超級(jí)奧氏體不銹鋼CK3MCuN 中高溫相的產(chǎn)生與控制探討

于建平， 陳彩俠

(1.上海中洲特種合金材料股份有限公司，上海 201815;2.南德認(rèn)證檢測(中國)有限公司上海分公司，上海 200070)

0 前言

近年來，石油、化工、壓力容器等工況中多種介質(zhì)對(duì)設(shè)備及零部件的腐蝕性，迫使有更好抗蝕性的鋼材[1-2]。CK3MCuN為超級(jí)奧氏體不銹鋼，低C、高Cr、高M(jìn)o、高Ni，及較高的N和Cu含量，CK3MCuN比常用奧氏體不銹鋼有更高的強(qiáng)度及良好的耐蝕性能，同時(shí)，低C、高N的存在，使焊接性能得以提高。CK3MCuN試板在鑄造過程中，采用純凈度較高的鋼水，避免產(chǎn)品在固溶處理中晶內(nèi)及晶界處產(chǎn)生奧氏體外的高溫相σ相、碳化物等[3-4]。經(jīng)過固溶處理，這樣在試板中心可能出現(xiàn)高溫相σ相、碳化物。如對(duì)試板固溶處理處理不當(dāng)，促使σ相的存在，會(huì)直接影響焊接后的焊縫組織熱影響區(qū)(HAZ)產(chǎn)生較多的高溫相σ相、碳化物等奧氏體之外組織，特別是σ相，其為又脆又硬的且無磁性的金屬間化合物，從使用的角度，σ相存在一定危險(xiǎn)，將嚴(yán)重影響材料的使用性能[5-6]。

文中從固溶處理、焊接過程分析了CK3MCuN中抑制高溫相σ相的產(chǎn)生因素及其腐蝕性能。

1 試驗(yàn)要求

1.1 CK3MCuN的性能

CK3MCuN試板按ASTM A351/A351M-18《Standard specification for castings austenitic for pressure-containing parts》制造，還需遵循客戶技術(shù)要求。

CK3MCuN的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表1、表2。

表1 CK3MCuN及ERNiCrMo-3的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 CK3MCuN及ERNiCrMo-3的力學(xué)性能

1.2 試板要求

試板形式及規(guī)格符合ASTM A494/A494M-17《Standard specification for castings nickel and nickel alloy》，如圖1所示。

圖1 試板形式及規(guī)格

1.3 檢驗(yàn)要求

焊態(tài)下：微觀檢驗(yàn)，母材和熱影響區(qū)中不得有奧氏體之外的高溫相σ相、碳化物等金屬間化合物。

焊態(tài)下：點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)按ASTM G48 方法G，40 ℃×24 h，試樣要求：母材(100%)，熱影響區(qū)(50%母材+50%焊縫)。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試板制造

按客戶的制造要求(圖1)鑄造了坡口25°的試板。

2.2 試板固溶處理

焊前試板固溶處理按照ASTM A351 要求最低溫度1 200 ℃，保溫時(shí)間最少4 h，將試板進(jìn)行固溶處理。由于固溶時(shí)氧化速率高，導(dǎo)致金屬表面比一般不銹鋼表面粗糙，固溶前在試板表面涂刷涂料，防止表面氧化層增多，利于焊接。

確保母材在焊接前鑄態(tài)組織得到充分的固溶，組織為單一的奧氏體，采取以下固溶處理方式。固溶處理方式Ⅰ：①1 200 ℃×4 h，循環(huán)水冷卻；②1 200 ℃×5 h，循環(huán)水冷卻；③1 200 ℃×6 h，循環(huán)水冷卻；固溶處理方式Ⅱ：④1 220 ℃×4 h，循環(huán)水冷卻；⑤1 240 ℃×4 h，循環(huán)水冷卻；⑥1 240 ℃×5 h，循環(huán)水冷卻。

2.3 焊接過程控制

CK3MCuN的焊接對(duì)工藝條件要求較苛刻，如控制不當(dāng)，易產(chǎn)生奧氏體之外的高溫相σ相、碳化物等金屬間化合物，影響焊縫組織性能及耐蝕性能。確保合理的焊接過程控制。

焊接方法：手工鎢極氬弧焊，直流正接，氬氣純度：≥99.99%。

焊接材料：AWS 5.14 ERNiCrMo-3，含高M(jìn)o，其熔敷金屬在含氯化物的環(huán)境中具有很高的耐蝕性。

焊接工藝：焊前清除焊板坡口表面及距離坡口50 mm內(nèi)的油污、氧化皮、滲透液、標(biāo)記痕跡，一般不需要預(yù)熱，在環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，焊前將試板預(yù)熱均勻至≥10 ℃。因?yàn)楹附訁^(qū)域較狹窄，焊前必須試焊，采用小電流，降低熱輸入，控制母材金屬的稀釋率，減小熔合區(qū)寬度。層間溫度小于80 ℃，即焊縫自然冷卻(<80 ℃)，使焊縫自由收縮。焊接操作不允許擺動(dòng)，采用直線窄道焊接。焊接結(jié)束時(shí)電弧倒向熄弧，防止收弧處裂紋、縮孔。每焊完一道焊縫，打磨起弧、收弧處至光亮，必要時(shí)進(jìn)行液體滲透，確認(rèn)焊縫無缺陷，再進(jìn)行下一道焊縫的焊接。同時(shí)保證接頭的根部熔透，避免未焊透誘發(fā)氣孔、縫隙，點(diǎn)腐蝕出現(xiàn)缺陷，抗蝕能力下降。

將圖1中凹槽焊接填滿即可。在焊態(tài)下按圖1截取試樣。截取剖面試樣，按ASTM E3-11《Standard guide for preparation of metallographic specimens》，ASTM E407-07《Standard practice for microetching metals and alloys》，磨拋和化學(xué)試劑浸蝕后置于光學(xué)顯微鏡上觀察母材、焊縫、熱影響區(qū)(HAZ)微觀組織。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

焊接前對(duì)試板進(jìn)行2種固溶處理方式，進(jìn)行微觀組織檢驗(yàn)，之后同一塊試板焊后在焊態(tài)下進(jìn)行微觀組織檢驗(yàn)對(duì)比。

3.1 固溶處理方式Ⅰ

在固溶處理方式Ⅰ狀態(tài)下，試板母材微觀組織如圖2所示，焊后試板母材微觀組織如圖3所示，熱影響區(qū)(HAZ)微組織如圖4所示，對(duì)比信息見表3。均出現(xiàn)了不同程度的析出相，有微量σ、少量σ、碳化物，焊縫微觀組織均為奧氏體(A)。隨著固溶時(shí)間的增加，析出相的數(shù)量在逐漸增加，晶界上的析出相也逐漸變寬，5 h時(shí)，析出相在晶界處連成網(wǎng)狀，且奧氏體晶界處有少量的不連續(xù)狀析出相。

圖2 焊前母材微觀組織

圖3 焊后母材微觀組織

圖4 熱影響區(qū)微觀組織

表3 試板焊接前后微觀組織結(jié)果(固溶處理方式Ⅰ)

3.2 固溶處理方式Ⅱ

在固溶處理方式Ⅱ狀態(tài)下，試板母材微觀組織如圖5所示，焊后試板母材微觀組織如圖6所示，熱影響區(qū)(HAZ)微組織如圖7所示，對(duì)比信息見表4。微觀組織均為奧氏體(A)，焊縫微觀組織均為奧氏體。固溶溫度1 220 ℃，1 240 ℃×5 h時(shí)，晶界及晶內(nèi)已看不到析出相，組織為單一的奧氏體組織。且1 240 ℃×5 h時(shí)，組織也為單一奧氏體組織。這是因?yàn)椋谝欢ǖ臅r(shí)效時(shí)間下，隨著時(shí)效溫度的升高，晶內(nèi)和晶界高溫析出物已經(jīng)大量溶解，基本上無相和碳化物相析出。其次是奧氏體晶界處的棒狀和鏈狀高溫析出相逐漸溶入基體組織，最終組織為單一奧氏體組織，高溫析出相全部溶解。由能譜分析，析出相主要是σ相。其主要有Cr，Mo，F(xiàn)e，Ni等元素組成，在Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼中，當(dāng)Cr超過17%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，Cr，Mo的富集時(shí)均利于σ相生成，而Ni對(duì)σ相的形成有阻礙作用，σ相沿晶界不斷析出，嚴(yán)重時(shí)會(huì)在晶界處形成網(wǎng)狀分布，易造成晶界脆化，當(dāng)σ相大量析出且在基體上分布不均時(shí)，材料會(huì)體現(xiàn)出又硬又脆的缺陷。 單一的奧氏體有利于CK3MCuN的焊接性能的改善[7]。

圖5 焊前母材微觀組織

圖6 焊后母材微觀組織

圖7 熱影響區(qū)微觀組織

表4 試板焊接前后微觀組織結(jié)果(固溶處理方式Ⅱ)

3.3 點(diǎn)蝕

采用2種固溶處理方案，焊后試板母材及熱影響區(qū)試樣，其點(diǎn)腐蝕結(jié)果見表5，點(diǎn)腐蝕率均符合要求：≤10 mg/(dm·d)。鑒于表5的腐蝕結(jié)果，在生產(chǎn)工業(yè)化中，推薦選用1 240 ℃×5 h固溶處理。

表5 試板焊后點(diǎn)腐蝕結(jié)果

4 結(jié)論

選用合適的焊接材料和合理的焊接工藝，同時(shí)采用合理的固溶處理方式可以使CK3MCuN獲得良好的焊接組織和耐蝕性能的焊接接頭。從生產(chǎn)工業(yè)化角度，推薦選用1 220 ℃×4 h或1 240 ℃×4 h的固溶處理方式，易于取得工程應(yīng)用最大效益化。