与铬铁素体不锈钢相比,低碳马氏体不锈钢的主要优点之一是有良好的焊接性,特别是13Cr4Ni及13Cr6Ni这两种钢。
(1)焊接接头性能的改善
1)影响焊接接头性能的因素。从改善焊接接头性能考虑,有如下三个因素:
a. 焊缝金属及焊接热影响区都能够得到低碳马氏体,这样就可以大大提高其抗冷裂敏感性。
b. 降低δ铁素体含量。对于13Cr4Ni焊缝金属及焊接热影响区而言,一般δ铁素体含量应在1%~4%的范围内;而对于13Cr6Ni而言,一般应在1%以下。这样将大大降低晶粒粗大化的趋势。
c. 焊缝金属及焊接热影响区的马氏体组织具有相当大的氢致裂纹敏感性。因此,要降低焊缝金属中的扩散氢含量,使之低于5×10
-6。
2)防止裂纹的措施。焊接13Cr4Ni及13Cr6Ni这两种钢时,为避免产生裂纹,应采取如下措施:
a. 慎重选用焊接材料。使用的焊接材料应当使焊缝金属具有下列的化学成分(质量分数):碳含量要在0.04%以下,铬含量在12%左右,镍含量在4%~6%。这样,焊缝金属中δ铁素体含量就不会超过5%。
b. 控制焊缝金属中扩散氢含量。控制焊缝金属中的扩散氢含量在5×10
-6以下,因此,要选用合适的焊接材料。如焊条电弧焊时,应选用碱性焊条,并按规定烘干(加热300℃,保温2h),且放入保温筒中,随用随取。
c. 预热。对于厚度在20mm以上的工件,应在焊前预热100℃。
d. 层间温度。层间温度应为100~150℃。这是因为多层焊时,每焊一道焊缝,都会发生奥氏体向马氏体的转变;而焊接下一道焊缝时,又会对上一道焊缝金属起回火作用。
因此,层间温度应适宜。低碳马氏体不锈钢焊缝金属的化学成分见表5-11。
e. 焊后热处理。焊后热处理对力学性能的影响见图5-3及表5-12。
可见采用回火或淬火+回火焊后热处理工艺对焊接接头力学性能的改善是有益的。
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在实际应用中,在使用高熔敷率焊接方法(如埋弧焊或大电流熔化极氩弧焊或焊补厚大铸件)时,有时层间温度高达250~300℃,高于其马氏体转变温度。
在这种情况下,应在焊完之后,控制冷却速度,在工件温度降至100℃左右,使焊缝金属及焊接热影响区的奥氏体向马氏体的转变完成之后,再立即进行热处理。
(2)低碳Cr-Ni系马氏体不锈钢焊缝金属力学性能含镍量大于w
Ni3.5%的低碳马氏体不锈钢显示出特殊的冶金性能,即580℃以上的温度回火可形成细小、均匀、弥散、稳定的奥氏体。13Cr4Ni钢焊后回火,可提高其韧度,600~620℃回火时,冲击韧度可以达到最大值。继续提高回火温度,韧性则会减小,因为在冷却过程中回火奥氏体会转变成为马氏体。表5-11及表5-12分别给出了各种低碳马氏体不锈钢焊缝金属的化学成分和力学性能,并在表中分别给出了δ铁素体和奥氏体所占的比例(其余的为马氏体),以及马氏体转变开始温度
Ms。
马氏体转变开始温度
Ms对于选择预热温度和层间温度非常重要。与铬铁素体不锈钢焊缝金属相比,在焊后状态下,加入镍的低碳马氏体不锈钢焊缝金属的韧性要高得多。退火后,低碳马氏体不锈钢焊缝金属都具有较高的强度,其韧性也令人满意,可以适用于在-100℃下的工作环境。用TIG焊焊接的12Cr4Ni钢时,由于焊缝金属的纯度很高,其冲击韧度可达到最大值(132J)。沉淀强化的低碳马氏体不锈钢焊缝金属经固溶处理和沉淀强化,特别是加入铜及铌等合金元素后,屈服强度和抗拉强度都大大提高。
其实,低碳马氏体不锈钢焊缝金属的力学性能主要还是由其组织所决定的,即δ铁素体约占1%~3%和奥氏体约占2%~5%为好。
图5-3所示为13Cr4Ni低碳马氏体不锈钢焊缝金属经过不同热处理后的力学性能。从图中可以看到,焊缝金属经过600℃退火或600℃×2~6h回火后,力学性能得到改善,特别是韧性得到明显提高。但回火温度提高到700℃,其强度提高,韧性降低,这是由于不稳定的奥氏体又转变为马氏体的缘故。经过淬火加回火的焊缝金属,其韧性明显提高,且奥氏体化温度为770℃比950℃还优越。