0Cr18Ni9Cu3型奧氏體不銹鋼化學成分對焊縫質(zhì)量的影響

王澤蔭，李宗義

（甘肅機電職業(yè)技術(shù)學院，甘肅 天水 741001）

不銹鋼因其良好的耐腐蝕性、較高的塑性和韌性而廣泛應(yīng)用于機械、石油、化工、食品、醫(yī)藥等行業(yè)。在發(fā)達國家，每年消耗的不銹鋼中約有70%是奧氏體不銹鋼，在國內(nèi)，奧氏體不銹鋼的消耗量達到了不銹鋼總消耗量的65%左右。

18-8型奧氏體不銹鋼是奧氏體不銹鋼中具有代表性的系列，該類鋼材具有較好的耐腐蝕性能、耐熱性能、力學性能和焊接性能，便于進行機械、沖壓和焊接加工。本研究以0Cr18Ni9Cu3奧氏體不銹鋼為例，闡述其化學成分對焊縫質(zhì)量的影響。

1 0Cr18Ni9Cu3奧氏體不銹鋼的化學成分

0Cr18Ni9Cu3奧氏體不銹鋼的主要化學成分見表1[1-2]。

表1 0Cr18Ni9Cu3不銹鋼主要化學成分%

2 化學成分對焊縫質(zhì)量的影響

2.1 C

在0Cr18Ni9Cu3奧氏體不銹鋼中，w（C）≤0.08%，由于C的存在，焊接時可導(dǎo)致在焊縫金屬的晶界與亞晶界處產(chǎn)生晶間腐蝕，最終導(dǎo)致產(chǎn)生焊接裂紋，晶間腐蝕的顯微結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。產(chǎn)生晶間腐蝕的原因是奧氏體不銹鋼在450～850℃時，過飽和的C向奧氏體晶粒邊界擴散，并與晶界處的Cr化合形成碳化鉻 （Cr23C6）。由于Cr在奧氏體中的擴散速度小于C的擴散速度，使得晶界處的Cr得不到及時補充，造成奧氏體晶粒邊界處貧Cr富C。當晶界附近的w（Cr）≤12%時，不銹鋼就失去了抗腐蝕能力，將會在腐蝕介質(zhì)的作用下產(chǎn)生晶間腐蝕。受到晶間腐蝕的不銹鋼，從表面上看奧氏體不銹鋼在焊接過程中，有兩次溫度將會處于450～850℃，一次是加熱熔化過程，一次是冷卻結(jié)晶過程，對焊縫質(zhì)量起決定性作用的是冷卻結(jié)晶過程。450～850℃溫度段被稱為產(chǎn)生晶間腐蝕的“危險溫度區(qū)”，如果在危險溫度區(qū)的停留時間保持十幾秒鐘以上，產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向就會大大增加。因此，不銹鋼在冷卻至450～850℃時，可采用風冷等形式來減小焊縫在這一溫度區(qū)間的停留時間，也可采取控制含C量、以N代C、形成焊縫雙相組織、加快冷卻速度以及焊后熱處理等措施予以解決。

圖1 晶間腐蝕的顯微結(jié)構(gòu)

2.2 Si

Si在不銹鋼中起脫氧作用，可有效去除焊縫中的有害氣體，防止氣孔和氧化物的生成。當w（Si）為0.10%～0.30%時，能起到細化晶粒的作用，在一定范圍內(nèi)使鋼材強度提高，而塑性和韌性等有所降低；當Si含量過高時（w（Si）＞1%），則會使鋼材變脆，可焊性和抗銹蝕性能降低，但隨著w（Si）的提高，奧氏體不銹鋼對濃硝酸的耐腐蝕能力會有所提高。由表1可知，0Cr18Ni9Cu3不銹鋼中的Si含量相對較高，表明該鋼種適用于濃硝酸環(huán)境。在焊接時，需通過制定合理的工藝來保證材料的焊接性和焊后力學性能（塑性和韌性）。

2.3 Mn

Mn具有很好的脫氧作用，奧氏體不銹鋼中加入較多的Mn，在某種程度上可減少Ni的含量，起到降低成本的作用。但Mn具有固溶處理后提高焊縫抗拉強度和冷加工硬化的作用，抗拉強度值一般為800～1100 MPa，冷加工強化系數(shù)K＞15，并且提高后的強度和硬度值很難再降低，同時Mn可促進奧氏體晶粒的長大，粗大的晶粒組織會降低材料的塑性和韌性，這意味著焊縫金屬抵抗外界沖擊載荷的能力降低。Mn形成的化合物對晶間腐蝕很敏感，易產(chǎn)生裂紋缺陷，即使加入穩(wěn)定化元素也無法改變其敏感性。

因此，在選擇焊接材料（母材、焊材、輔助材料）時，必須根據(jù)國家標準，選擇合格材料。

2.4 S

在熱加工（冶煉、焊接、鍛造等）過程中，S與Fe將會形成低熔點（950～1190℃）的化合物FeS及FeS-Fe共晶體，在焊接時，這些共晶物首先成為液態(tài)流失，在隨后的冷卻過程中受收縮拉應(yīng)力的作用發(fā)生熱開裂，形成熱影響區(qū)液化裂紋。熱影響區(qū)液化裂紋的顯微結(jié)構(gòu)如圖2所示[3-4]。

圖2 液化裂紋的顯微結(jié)構(gòu)

GB 50017—2003《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》明確要求控制S的含量。由表1可知，0Cr18Ni9Cu3不銹鋼中的S含量和優(yōu)質(zhì)碳素鋼的含量基本一致，因此，S對不銹鋼焊縫金屬的性能影響不大。

為了消除S的有害作用，必須增加鋼材中的Mn含量。Mn與S將會優(yōu)先形成高熔點（1 620℃）的MnS，并呈粒狀分布在晶粒內(nèi)，它在高溫下具有一定塑性，從而避免了熱脆性。

2.5 P

P具有強烈的固溶強化作用，使鋼材的強度和硬度增加，但塑性和韌性則顯著降低。這種脆化現(xiàn)象在低溫時更為嚴重，故稱為“冷脆”?！袄浯唷碑a(chǎn)生的裂紋如圖3所示。

圖3 “冷脆”產(chǎn)生的裂紋

“冷脆”對在高寒地帶和其他低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)件具有嚴重的危害性，因此，一般希望冷脆轉(zhuǎn)變溫度低于工件的工作溫度，以免發(fā)生冷脆。但P在結(jié)晶過程中，由于容易產(chǎn)生晶內(nèi)偏析，使局部地區(qū)含P量偏高，導(dǎo)致冷脆轉(zhuǎn)變溫度升高，從而發(fā)生冷脆。所以，在進行焊接加工時，首先要選擇合格的材料（包括焊材、母材等），其次要選擇合理的工藝參數(shù)，必要的話，還需進行焊后處理。

2.6 Cr

Cr是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素，是各種添加元素中含量最高的，不銹鋼之所以能夠抗腐蝕，是由于 Cr的存在。 Cr抗腐蝕的機理是Cr和C可以形成穩(wěn)定的鈍化組織，其主要成分是Cr23C6，這種組織具有很好的抗腐蝕性、抗氧化性、抗硫化和抗融鹽腐蝕等性能。

對于奧氏體鋼來說，只要奧氏體不銹鋼保持完全奧氏體組織而沒有δ鐵素體等的形成，僅提高奧氏體鋼中的Cr含量對材料的力學性能不會產(chǎn)生顯著影響。當奧氏體鋼中還存在Ni，Mo和Cu等元素時，在幾種元素的復(fù)合作用下，奧氏體不銹鋼的耐酸性和耐堿性將會大大提高。當鋼中同時有Mo和N存在時，Cr的這種性能會進一步加強。同時,Cr還可防止奧氏體不銹鋼及合金中由于Ni含量提高而容易出現(xiàn)晶間型應(yīng)力腐蝕的傾向。

2.7 Ni

Ni也是奧氏體不銹鋼中的主要合金元素，Ni的加入，使得合金的γ區(qū)擴大到室溫以下，促使晶體結(jié)構(gòu)從體心立方(BCC)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?FCC)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為奧氏體。因此這類鋼材在室溫下的平衡組織是單項奧氏體，也就是說，Ni是形成奧氏體鋼的決定性元素。焊縫金屬中Ni的質(zhì)量分數(shù)提高，則焊縫金屬可成為穩(wěn)定的奧氏體組織，馬氏體脆化層隨之減少，焊縫金屬的力學性能得到了改善。

Ni對酸性物質(zhì)和堿性物質(zhì)有較高的耐腐蝕能力，在高溫下有防銹和耐熱能力。Ni還可提高鋼材的韌性和延展性，使之更易于加工、制造和焊接。

由于Cr和Ni是不銹鋼中的兩種主要添加元素，因此，在工業(yè)生產(chǎn)中總是將其他元素的質(zhì)量分數(shù)折合成Cr當量和Ni當量來表述不銹鋼中合金元素的質(zhì)量分數(shù)，其表達式為

Creq=Cr+1.37Mo+2Nb+1.5Si+3Ti；

Nieq=Ni+22C+0.31Mn+Cu+14.2N。

2.8 Cu

Cu除了可以提高鋼材的耐酸堿性外，還可降低鋼材的冷加工硬化率，改善冷頂鍛和冷成形性能，提高焊縫的耐腐蝕能力，尤其是耐鹽霧腐蝕的能力。

隨著Cu含量的增加，在進行熱加工時，要考慮適當降低加熱溫度，工藝操作不當極易造成鋼坯角裂和表面裂紋。

奧氏體不銹鋼中加入Cu還可起到很好的抗菌作用，這是由于ε-Cu具有極強的殺菌作用，奧氏體不銹鋼的減菌率為99%。

2.9 其他

0Cr18Ni9Cu3不銹鋼中除了上述合金元素外， 還存在 Mo， N， Ti， Nb， Al， Se， Pb， Ce，Yb和La等多種元素，這些元素的存在，很大程度上改善了鋼材的耐腐蝕性能、機械切削性能和抗氧化性能。

不銹鋼是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一定的合金元素而形成的，因而鐵素體（F）也是不銹鋼中的一種主要組織成分，鐵素體的體積分數(shù)為5%～25%。奧氏體鋼中鐵素體含量的多少直接關(guān)系到鋼材和焊縫的抗熱裂性、δ相脆變和熱強性。從抗熱裂性出發(fā)，要求焊縫金屬內(nèi)含有一定量的鐵素體，但從δ相脆變和熱強性來考慮，要求鐵素體含量越低越好。因此，對于高溫強度要求較高的焊接接頭，必須嚴格控制鐵素體含量[5-10]。

3 結(jié) 語

除上述元素外，奧氏體不銹鋼中還存在如N、稀土等微量元素，這些元素對不銹鋼的性能都會產(chǎn)生不同程度的影響。當多種元素共存于不銹鋼這個統(tǒng)一體中時，其影響要比單獨存在時復(fù)雜得多，因為在這種情況下不僅要考慮各元素自身的作用，而且還要注意其相互間的影響。

奧氏體不銹鋼在進行焊接時，除了材質(zhì)本身對焊縫質(zhì)量會產(chǎn)生影響外，焊接材料、焊接輔料、焊接工藝及操作者的水平均會對其產(chǎn)生影響。

[1]尹士科.焊接材料手冊［M］.北京：中國標準出版社，2010.

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