超级奥氏体不锈钢的发展_性能与应用_下_

1、超级奥氏体不锈钢的发展,性能与应用(下孙长庆瑞典AvestaSheffield有限公司研究发展部4超级奥氏体不锈钢的加工与工艺性能 奥氏体不锈钢有良好的可加工性,改进后的加工技术不仅降低了现阶段的生产成本,普通级的不锈钢不再那么昂贵,且使更高级的不锈钢也纳入了商业供应渠道。4.1热加工 与标准不锈钢相比,超级奥氏体不锈钢在形变过程当中通常会表现出流动应力增大,特别是那些钼和氮含量较高的不锈钢。尽管这些超级奥氏体不锈钢的强度较高,见表2(本文第2.2节,但仍可用加工力较大的设备进行热加工。特别值得注意的是对于热加工的温度范围必须严格控制。温度过高会导致过度氧化并最终降低其延展性。而温度过低又会导

2、致其可成型性的降低。根据阿维斯塔谢菲尔德有限公司多年生产和使用超级奥氏体不锈钢的经验,6钼和7钼超级奥氏体不锈钢的热加工温度范围应分别为12001000和11501000。对于大部分超级奥氏体不锈钢,有必要在热成形加工后进行一次固溶热处理。对于退火温度高达至少1150的6钼和7钼超级奥氏体不锈钢来说,要求在热处理后进行快速淬水。冷却速度要求越快越好。冷却速度过慢会导致耐腐蚀能力的降低。4.2冷加工因为延伸率非常类似,超级奥氏体不锈钢与标准的300系列奥氏体不锈钢相比,在性能上无本质差别。其冷加工性能良好。如板式换热器的生产甚至使用了高合金化的654SMO 型含7%钼的超级奥氏体不锈钢,而铁素体

3、不锈钢和双相不锈钢则因延伸率低而不适于这种应用。但由于强度较高,这些钢在冷成型处理时需要更大的初始力。同时,这些高合金不锈钢具有较高的加工硬化速率。在进行加工制造时应给予注意。图2和图3分别表示了254SMO和654SMO 在冷变形情况下硬化情况。图2(14254SMO 在冷加工后的机械性能图3(15654SMO 在冷加工后的机械性能超级奥氏体不锈钢可以在冷加工条件下使用,性能不会有太大变化。但冷加工部件一旦经受象焊接之类的热加工及热操作就会加快金属中间相的析出。因此,当用于压力容器时,规范中一般均有一些限制,如通常限制最大允许冷加工量为15%等等。4.3切削加工奥氏体不锈钢的切削性之所以相对

4、较差是因为它的高延展性,高度加工硬化和低热传导率。特别是那些含钼和含氮量较高的钢种。尽管如此,阿维斯塔谢菲尔德有限公司还是为这些材料开发出了一些适表10不同种类的焊接接头设计焊接接头设计应用范围及注意事项种类一(见图5(a 对接接头,可用于钨极惰性气体保护电弧焊,熔化极惰性气体保护电弧焊和涂药焊条手工电弧焊接。种类二(见图5(b 单相V 型接头,适应于4至12毫米厚的板材。种类三(见图5(c 双相V 型接头,适应于厚于12毫米的板材。种类四(见图5(d U 型接头,单相坡口焊缝,为厚于20毫米的板材而设计,此设计能减少焊接时间和填充焊材。种类五(见图5(e U 型接头,双相坡口焊缝,为厚于20

5、毫米的板材而设计。种类六(见图5(f J 型接头,单相坡口焊缝,为厚于20毫米的板材而设计,此设计能减少焊接时间和填弃焊材。种类七(见图5(g 能满足完全充分焊透的角焊缝的设计。充分焊透可提供最大的强度,同时也能避免可能出现的缝隙。种类八(见图5(h 普通角焊缝,角焊缝尺寸应最薄部件的0.71.0倍,此种接头不能承受机械疲劳的负载。而且,必须将微小缝隙清除掉以防止腐蚀的发生。图5(16焊接接头设计方案用的切削工序从而使其达到可以接受的切削性。虽仍不及普通奥氏体不锈钢切削性,但已超过镍基合金的切削性。通过选择适当的加工工具及最佳切削参数可以改善其有限的切削性能。图4表示了254SMO 与316L

6、 相比的相对切削性能指数。该指数越高,说明材料的切削性能越接近316L 的切削能力。由此可以看出,254SMO 的切削性能虽比316L 的要差一些,但差距并不是很大。图4相对切削性指数,刀具为高速工具钢4.4焊接如今,6钼和7钼超级奥氏体不锈钢通过长期的焊接实践证实用目前常用的焊接方式可以获得令人完全满意的焊缝。实际上只要遵照镍基填充料的特殊要求,焊接操作与标准奥氏体不锈钢的操作很相似。对于超级奥氏体不锈钢,须注意的是与凝固有关的两种现象,即微小热裂现象以及元素偏析现象。超级奥氏体不锈钢因为是完全奥氏体型凝固所以比普通的304和316型奥氏体不锈钢更容易发生微小热裂现象。6钼不锈钢也不象310

7、S (25-20等耐热不锈钢那样对热裂敏感。但是,通常用于这类型不锈钢的镍基填充料可能会在焊缝中形成较容易出现微小热裂纹的化学成分。为了避免或减少热裂现象,应使用较低的线能量进行焊接,且对接头设计要求也比较高。虽然焊接超级奥氏体不锈钢有许多特殊的要求,但只要遵循焊接操作规程,就能取得完好的焊接结果。不会出现上述问题。下面就以焊接254SMO为例,将有关超级奥式体不锈钢的焊接原理与工艺方面的情况作一介绍。其中所使用的许多焊接数据是阿维斯塔谢菲尔德有限公司研究开发部和阿维斯塔焊材有限公司(Avesta Weld2 in g AB多年来合作研究和实践的结果。如何焊好超级奥氏体不锈钢,如254SMO,

8、焊接接头设计是很关键的。下面仅举出八个较常见的例子,见图5。这些接头设计的基本原则是保证充分焊透,较完全的气体覆盖和最小的线能量。图5中接头设计的注意事项,在表10中作了概括性的介绍。接头设计种类二至八,均可用钨极惰性气体保护电弧焊和涂药焊条手工电弧焊进行根部焊道焊接。一旦根部焊道完成,就可用钨极惰性气体保护电弧焊,溶化极惰性气体保护电弧焊和涂药焊条手工电弧焊进行填充焊接。焊接超级奥氏体不锈钢254SMO,最理想的焊接方法是钨极惰性气体保护电弧焊。当焊缝背面或另一面不易接近时,在根部焊道要使用100%氩气作为净化和保护气体。如果采用涂药焊条手工电弧焊,并且焊缝背面或另一面不易接近时,则应采用直

9、径为2.5毫米的焊条来进行根部焊接。每一焊道,都要尽量保证成直线。过大的摆动会造成过高的线能量。焊接间隔的选择应以尽量减小内应力为主。接头的设计或改动应以保证完全充分焊透为主要指导思想。焊接超级奥氏体不锈钢的方法与焊接普通奥氏体不锈钢的方法无明显的差别。常用的焊接方法有:钨极惰性气体保护电弧焊(GTAW/T I G熔化极惰性气体保护电弧焊(GMAW/M I G涂药焊条手工电弧焊(SMAW以上方法均可被用来焊接超级奥氏体不锈钢,其它如等离子弧焊(PAW等也常常采用。以下是一些主要焊接方法的简单介绍。(a钨极惰性气体保护电弧焊在采用钨极惰性气体保护电弧焊时,可以选用图5中任意一种焊接接头设计。应该

10、注意的是表面,坡口预先处理,校整,根部间距等等。同时也要有一个垫板,以便于在进行定位焊时有较好的背面气体保护。此时常采用氩气作为保护气体。钨极顶角的角度对控制电弧有很大影响。采用自动焊时,对焊透深度又有很大的影响。一般情况下,顶角角度应控制在3060之内。焊前最好进行几个小试验以找出最佳角度。钨极惰性气体保护电弧焊常用的焊接系数在表11中给出。表11钨极惰性气体保护电弧焊常用焊接系数电流(安培电压(伏速度(毫米/秒4016071314(b熔化极惰性气体保护电弧焊使用熔化极惰性气体保护电弧焊时,可采用短路过渡,脉冲过渡和喷射过渡等三种不同的熔滴形式。焊接参数如电流和电压等也随着熔滴过渡形式和焊丝

11、尺寸等而变化。焊接254SMO时,不同过渡形式的典型焊接参数分别在表12和表13中给出。使用表12中的焊接系数时,应用纯度为99.95%的氩气作为保护气体。气体速度一般为1622升/分。表12短路过渡时的焊接系数焊丝直径(毫米电流强度(安培电压(伏1.09013019221.21101402022表13喷射过渡时的焊接系数焊丝直径(毫米电流强度(安培电压(伏1.0170200281.2220280301.628033031使用表13中的焊接系数时,保护气体应为纯度为99.95%的氩气。气体速度一般为1222升/分。一般情况下,熔化极惰性气体保护电弧焊所需的焊材尺寸比钨极惰性气体保护电弧焊的要小

12、,一在采用熔化极惰性气体保护电弧焊时,可以选用图5中任意一种焊接接头设计。应该注意的是表面,坡口预先处理,校整,根部间距等等。同时也要有一个垫板,以便于在进行定位焊时有较好的背面气体保护。此时常常采用氩气作为保护气体。(c涂药焊条手工电弧焊涂药焊条手工电弧焊采用的是涂药焊条。药层的作用是稳定电弧,保护熔池,同时也起着保护焊缝凝固的作用。在进行涂药焊条手工电弧焊时,电流强度是保证焊缝质量的一个重要参数。而电流的大小又是随焊条的尺寸而变化的。表14中给出了一些较常见焊条所需的电流强度。电流的选用还应以保证平稳的电弧和较好的母材熔化为准。在任何情况下,线能量均不应超过1.5千焦/毫米。另外,薄于2.

13、5毫米厚的254SMO板材(或其它6钼超级奥氏体不锈钢不易于使用涂药焊条手工电弧焊进行焊接。表14焊接254SMO时不同尺寸的涂药焊条所需的电流焊条直径(毫米电流强度(安培2.025452.540703.2560954.090135在气焊含钼量高的超级奥氏体不锈钢时,如果不用填充金属,在焊缝部位会出现较大的钼元素偏析。在贫钼部位,局部临界点腐蚀温度就相对来说较低。因此对由氯化物而引起的点蚀的抵抗性也变得较差。为了避免耐局部腐蚀抵抗能力的降低,应该使用特殊的焊接材料。填料的钼含量要比母材要高,最好使用镍基合金。焊接超级奥氏体不锈钢所需要的,较常见的两种填充金属,P12R和P16,是阿维斯塔焊材有

14、限公司为焊接超级奥氏体不锈钢专门研究和生产的。包括焊丝和涂药焊条等形式。表15中给出了几种焊材的主要化学成分。在AWS A5.4/A5.11标准中,P12和P12R涂药焊条的牌号为ENiCr2 Mo-12。在AWS A5.9/A5.14标准中,P12和P12R焊丝的牌号为ER NiCrMo-3。表15超级奥氏体不锈钢焊材的主要化学成分wt.%碳硅铬镍钼锰铌AveataP12P12RP16应注意到P12和P12R的主要区别在于P12是含元素铌的。一般情况下,使用两种焊材都能得到较好的焊接结果。但如果使用条件苛刻,而且是焊接氮含量较高的超级奥氏体不锈钢时,则建议使用不含铌的填料,如P12R或P16

15、。如果焊缝金属中铌含量过高,就会形成氮化铌沉淀化合物,从而引起焊缝部位性能的退化。这些填充金属也可被用于超级奥氏体不锈钢与其它材料的焊接,如镍基合金,其它不锈钢,低合金钢和碳钢。对于254SMO可用P12和P12R。在一般情况下,如果应用条件容许的话,也可采用Avesta P5(E309L Mo。这是一种比较经济的焊材。另外,涂药焊条应以密封形式包装的,并应储存在温暖干燥的地方。就一般应用而言,焊接超级奥氏体不锈钢时,即不需预热也不需焊后热处理。但如在室外焊接时,天气较冷,这时容易出现冷凝现象。此时有必要进行预热。温度接近室温即可,同时要注意整个受热部件温度分布要均匀。如采用火焰预热,应注意多

16、在较厚部位加热。从而避免焊口部位有渗碳现象出现。焊后热处理一般情况下也是不需要的。然而,如采用不需要填充金属的气体焊接方法,为了保证焊后耐腐蚀性能,特别是为了恢复焊缝部位的抗点腐蚀性能,则需要进行焊后热处理。温度范围为11501200,完全加热后要进行快速冷却,最好是水冷。如是多层焊接,间层温度应保持在100以下。无论是采用哪一种焊接技术,焊后都要进行清洗。所有焊渣,飞溅物,污点和氧化膜色等等都要除掉。清除方法包括机械清除和化学清除两种。常用的机械清除有:打磨,抛光和喷砂丸等。打磨时,应在不增加工时的情况下,尽量采用精细打磨。所要注意的是应该避免使用铁刷子,以防止表面被污染而生锈。此时如果焊道

17、处于有氯离子存在的使用环境中,就会有产生局部腐蚀的危险。为了取得最好的抗腐蚀性能,必须除去焊后的表面氧化层。最好的方法是将其泡在混合酸中。化学清洗常用是由约20%硝酸,5%氢氟酸和水组成的清洗液。同时也可用Avesta SMO酸洗膏。超级奥氏体不锈钢对酸的抵抗性极强,因此最有效的方法看来可以是将机械打磨、不锈钢刷磨或磨光、浸泡等几种方式结合起来。5超级奥氏体不锈钢的应用业绩5.1化学工业含6%钼和7%钼的超级奥氏体不锈钢,已在化学工业中普遍使用(17。现例举如下。湿法工业磷酸(WPA根据其不同杂质的含量,有时会具有很强的腐蚀性,而杂质含量又取决于加工中的原始磷矿石。表6(见本文第3.1节中列举

18、了两种较典型的湿法工业磷酸。其氯离子和氟离子浓度是不同的。但其腐蚀性都是很强的。在瑞典他们选用了6钼超级奥氏体不锈钢254SMO来制造这个新的,体积为1600立方米的湿法工业磷酸储罐。该储罐建于80年代中期,至今使用情况良好。磷酸厂的氟硅酸反应器中二氧化硅沉淀物通过整个过程(特别是在反应器中形成坚硬的带有粘性的沉淀物。反应器是由橡胶作内衬的,但要除去二氧化硅沉淀物,需经机械处理,维护工作要求高。用904L制作的管件仅使用了大约一年。由254SMO型超级奥氏体不锈钢制成的两个反应器是于1983年6月安装,它们在以后的5年中仍然状况完好。另外,由254SMO制成的一个离心筐是于1982年安装的。结晶器是用316L制成的。现场腐蚀挂片测试显示含7%钼的654SMO作为反应器的材料更加理想。氯酸钠和氯酸钾在生产程序上是几乎完全一样的。有几个步骤是在氯化物含量高达10%的偏中性(p H67强氧化溶液中进行的。该溶液很容易使不锈钢在其