SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼與304/304L不銹鋼性能對(duì)比分析

(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266426)

SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼與304/304L不銹鋼性能對(duì)比分析

吳瑞萍王天先王文利唐波濤

(青島蘭石重型機(jī)械設(shè)備有限公司，山東 青島 266426)

將SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼與普通304/304L奧氏體不銹鋼性能進(jìn)行對(duì)比分析，說(shuō)明SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼具備304不銹鋼的力學(xué)性能和304L不銹鋼的耐晶界腐蝕性能。通過(guò)采用焊條電弧焊(SMAW)、鎢極氬弧焊(GTAW)兩種焊接方法，對(duì)SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼、304L不銹鋼進(jìn)行焊接工藝性試驗(yàn)對(duì)比及實(shí)際產(chǎn)品的焊接應(yīng)用。結(jié)果表明，SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼接頭各項(xiàng)力學(xué)性能、-196 ℃低溫沖擊韌性及耐晶界腐蝕性能均滿足規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求。

雙牌號(hào)不銹鋼焊接工藝性耐晶間腐蝕性

0 序 言

隨著化學(xué)工業(yè)及石油化工行業(yè)的快速發(fā)展，不銹鋼材料的需求量越來(lái)越多，并且對(duì)不銹鋼材料提出了越來(lái)越苛刻的要求，既要保證不銹鋼材料的耐腐蝕性，而且也應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)中的強(qiáng)度要求。隨著不銹鋼冶煉技術(shù)的發(fā)展[1]，不銹鋼的力學(xué)性能已有了很大的提高，304L不銹鋼的碳含量遠(yuǎn)小于0.03%，但其強(qiáng)度值高于304不銹鋼的下限值，定義此種不銹鋼為304/304L雙牌號(hào)不銹鋼，也就是化學(xué)成分符合304L，而力學(xué)性能要滿足304不銹鋼[2]的要求。試驗(yàn)依托某公司涉外產(chǎn)品，材質(zhì)SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼，主要項(xiàng)目是對(duì)此種材料與普通304/304L不銹鋼材質(zhì)進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行焊接工藝性試驗(yàn)，掌握雙牌號(hào)不銹鋼的焊接工藝參數(shù)及焊接注意事項(xiàng)，最終完成雙牌號(hào)不銹鋼產(chǎn)品的焊接。

1 母材對(duì)比分析

試驗(yàn)所用母材為304不銹鋼、304L不銹鋼和SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼，交貨狀態(tài)均為固溶+酸洗狀態(tài)，304不銹鋼、304L不銹鋼和SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼是按照美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的不銹鋼牌號(hào)，均為奧氏體不銹鋼[3]材料。試件厚度為16 mm，其化學(xué)成分、力學(xué)性能標(biāo)準(zhǔn)范圍及復(fù)驗(yàn)實(shí)測(cè)值見(jiàn)表1～2。

表1 母材化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

通過(guò)母材復(fù)驗(yàn)結(jié)果可以看出，304不銹鋼近似中國(guó)的0Cr18Ni10不銹鋼，是最普遍使用的鋼種，其耐蝕性、耐熱性、低溫韌性、力學(xué)性能、常溫加工性能良好，熱處理后不產(chǎn)生硬化。304L不銹鋼為低碳304不銹鋼的變種，近似于中國(guó)的00Cr19Ni10不銹鋼，耐蝕性在普通狀態(tài)下與304不銹鋼相似，但較低的碳含量使其具有良好的抗晶間腐蝕性能[4]。304不銹鋼的抗拉強(qiáng)度較304L不銹鋼抗拉強(qiáng)度高約80 MPa，其力學(xué)性能良好，而304L不銹鋼碳含量低于304不銹鋼約0.05%， 說(shuō)明304L不銹鋼具有良好的抗晶間腐蝕性能[5]。

表2 母材力學(xué)性能

因此，SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼是集中了304不銹鋼良好的力學(xué)性能和304L不銹鋼優(yōu)質(zhì)的耐晶間腐蝕性能而研發(fā)的新牌號(hào)鋼種。適用于既有抗晶間腐蝕要求,又要有良好力學(xué)性能的特定介質(zhì)環(huán)境，具有良好的應(yīng)用前景。

2 焊接工藝性試驗(yàn)

2.1 焊接工藝參數(shù)的確定及試件的焊接

采用焊條電弧焊(SMAW)、鎢極氬弧焊(GTAW)[6]兩種焊接方法，分別對(duì)304L不銹鋼、SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼進(jìn)行了焊接性試驗(yàn)[7]。試件尺寸為800mm×150 mm×16 mm，各2對(duì)。為了防止母材金屬的氧化劑、鐵離子等污染，采用機(jī)加工的方法制備試件坡口[8]，具體坡口尺寸如圖1所示。SMAW采用牌號(hào)E308L、規(guī)格分別為φ3.2 mm，φ4.0 mm，φ5.0 mm的焊條進(jìn)行焊接，GTAW采用牌號(hào)ER308L、規(guī)格φ2.0 mm的氬弧焊絲進(jìn)行焊接[9]。焊接材料化學(xué)成分見(jiàn)表3。

圖1 試板坡口形式及尺寸

焊材牌號(hào)類別焊材直徑d/mm化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)CMnSiPSCrNiMoCuNER308L標(biāo)準(zhǔn)值2.0≤0.0301.0～2.50.30～0.65≤0.030≤0.03019.5～22.09.0～11.0≤0.750.75—實(shí)測(cè)值2.0 0.0171.880.51 0.026 0.01019.759.96 0.160.140.081E308L標(biāo)準(zhǔn)值實(shí)測(cè)值4.0≤0.0300.5～2.51.00≤0.040≤0.03018.0～21.09.0～11.0≤0.750.75—3.2 0.0241.220.67 0.021 0.00518.409.28 0.010.010.0504.0 0.0251.190.63 0.023 0.00419.329.75 0.020.020.0665.0 0.0211.170.70 0.025 0.00619.269.72 0.030.040.068

不銹鋼的焊接是一個(gè)快速加熱和快速冷卻的過(guò)程，若焊接熱輸入過(guò)低，冷卻速度較快，焊縫及熱影響區(qū)會(huì)產(chǎn)生較多的鐵素體，從而降低韌性。若焊接熱輸入過(guò)高，會(huì)使得焊縫在高溫區(qū)停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，使晶粒粗大，則接頭的抗腐蝕性及韌性將會(huì)大大降低。根據(jù)這一特性，SMAW及GTAW均采用小規(guī)范[10]、多層多道、較低焊接熱輸入[11]在室溫下進(jìn)行施焊[12]，并控制道間溫度≤100 ℃，GTAW時(shí)控制氬氣流量8～12 L/min,其具體焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

2.2 焊接工藝性試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用SMAW及GTAW[13]焊接的304L不銹鋼、SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼試件，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，按照GB/T 229—2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》進(jìn)行-196 ℃沖擊試驗(yàn)，其試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

兩種焊接方法的晶間腐蝕試樣各4件，按照ASTM A262 E法，經(jīng)硫酸-硫酸銅腐蝕[14]后，彎曲180°外表面均無(wú)晶間腐蝕產(chǎn)生的裂紋。兩種材料的焊縫區(qū)及熱影響區(qū)金相組織為奧氏體和少量鐵素體，焊條電弧焊焊縫中δ鐵素體呈網(wǎng)狀沿奧氏體晶界分布，熱影響區(qū)受焊接熱輸入的影響較大，晶粒較粗，鐵素體沿奧氏體晶界析出，GTAW焊縫區(qū)組織呈樹(shù)枝狀均勻分布在奧氏體基體上。母材區(qū)均為奧氏體組織。兩種焊接方法下的金相組織照片如圖2～3所示。

表4 焊接工藝參數(shù)

表5 不同焊接方法下力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

(1)304L不銹鋼、SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼在兩種焊接方法下焊接接頭的強(qiáng)度均高于標(biāo)準(zhǔn)要求，且有較多的富余量; 其中SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼焊接接頭GTAW的強(qiáng)度高于SMAW，GTAW接頭拉伸試樣的平均抗拉強(qiáng)度為602 MPa，斷于焊縫中心位置。兩種材料相比較，SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼力學(xué)性能更優(yōu)。

(2)焊縫及熱影響區(qū)的-196 ℃低溫沖擊吸收能量大于32 J，符合設(shè)計(jì)及技術(shù)要求，說(shuō)明接頭在超低溫的條件下具有良好的韌性。 SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼沖擊吸收能量稍高于304L不銹鋼。

(3)晶間腐蝕按ASTM A262 E法進(jìn)行，無(wú)晶間腐蝕發(fā)生。結(jié)果表明，304L不銹鋼、SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼的焊接接頭都具有良好的耐晶間腐蝕性能。

(4)母材金相顯示奧氏體基體上有少量鐵素體組織， 所以SA-240 304/304L鋼的硬度不高而塑性韌性較好。SMAW熱影響區(qū)組織如圖2f所示，GTAW熱影響區(qū)組織如圖3f所示，熱影響區(qū)經(jīng)歷了一次熱循環(huán)作用，加熱速度快，加熱溫度高,使得該區(qū)組織有長(zhǎng)大的趨勢(shì)，但冷卻速度快，高溫停留時(shí)間短，所以長(zhǎng)大的趨勢(shì)并不十分明顯。SMAW焊縫金屬的顯微組織如圖2e所示，GTAW焊縫區(qū)組織如圖3e所示，均是奧氏體基體上均勻分布一定數(shù)量的δ鐵素體，但是兩種焊接方法在焊縫中的δ鐵素體在分布形態(tài)和數(shù)量上有明顯的區(qū)別。SMAW焊縫中δ鐵素體呈網(wǎng)狀沿奧氏體晶界分布，GTAW焊縫區(qū)組織呈樹(shù)枝狀均勻分布在奧氏體基體上，GTAW焊縫區(qū)δ鐵素體含量比SMAWδ鐵素體含量高，所以GTAW接頭的強(qiáng)度高于SMAW。SMAW熱影響區(qū)受焊接熱輸入的影響較大，晶粒較粗，鐵素體沿奧氏體晶界析出，而沖擊性能低于GTAW，這是由于焊縫中含有一定量的δ鐵素體使其具有較低的熱裂紋敏感性。

圖2 304L不銹鋼及SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼SMAW微觀組織照片

圖3 304L不銹鋼及SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼GTAW微觀組織照片

(5)SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼SMAW焊縫金屬的硬度比GTAW硬度低。SMAW的焊接電流比GTAW的焊接電流大，隨著焊接熱輸入增大，加熱的最高溫度升高，高溫停留時(shí)間延長(zhǎng)，從而使冷卻速度變慢，淬硬傾向減小，也就使硬度和抗拉強(qiáng)度降低。兩種材料相比較，SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼硬度稍高于304L不銹鋼。

由以上結(jié)論得出,采用GTAW及SMAW兩種焊接方法焊接304L不銹鋼及SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼均能得到良好的焊接接頭，GTAW方法較優(yōu)，但綜合生產(chǎn)效率，實(shí)際生產(chǎn)中SMAW的應(yīng)用更廣。SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼力學(xué)性能、抗晶間腐蝕能力要優(yōu)于304L不銹鋼，在既要優(yōu)良的力學(xué)性能又要腐蝕要求的特定介質(zhì)環(huán)境中，雙牌號(hào)不銹鋼應(yīng)用前景更廣。

3 實(shí)際產(chǎn)品的焊接應(yīng)用

通過(guò)以上焊接性試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析和總結(jié)，并針對(duì)某公司涉外產(chǎn)品按照ASME《鍋爐及壓力容器規(guī)范國(guó)際性規(guī)范 第Ⅸ卷 焊接和釬接評(píng)定》要求，進(jìn)行了SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼的焊接工藝評(píng)定，制定了詳細(xì)的產(chǎn)品焊接工藝指導(dǎo)書(shū)。后經(jīng)實(shí)際產(chǎn)品系列工藝性試驗(yàn)及產(chǎn)品焊接試件的性能檢測(cè)，結(jié)果均滿足產(chǎn)品制造技術(shù)要求，如圖4所示。這就說(shuō)明SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼不僅具有良好的力學(xué)性能，還具有優(yōu)良的耐晶間腐蝕性能，其應(yīng)用范圍更廣。

圖4 SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼產(chǎn)品

4 結(jié) 論

(1)對(duì)于SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼，焊接時(shí)選用正確的焊接材料、合理的工藝參數(shù)以及合適的焊接方法就能得到既滿足性能要求又具有優(yōu)良耐晶間腐蝕性能的焊接接頭。

(2)SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼焊接時(shí)采用小的焊接熱輸入和多層多道焊工藝，其接頭-196 ℃低溫沖擊性能良好，抗拉強(qiáng)度高于標(biāo)準(zhǔn)值90 MPa，具有良好的力學(xué)性能。SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼焊縫金屬的顯微組織，均是奧氏體基體上均勻分布一定數(shù)量的δ鐵素體。

(3)304不銹鋼、304L不銹鋼、SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼化學(xué)成分、力學(xué)性能均滿足規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)要求。但是集力學(xué)性能及抗腐蝕性能綜合考慮， SA-240 304/304L雙牌號(hào)不銹鋼更優(yōu)。

[1] 肖紀(jì)美.不銹鋼的金屬學(xué)問(wèn)題[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2006:182-190.

[2] 趙 強(qiáng).304不銹鋼法蘭焊接裂紋分析及返修[J].焊接,2017(2)：54-56.

[3] 英國(guó)曼切特焊接材料公司. 液化天然氣(LNG)用超低溫不銹鋼的焊接及焊接材料[J]．機(jī)械工人，2005(8)：35-40.

[4] 梁潞華.304、304L、316、316L在化工容器上的應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備，2009(2):54-55.

[5] 黃有綱,趙起超.超長(zhǎng)細(xì)比超低碳不銹鋼精餾塔的焊接[J].焊接技術(shù),2012,41( 2):58-61．

[6] 趙雪勃,曹梅青.304L不銹鋼的鎢極氬弧焊工藝[J].焊接技術(shù),2011,40(7):20-22.

[7] 周振豐.焊接冶金學(xué)(金屬焊接性) [M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2003: 125-131．

[8] 中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì)．焊接手冊(cè):材料的焊接[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2001：201-205．

[9] 徐志明.鎢極氬弧焊在不銹鋼薄板焊接中的應(yīng)用[J].電焊機(jī),2005, 35(6):65-66．

[10] 劉玉英,李 斌,楊寶峰.手工鎢極氬弧焊的基本操作技術(shù)[J].焊接技術(shù),2007,36(2):4-6．

[11] 李亞江.焊接組織性能與質(zhì)量控制[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005:218-221.

[12] 徐文曉，徐文慧．奧氏體不銹鋼容器的焊接[J]．焊接技術(shù)，2006，35(5)：15-18.

[13] 李海新.厚板奧氏體不銹鋼焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].焊接,2017(6)：35-38.

[14] 羅 宏,龔 敏.奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕[J].腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),2006,18(5):357-360.

2017-02-20

TG444+.1

吳瑞萍，1985年出生，大學(xué)本科，工程師。主要從事壓力容器制造及焊接熱處理技術(shù)工作，已發(fā)表論文3篇。