鎳基合金ENiCrMo-10焊條的研制

陳燕 張學(xué)剛 陳波 陳佩寅 王猛

摘要： 鑒于目前工程上基本依賴進(jìn)口ENiCrMo-10焊材的現(xiàn)狀，開(kāi)展了ENiCrMo-10焊條的國(guó)產(chǎn)化研究。結(jié)果表明，通過(guò)調(diào)整藥皮中大理石、氟化物及硅酸鹽的比例，添加約20%的金屬粉，優(yōu)化熔渣流動(dòng)性，控制焊縫中S，P，B，Mo，Cr，W等元素的含量，研制的ENiCrMo-10焊條具有優(yōu)良的平、立焊工藝性，較出色的耐晶間腐蝕、耐點(diǎn)腐蝕及抗裂性能，能夠滿足工程應(yīng)用的技術(shù)要求。

關(guān)鍵詞： 鎳基合金焊條; 耐點(diǎn)腐蝕; 抗裂性能; 耐晶間腐蝕性能

中圖分類號(hào)： TG 422

Abstract： In view of the current situation that the project basically relies on imported ENiCrMo-10 welding materials， the research on the localization of ENiCrMo-10 electrode has been carried out. The results show that by adjusting the proportion of marble， fluoride and silicate in the coating， adding about 20% metal powder， optimizing the fluidity of slag， controlling the content of S， P， B， Mo， Cr， W and other elements in the weld， the ENiCrMo-10 electrode has excellent flat and vertical welding technology， excellent Intergranular corrosion resistance， pitting corrosion resistance and crack resistance， which can meet the requirements of engineering application.

Key words： nickel base alloy covered electrode; pitting corrosion resistance; crack resistance; intergranular corrosion resistance

0 前言

ENiCrMo-10焊條可用于哈氏合金C22以及超級(jí)奧氏體不銹鋼UNS N08367等合金的焊接，被廣泛應(yīng)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(fù)雜的制藥反應(yīng)器的制造[1-4]。因此大量的管道焊接對(duì)焊條的焊接工藝性提出了較高的要求，同時(shí)工程應(yīng)用環(huán)境對(duì)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(jìn)口焊材[6]。為了實(shí)現(xiàn)焊條的國(guó)產(chǎn)化，平、立焊工藝性的進(jìn)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(guó)產(chǎn)ENiCrMo-10焊條需要解決的問(wèn)題。

1 試驗(yàn)要求與方法

1.1 技術(shù)要求

熔敷金屬主要化學(xué)成分及焊態(tài)力學(xué)性能的要求見(jiàn)表1、表2所示。側(cè)彎試樣彎曲180°后，受拉伸面上不允許出現(xiàn)超過(guò)3個(gè)長(zhǎng)度在0.4 ～ 2.5 mm的裂紋。按照ASTM G48—2011《使用氯化鐵溶液測(cè)定不銹鋼和有關(guān)合金耐點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中A法的要求進(jìn)行試驗(yàn)，要求表面無(wú)點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中A法的要求進(jìn)行試驗(yàn)，腐蝕速率≤12 mm/年。

1.2 試驗(yàn)方法

采用表3的工藝參數(shù)進(jìn)行焊接。熔敷金屬拉伸及彎曲試驗(yàn)按照AWS B4.0M—2007《焊縫的機(jī)械測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行。

晶間腐蝕試驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的A法進(jìn)行，腐蝕液為沸騰的硫酸鐵-50%硫酸溶液，試驗(yàn)周期為24 h。試樣尺寸為30 mm×20 mm×3 mm，狀態(tài)為焊態(tài)。點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)按照ASTM G48—2011《使用氯化鐵溶液測(cè)定不銹鋼和有關(guān)合金耐點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)中的A法進(jìn)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(duì)室溫拉伸斷口，焊縫腐蝕前、后的試樣進(jìn)行形貌及能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)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(shí)，電弧穩(wěn)定、渣覆蓋完整、焊道波紋細(xì)密、飛濺較小、易脫渣;立焊時(shí)，電弧吹力適中、焊縫金屬不下淌、熔池清晰，熔滴主要過(guò)渡方式為細(xì)顆粒過(guò)渡。圖1a～1c分別為平焊脫渣前、后及立焊的宏觀形貌。

2.2 力學(xué)性能

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

對(duì)室溫拉伸斷口進(jìn)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(shù)目較多，如圖4所示。

2.3 腐蝕試驗(yàn)

三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)后，試樣六個(gè)面均未發(fā)現(xiàn)明顯的點(diǎn)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。

硫酸—硫酸鐵晶間腐蝕試驗(yàn)過(guò)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(shù)要求≤12 mm/年。采用掃描電鏡對(duì)腐蝕前、后的形貌進(jìn)行了分析，并對(duì)主要元素進(jìn)行了面掃描能譜分析。腐蝕前、后的典型形貌見(jiàn)圖6所示，其中圖6b中未出現(xiàn)晶間腐蝕形貌，只在局部出現(xiàn)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(jié)果見(jiàn)表5所示，表明經(jīng)過(guò)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%。

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(wèn)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(dòng)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(shí)起到穩(wěn)定電弧、改善熔滴過(guò)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(jìn)一步增強(qiáng)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M(jìn)o，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(guò)程中，由于Mo元素含量較高會(huì)在高能量的晶界上析出穩(wěn)定的金屬間拓?fù)渚o密堆積相（TCP）[10]，按ASTM G28 A法進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，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(jiàn)表5），發(fā)現(xiàn)腐蝕后的Mo元素含量出現(xiàn)了下降。

ENiCrMo-10焊縫由于在較低溫度下可能會(huì)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(jìn)行焊接[12-13]，控制焊縫熔池的形狀，使之呈現(xiàn)凸形輪廓。焊縫熔池的宏觀形狀會(huì)影響凝固裂紋敏感性[14-17]，當(dāng)呈現(xiàn)凹形表面時(shí)，通常會(huì)使焊縫表面處于拉伸狀態(tài)，當(dāng)呈現(xiàn)凸形表面時(shí)，則會(huì)使焊縫表面處于壓縮狀態(tài)，能有效地抑制裂紋的產(chǎn)生。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)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(dòng)性，得到平、立焊工藝性優(yōu)良的ENiCrMo-10焊條，已得到工程應(yīng)用。

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

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