鎳基合金ENiCrMo-10焊條的研制

陳燕， 張學剛， 陳波， 陳佩寅， 王猛

(哈爾濱威爾焊接有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150028)

0 前言

ENiCrMo-10焊條可用于哈氏合金C22以及超級奧氏體不銹鋼UNS N08367等合金的焊接，被廣泛應用于酰胺加熱器、煙氣脫硫系統(tǒng)、海水管道系統(tǒng)、酸洗系統(tǒng)以及復雜的制藥反應器的制造[1-4]。因此大量的管道焊接對焊條的焊接工藝性提出了較高的要求，同時工程應用環(huán)境對焊縫的耐腐蝕性及抗裂性能也提出了很高的要求[5]。

目前工程上大都采用進口焊材[6]。為了實現焊條的國產化，平、立焊工藝性的進一步改善，耐腐蝕性能的提高，抗裂性能的穩(wěn)定都是目前國產ENiCrMo-10焊條需要解決的問題。

1 試驗要求與方法

1.1 技術要求

熔敷金屬主要化學成分及焊態(tài)力學性能的要求見表1、表2所示。側彎試樣彎曲180°后，受拉伸面上不允許出現超過3個長度在0.4 ～ 2.5 mm的裂紋。按照ASTM G48—2011《使用氯化鐵溶液測定不銹鋼和有關合金耐點腐蝕和縫隙腐蝕的標準試驗方法》標準中A法的要求進行試驗，要求表面無點腐蝕，且試樣平均腐蝕速率≤4 g/m2。按照ASTM G28—2002《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標準試驗方法》標準中A法的要求進行試驗，腐蝕速率≤12 mm/年。

表1 熔敷金屬主要成分(質量分數，%)

表2 熔敷金屬力學性能要求

1.2 試驗方法

采用表3的工藝參數進行焊接。熔敷金屬拉伸及彎曲試驗按照AWS B4.0M—2007《焊縫的機械測試方法標準》的要求進行。

表3 焊條電弧焊焊接工藝參數

晶間腐蝕試驗按照ASTM G28—2002《鍛制高鎳鉻軸承合金晶間腐蝕敏感性的檢查用標準試驗方法》標準中的A法進行，腐蝕液為沸騰的硫酸鐵-50%硫酸溶液，試驗周期為24 h。試樣尺寸為30 mm×20 mm×3 mm，狀態(tài)為焊態(tài)。點腐蝕試驗按照ASTM G48—2011《使用氯化鐵溶液測定不銹鋼和有關合金耐點腐蝕和縫隙腐蝕的標準試驗方法》標準中的A法進行，腐蝕液為6%的FeCl3溶液，在50±2 ℃恒溫水浴槽中連續(xù)浸泡72 h。試樣尺寸為50 mm×25 mm×3 mm，狀態(tài)為焊態(tài)。

采用掃描電鏡對室溫拉伸斷口，焊縫腐蝕前、后的試樣進行形貌及能譜分析。

2 試驗結果與分析

2.1 焊條工藝性能

所研制的ENiCrMo-10焊條平焊、立焊的工藝性優(yōu)良。平焊時，電弧穩(wěn)定、渣覆蓋完整、焊道波紋細密、飛濺較小、易脫渣；立焊時，電弧吹力適中、焊縫金屬不下淌、熔池清晰，熔滴主要過渡方式為細顆粒過渡。圖1a～1c分別為平焊脫渣前、后及立焊的宏觀形貌。

圖1 焊條焊接的宏觀形貌

2.2 力學性能

熔敷金屬室溫拉伸及側彎結果均滿足技術要求，室溫拉伸試驗結果見表4。多批次試驗結果表明，拉伸及側彎試樣的受拉面上均未發(fā)現裂紋，具有較為穩(wěn)定的抗裂性能，試驗后試樣表面形貌分別如圖2、圖3所示。

表4 熔敷金屬力學性能

圖2 拉伸試驗后形貌

圖3 熔敷金屬側彎試驗結果

對室溫拉伸斷口進行掃描電鏡分析，為韌性斷裂，組織為典型的韌窩形貌，韌窩分布均勻且數目較多，如圖4所示。

圖4 拉伸斷口形貌

2.3 腐蝕試驗

三氯化鐵點腐蝕試驗后，試樣六個面均未發(fā)現明顯的點蝕坑，如圖5所示，平均腐蝕速率為1.1 g/m2，滿足要求≤4 g/m2。

圖5 點腐蝕試驗后形貌

硫酸—硫酸鐵晶間腐蝕試驗過程中，溶液顏色未發(fā)生變化，24 h后腐蝕速率為0.59 mm/年，滿足技術要求≤12 mm/年。采用掃描電鏡對腐蝕前、后的形貌進行了分析，并對主要元素進行了面掃描能譜分析。腐蝕前、后的典型形貌見圖6所示，其中圖6b中未出現晶間腐蝕形貌，只在局部出現了少量直徑約為5 μm的腐蝕孔洞。腐蝕前、后主要元素的面掃描定量分析結果見表5所示，表明經過硫酸-硫酸鐵腐蝕后Mo的含量從腐蝕前的16.24%降到了腐蝕后的11.00%。

圖6 晶間腐蝕前、后SEM形貌

表5 腐蝕前、后主要元素含量(質量分數，%)

3 討論

研制的ENiCrMo-10焊條采用CaO-CaF2-TiO2-SiO2堿性渣系。為了解決鎳基焊條存在的熔渣覆蓋不好，平焊粘渣等問題[7]，除了控制大理石、氟化物及硅酸鹽的比例，以期改善熔渣的流動性，使熔渣在焊縫上的覆蓋趨于均勻，還需要在藥皮中加入約20%的金屬粉，如硅鐵、鈦鐵，錳鐵降低焊縫金屬中氧的含量，同時起到穩(wěn)定電弧、改善熔滴過渡及焊縫成形的作用。

合理地控制熔敷金屬中Mo，Cr，W元素含量，進一步增強焊條的耐腐蝕性能。Ni-Cr-Mo合金中以高Cr抗氧化性腐蝕，以高Mo，W元素抗還原性腐蝕[8-9]。ENiCrMo-10焊條焊接后熔敷金屬在冷卻過程中，由于Mo元素含量較高會在高能量的晶界上析出穩(wěn)定的金屬間拓撲緊密堆積相(TCP)[10]，按ASTM G28 A法進行試驗時，在氧化性的濃硫酸中Mo元素被優(yōu)先腐蝕，因此掃描電鏡能譜分析后(見表5)，發(fā)現腐蝕后的Mo元素含量出現了下降。

ENiCrMo-10焊縫由于在較低溫度下可能會形成TCP相，存在較高的凝固裂紋敏感性[11]。為了更好地避免凝固裂紋，需要控制其成分及焊接工藝。為此控制焊縫的S≤0.005%，P≤0.010%，B≤0.000 5%。并制定合理的焊接工藝，采用低熱輸入量進行焊接[12-13]，控制焊縫熔池的形狀，使之呈現凸形輪廓。焊縫熔池的宏觀形狀會影響凝固裂紋敏感性[14-17]，當呈現凹形表面時，通常會使焊縫表面處于拉伸狀態(tài)，當呈現凸形表面時，則會使焊縫表面處于壓縮狀態(tài)，能有效地抑制裂紋的產生。

4 結論

(1)通過控制藥皮中大理石、氟化物及硅酸鹽的比例，添加約20%的金屬粉，改善熔渣流動性，得到平、立焊工藝性優(yōu)良的ENiCrMo-10焊條，已得到工程應用。

(2)研制的ENiCrMo-10焊條具有較好的耐晶間腐蝕、耐點腐蝕性能及抗裂性能，能夠滿足工程要求。能譜分析發(fā)現，按ASTM G28 A法進行腐蝕試驗后，在氧化性的濃硫酸中Mo被優(yōu)先腐蝕。