EQ2594焊帶電渣堆焊方法獲得超級(jí)雙相不銹鋼耐蝕合金堆焊層的性能評(píng)估

供稿|Johan L?thman, Anders Waller?, Ola Runnerstam, 張懷征 / ZHANG Huai-zheng

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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)圖2)。

SDSS焊接材料牌號(hào)目前僅有焊絲(ER2594)和焊條(E2594)兩種形式的產(chǎn)品。之前超級(jí)雙相不銹鋼表面堆焊只能采用絲極埋弧焊、手工電弧焊或者氬弧焊，生產(chǎn)效率較低，因此SDSS尚未能有效替代奧氏體不銹鋼和鎳基合金等埋弧焊(SAW)或電渣堆焊(ESW)焊帶材料。目前EQ2594焊帶已推向市場(chǎng)，使用這款超級(jí)雙相不銹鋼焊帶，進(jìn)行帶極電渣堆焊可以極大提高表面堆焊的生產(chǎn)效率。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測(cè)量和分析。

圖1 不同不銹鋼母材和焊縫的臨界點(diǎn)蝕溫度

圖2 SDSS和奧氏體不銹鋼的熱膨脹性與碳鋼的比較

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評(píng)估母材未經(jīng)過(guò)或者經(jīng)過(guò)熱處理情況下的焊接工藝(參見(jiàn)表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(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化學(xué)成分詳見(jiàn)表2。

表1 測(cè)試中的ESW焊帶使用順序

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(guò)渡層再堆焊兩層EQ2594的表面焊層化學(xué)成分基本一致。在這兩種情況下，PRE 值都達(dá)到了41(參見(jiàn)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(jiàn)表4)。

微觀組織

在對(duì)母材未經(jīng)熱處理和經(jīng)過(guò)熱處理(第一層使用過(guò)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)以及鐵素體含量30%左右的鐵素體-奧氏體組織(參見(jiàn)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 μm)(詳見(jiàn)表5)。

表2 測(cè)試中使用的焊帶化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表3 表面焊層沉積物的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))%

表4 鐵素體含量

圖3 (a) 第一層和第二層為Sandvik 25.10.4.L 的微觀結(jié)構(gòu)；(b) 第一層為Sandvik 24.13.L，后兩層為Sandvik 25.10.4.L的微觀結(jié)構(gòu)

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 ℃環(huán)境下進(jìn)行，曝露時(shí)間最少為24 h(參見(jiàn)表6)。ASTM G48E方法中的臨界點(diǎn)蝕溫度(CPT)實(shí)驗(yàn)在40 ℃、45 ℃及 50 ℃三種不同的溫度下進(jìn)行(參見(jiàn)表7)。

表5 孔隙和σ相及氮化鉻情況

表6 對(duì)最上層進(jìn)行氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)(G48A法)

力學(xué)性能

通過(guò)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(jiàn)表8)。

表7 對(duì)最上層進(jìn)行氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)(G48E法)

表8 堆焊層4個(gè)樣本的平均拉伸強(qiáng)度

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 ℃(參見(jiàn)表9)。

表9 最上層在-46℃環(huán)境下的沖擊強(qiáng)度

側(cè)彎實(shí)驗(yàn)選取了3個(gè)試樣進(jìn)行，所有試樣均通過(guò)了測(cè)試(參見(jiàn)表10)。

表10 堆焊層的側(cè)彎實(shí)驗(yàn)

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(guò)渡層之后進(jìn)行焊后熱處理。在本次研究中，過(guò)渡層采用了309L(Sandvik 24.13.L)材料。如無(wú)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，鐵素體數(shù)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 ℃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 ℃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 MPa)和屈服強(qiáng)度(約670 MPa)。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 ℃下約為125 J。此外，所有樣品均通過(guò)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(guò)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 ℃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 ℃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，鐵素體數(shù)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 MPa，屈服強(qiáng)度670 MPa)，并展現(xiàn)出良好的延伸性，延伸率約為30%，在-46 ℃環(huán)境下沖擊強(qiáng)度為約125 J，已通過(guò)側(cè)彎試驗(yàn)。