酸、碱、盐及其溶液和其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢其他腐蚀介质腐蚀的，具有高度化学稳定性的合金钢的总称。的总称。n耐热钢耐热钢 是抗氧化钢和热强钢的总称。在高温下具有是抗氧化钢和热强钢的总称。在高温下具有较好的抗氧化性并有一定强度的钢种称为较好的抗氧化性并有一定强度的钢种称为抗氧化钢抗氧化钢；在高温下有一定的抗氧化能力和较高强度的钢种称为在高温下有一定的抗氧化能力

2、和较高强度的钢种称为热强钢热强钢。n一般来说，耐热钢的工作温度要超过一般来说，耐热钢的工作温度要超过300350。n不锈钢和耐热钢采用相同的牌号，容易混淆。不锈钢和耐热钢采用相同的牌号，容易混淆。 n 水轮机主轴水轮机主轴 4.1 不锈钢及耐热钢的分类及特性不锈钢及耐热钢的分类及特性 4.1.1 不锈钢及耐热钢的分类不锈钢及耐热钢的分类n(1) 按化学成分分类按化学成分分类n 铬不锈钢铬不锈钢 Cr12%，如，如Cr13、Cr17等；等；n 铬镍不锈钢铬镍不锈钢 在铬不锈钢中加入在铬不锈钢中加入Ni，以提高耐腐蚀，以提高耐腐蚀性、焊接性和冷变形性，如性、焊接性和冷变形性，如1Cr18Ni9Ti

3、、1Cr18Ni12Mo3Ti等；等；n 铬锰氮不锈钢铬锰氮不锈钢 含有含有Cr、Mn、N元素，不含元素，不含Ni，如，如Cr17Mn13Mo2N等。等。 2. 按用途分类按用途分类n（1）不锈钢）不锈钢 在大气环境及浸蚀性介质中使用的钢，在大气环境及浸蚀性介质中使用的钢，工作温度一般不超过工作温度一般不超过500，要求耐腐蚀，对强度要，要求耐腐蚀，对强度要求不高。如求不高。如Cr13系列不锈钢和低碳系列不锈钢和低碳Cr-Ni钢（如钢（如0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti）或超低碳）或超低碳Cr-Ni钢（如钢（如00Cr25Ni22Mo2、00Cr22Ni5Mo3N等）。等）。n（2）热稳

4、定钢）热稳定钢 在高温下具有抗氧化性能，对高温强在高温下具有抗氧化性能，对高温强度要求不高。工作温度可高达度要求不高。工作温度可高达9001100。常用的。常用的有高有高Cr钢（如钢（如1Cr17、1Cr25Si2）和）和Cr-Ni钢（如钢（如2Cr25Ni20、2Cr25Ni20Si2）。）。n（3）热强钢）热强钢 在高温下既要有抗氧化能力，又要具有在高温下既要有抗氧化能力，又要具有一定的高温强度，工作温度一定的高温强度，工作温度600800。如。如Cr-Ni奥奥氏体钢（如氏体钢（如1Cr18Ni9Ti、1Cr16Ni25Mo6、4Cr25Ni20、4Cr25Ni34等）。等）。 3. 按空

5、冷后显微组织分类按空冷后显微组织分类 1）奥氏体钢）奥氏体钢 是应用最广的一类，分为是应用最广的一类，分为18-8系列（如系列（如0Cr19Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr18Mn8Ni5N、0Cr18Ni12Mo2Cu等）和等）和25-20系列（如系列（如2Cr25Ni20Si2、4Cr25Ni20和和00Cr25Ni22Mo2等）两大类。供货状态多为固溶处理态。此外，还等）两大类。供货状态多为固溶处理态。此外，还包括沉淀硬化钢，如包括沉淀硬化钢，如0Cr17Ni4CuNb（简称（简称17-4PH）和）和 0Cr17Ni7Al（简称（简称17-7PH）。）。 2）铁素体钢）铁素体钢 含含

6、Cr17%30%，主要用作耐热钢，也用作耐蚀钢，如，主要用作耐热钢，也用作耐蚀钢，如1Cr17、1Cr25Si2及及00Cr30Mo2高纯铁素体钢。铁素体钢多以退火状态供货。高纯铁素体钢。铁素体钢多以退火状态供货。 3）马氏体钢）马氏体钢 以以Cr13系列最为典型，如系列最为典型，如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13及及1Cr17Ni12。以。以Cr12为基的为基的1Cr12MoWV多元合金马氏体钢，用作热强钢。热处理对马氏体钢力学多元合金马氏体钢，用作热强钢。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，或者是退火状态，或者是淬火回火状性能影响很大，须根据要求规定供货

7、状态，或者是退火状态，或者是淬火回火状态。态。 4）双相不锈钢）双相不锈钢 钢中奥氏体占钢中奥氏体占40%60%，铁素体占铁素体占60%40%，这类钢具有优异的抗腐蚀，这类钢具有优异的抗腐蚀性能。最典型的有性能。最典型的有18-5型、型、22-5型、型、25-5型，如型，如00Cr18Ni5Mo3Si2、00Cr22Ni5Mo3N、0Cr25Ni7Mo4WCuN。与。与18-8钢相比，主要特点是提高钢相比，主要特点是提高Cr而而降低降低Ni，同时添加，同时添加Mo和和N。这类双相不锈钢以固溶处理态供货。这类双相不锈钢以固溶处理态供货。 表表4.2 铁素体不锈钢的化学成分铁素体不锈钢的化学成分

8、表表4.3 马氏体不锈钢的化学成分马氏体不锈钢的化学成分 4.1.2 不锈钢及耐热钢的特性不锈钢及耐热钢的特性 1. 不锈钢的热物理性能不锈钢的热物理性能n合金元素含量越多，热导率合金元素含量越多，热导率越小，而线膨胀系数越小，而线膨胀系数和和电阻率电阻率越大。越大。n奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，在焊接过程中会引起奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，在焊接过程中会引起较大的焊接变形，特别是在异种钢焊接时，由于两种较大的焊接变形，特别是在异种钢焊接时，由于两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大的应力，成为焊接区产生裂纹的原因之一。的应力，成为焊接

9、区产生裂纹的原因之一。n非奥氏体钢具有磁性；奥氏体钢只有非奥氏体钢具有磁性；奥氏体钢只有25-20及及16-36奥氏体钢不呈现磁性；奥氏体钢不呈现磁性；18-8奥氏体钢在退火状态下无奥氏体钢在退火状态下无磁性，在冷作条件能显示出强磁性。磁性，在冷作条件能显示出强磁性。 几种不锈钢及耐热钢的热物理性能几种不锈钢及耐热钢的热物理性能铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的热物理性能相似，但铁素体、马氏铁素体不锈钢和马氏体不锈钢的热物理性能相似，但铁素体、马氏体不锈钢的线膨胀系数比奥氏体钢小约体不锈钢的线膨胀系数比奥氏体钢小约50%。线膨胀系数大，导热系数系数小，会产生焊接应力。线膨胀系数大，导热系数系数小，会

10、产生焊接应力。 2.不锈钢的耐腐蚀性能不锈钢的耐腐蚀性能 腐蚀形式：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀腐蚀形式：均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀 (1) 均匀腐蚀均匀腐蚀n是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。均匀腐蚀使金是指接触腐蚀介质的金属表面全部产生腐蚀的现象。均匀腐蚀使金属截面不断减少，对于被腐蚀的受力零件，会使其承受的应力逐渐属截面不断减少，对于被腐蚀的受力零件，会使其承受的应力逐渐增大，最终达到材料的断裂强度而发生断裂。增大，最终达到材料的断裂强度而发生断裂。n对于硝酸等氧化性酸，不锈钢能形成稳定的钝化层，不易产生均匀对于硝酸等氧化性酸，不锈钢能形

11、成稳定的钝化层，不易产生均匀腐蚀。腐蚀。n对硫酸等还原性酸，只含对硫酸等还原性酸，只含Cr的马氏体钢和铁素体钢不耐腐蚀，而含的马氏体钢和铁素体钢不耐腐蚀，而含Ni的的Cr-Ni奥氏体钢则显示了良好的耐腐蚀性。奥氏体钢则显示了良好的耐腐蚀性。n在含氯离子（在含氯离子（Cl-）的介质中，）的介质中，Cr-Ni钢也容易发生钝化层破坏而发钢也容易发生钝化层破坏而发生腐蚀。生腐蚀。n如果钢中含如果钢中含Mo，在各种酸中均有改善耐蚀性的作用。，在各种酸中均有改善耐蚀性的作用。n双相不锈钢由于两相比例合适，含足量的双相不锈钢由于两相比例合适，含足量的Cr、Mo，其耐蚀性与含，其耐蚀性与含Cr、Mo数量相当的

12、数量相当的Cr-Ni奥氏体不锈钢相近。马氏体钢不适于强腐蚀介奥氏体不锈钢相近。马氏体钢不适于强腐蚀介质中使用。质中使用。 (2) 点腐蚀（点腐蚀（Pitting Corrosion）n是指在金属表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀，是指在金属表面大部分不腐蚀或腐蚀轻微，而分散发生的局部腐蚀，又称坑蚀或孔蚀，常见蚀点的尺寸小于又称坑蚀或孔蚀，常见蚀点的尺寸小于1mm，深度往往大于表面孔，深度往往大于表面孔径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。径，轻者有较浅的蚀坑，严重的甚至形成穿孔。n不锈钢常因不锈钢常因Cl的存在而使钝化层局部破坏以至形成腐蚀坑。它是在的存在而使钝化层局部破坏以

13、至形成腐蚀坑。它是在介质作用下，由于表面缺陷，如夹杂物、贫铬区、晶界、位错在表介质作用下，由于表面缺陷，如夹杂物、贫铬区、晶界、位错在表面暴露出来，使钝化膜在这些地方首先破坏，使该局部遭到严重阳面暴露出来，使钝化膜在这些地方首先破坏，使该局部遭到严重阳极腐蚀。极腐蚀。 可以通过以下几个途径防止点腐蚀：可以通过以下几个途径防止点腐蚀：n 减少氯离子含量和氧含量；加缓蚀剂（如减少氯离子含量和氧含量；加缓蚀剂（如CN、NO3、SO42等）；降低介质温度等。等）；降低介质温度等。n 在不锈钢中加入铬、镍、钼、硅、铜等合金元素。在不锈钢中加入铬、镍、钼、硅、铜等合金元素。n 尽量不进行冷加工，以减少位错

14、露头处发生点腐蚀的可能。尽量不进行冷加工，以减少位错露头处发生点腐蚀的可能。n 降低钢中的含碳量。此外，添加氮也可提高耐点腐蚀性能。降低钢中的含碳量。此外，添加氮也可提高耐点腐蚀性能。 点蚀指数（点蚀指数（Pitting Index）PI n判定不锈钢的耐点蚀性能常采用判定不锈钢的耐点蚀性能常采用“点蚀指数点蚀指数” （Pitting Index）PI来衡量：来衡量： PI=Cr+3.3Mo+（1316）N （4-1） 一般希望一般希望PI3540。nCr的有利作用在于形成稳定的有利作用在于形成稳定Cr2O3氧化膜。氧化膜。nMo的有利作用在于形成的有利作用在于形成MoO42-离子，吸附于表面

15、活性点离子，吸附于表面活性点而阻止而阻止Cl-入侵；入侵；nN与与Mo协同作用，富集于表面膜中，使表面膜不易破坏。协同作用，富集于表面膜中，使表面膜不易破坏。 (3) 缝隙腐蚀（缝隙腐蚀（Crevise Corrosion）n在电解液中，如在氯离子环境中，不锈钢间或与异物接在电解液中，如在氯离子环境中，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，以至溶液局部象，以至溶液局部Cl浓化，形成浓差电池，从而导致浓化，形成浓差电池，从而导致缝隙中不锈钢钝化膜吸附缝隙中不锈钢钝化膜吸附Cl而被局部破坏的现象称为而被局部破坏的现象称

16、为缝隙腐蚀。缝隙腐蚀。n与点腐蚀形成机理相比，缝隙腐蚀主要是介质的电化学与点腐蚀形成机理相比，缝隙腐蚀主要是介质的电化学不均匀性引起的。因此，缝隙腐蚀和点腐蚀是具有共同不均匀性引起的。因此，缝隙腐蚀和点腐蚀是具有共同性质的一种腐蚀现象。性质的一种腐蚀现象。n能耐点腐蚀的钢都有耐缝隙腐蚀的性能，同样可用点蚀能耐点腐蚀的钢都有耐缝隙腐蚀的性能，同样可用点蚀指数来衡量耐缝隙腐蚀倾向。指数来衡量耐缝隙腐蚀倾向。 (4) 晶间腐蚀晶间腐蚀 在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象，与晶界在晶粒边界附近发生的有选择性的腐蚀现象，与晶界 层层“贫铬贫铬”现象有联系。现象有联系。n受腐蚀的设备或零件，外观呈金属

17、光泽，但因晶粒间已失去联系，敲击受腐蚀的设备或零件，外观呈金属光泽，但因晶粒间已失去联系，敲击时无金属的声音，钢质变脆。时无金属的声音，钢质变脆。 晶间腐蚀产生的原因：晶间腐蚀产生的原因：n奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀是由于这类钢加热到奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀是由于这类钢加热到450850温度区间温度区间会发生敏化，过饱和固溶的碳向晶粒边界扩散，与晶界附近的会发生敏化，过饱和固溶的碳向晶粒边界扩散，与晶界附近的Cr结合形结合形成铬碳化合物成铬碳化合物Cr23C6 或或 (Fe, Cr)23C6（常写成（常写成M23C6），并在晶界析出，），并在晶界析出，由于由于C比比Cr扩散快得多，扩散快得多，C

18、r来不及从晶内向晶界扩散，致使晶界的晶粒来不及从晶内向晶界扩散，致使晶界的晶粒周边层周边层Cr15%的铁素体钢中。在的铁素体钢中。在430480长期加长期加热并缓冷，可导致常温或负温时出现强度升高而韧性下热并缓冷，可导致常温或负温时出现强度升高而韧性下降的现象，称为降的现象，称为475脆化。脆化。n目前对其机理认识不一致：一种说法是，在目前对其机理认识不一致：一种说法是，在Fe-Cr合金合金系中以共析反应的方式时效沉淀，析出富系中以共析反应的方式时效沉淀，析出富Cr的的相（体相（体心立方结构）所致；心立方结构）所致；n也有人认为，是析出了有序固溶体也有人认为，是析出了有序固溶体Fe3Cr或或F

19、eCr，导致，导致了了475脆化。高纯度有利于抑制脆化。高纯度有利于抑制475脆性。已产生脆性。已产生475脆化的钢，在脆化的钢，在6007001h，空冷，可以恢，空冷，可以恢复原有性能。复原有性能。 相脆化相脆化n相是相是Cr含量约含量约45%的的FeCr金属间化合物，无磁性，硬金属间化合物，无磁性，硬而脆。而脆。n在在Fe-Cr合金中，合金中，Cr20即可产生即可产生相。存在其他元素，相。存在其他元素，特别是特别是Mn、Si、Mo、W等，会促使在较低等，会促使在较低Cr含量下即含量下即形成形成相，可以是三元组成，如相，可以是三元组成，如FeCrMo。nNi、C、N可减少可减少相而有减轻相而

20、有减轻相形成的作用，因最易发相形成的作用，因最易发生生。高。高Cr-Ni奥氏体钢，如奥氏体钢，如25-20钢也可发生钢也可发生。n相硬度高达相硬度高达68HRC以上，多分布在晶界，降低韧性。以上，多分布在晶界，降低韧性。 4.1.4 Fe-Cr，Fe-Ni相图及合金元素的影响相图及合金元素的影响 1Fe-Cr相图相图nCr是缩小是缩小A区的元素，区的元素，Cr12%时时A区完全消失，不发生区完全消失，不发生-转变，也不转变，也不会发生晶粒细化和硬化。会发生晶粒细化和硬化。nCr是是F形成元素，在整个合金范围内，形成元素，在整个合金范围内，F都可从液体金属中析出。都可从液体金属中析出。n当当Cr

21、较高时，较高时，脆硬的脆硬的相在约相在约820从从析出。析出。相相中中Cr含量高，会发生含量高，会发生脆化。由于脆化。由于相在晶界析出，消耗了相在晶界析出，消耗了基体中的基体中的Cr，使抗蚀性下降。低于，使抗蚀性下降。低于600时，时，偏析形成低偏析形成低Cr的的铁素体铁素体和高和高Cr的的铁素体，这就是前面所说铁素体，这就是前面所说的的475脆化。脆化。 2Fe-Ni相图相图nNi是强是强A形成元素。当形成元素。当Ni5%时时,不再凝固为不再凝固为，而是形成，而是形成A。形成被形成被限制在一个很小的铁素体相区角上。冷却到限制在一个很小的铁素体相区角上。冷却到14001500时，时，又转又转变

22、成变成 。这是个包晶反应。凝固形成的。这是个包晶反应。凝固形成的相当稳定，但有时易偏析。相当稳定，但有时易偏析。nNi是扩大是扩大相区元素。随着相区元素。随着Ni增加，增加，向向转变移到更低温度转变移到更低温度900350，使，使组织很稳定。快冷时，在很低的温度下（甚至在室温），都组织很稳定。快冷时，在很低的温度下（甚至在室温），都能保持能保持组织。因组织。因向向转变被完全抑制，因此这种钢不能再硬化。转变被完全抑制，因此这种钢不能再硬化。n奥氏体无磁性，所以借助磁铁，容易与奥氏体无磁性，所以借助磁铁，容易与F钢分开。钢分开。Fe-Ni系中无脆性相。系中无脆性相。 3合金元素（合金元素（C、N、

23、Mo、Mn）对相图的影响）对相图的影响 (1) 碳的影响碳的影响n不锈钢中，不锈钢中，C先和先和Cr形成化合物，其次是形成化合物，其次是Fe。nC是强奥氏体化元素，使是强奥氏体化元素，使相区增大，而相区增大，而相区减小。相区减小。C在在相中的溶相中的溶解度是解度是相中的相中的40倍，奥氏体晶粒对倍，奥氏体晶粒对C有良好的溶解性。有良好的溶解性。n由于由于Cr具有强烈的形成具有强烈的形成M23C6倾向，倾向，C含量很低的情况下也可生成，含量很低的情况下也可生成，使得使得C在奥氏体中活性降低。在奥氏体中活性降低。nC还影响还影响相的形成。增加相的形成。增加C含量将使碳化物增加，部分含量将使碳化物增加，部分Cr转变为转变为M23C6高铬碳化物。使基体中高铬碳化物。使基体中Cr含量减少，含量减少，相析出减缓。从相图上相析出减缓。从相图上看，看，相区缩小。相区缩小。 (2) 氮的影响氮的影响nN是强奥氏体化元素。是强奥氏体化元素。N比比C在奥氏体钢中的溶解度高得多，并随在奥氏体钢中的溶解度高得多，并随Cr含量的增加而快速增加，因此含量的增加而快速增加，因此N在奥氏体钢中不易形成脆性析出相。在奥氏体钢中不易形成脆性析出相。nN的溶解