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1、唐山神钢焊接材料有限公司营业部,不锈钢焊接材料基础知识 参考 资 料,不锈钢的基本知识 不锈钢是指在大气、水、酸、碱和盐或其他介质中具有一定化学稳定性的钢的总称。一般来讲，耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将其中耐酸、碱和盐等腐蚀性强的钢成为耐腐蚀钢，或耐酸钢。不锈钢具有不锈性，但不一定耐腐蚀，而耐腐蚀钢一般具有较好的不锈性。从合金元素构成讲，不锈钢是在普通碳钢的基础上，加入12%以上的Cr(鉻)，鉻在钢的表面形成坚固致密的Cr2O3氧化膜，使钢与大气或腐蚀介质隔离而免遭腐蚀。若在此基础上加入一定量的Si(硅）、AI(铝）、等合金元素会提高钢的抗氧化性；加入Mo(钼）、W（钨）、V
2、（钒）、Ti(钛）等合金元素能形成细小的弥散的碳化物，起弥散强化作用，提高室温和高温强度；加入Ni(镍）、Mo(钼）、Cu(铜）、Nb(铌）、Ti(钛）、Si(硅）等合金元素，则能使钢具有耐腐蚀性、抗氧化性或具有高温强度等性能。不锈钢不仅具有很强的化学稳定性，同时也有足够的强度和塑性，并且在一定高温和低温下具有稳定的力学性能和耐腐蚀性能。由于不锈钢具有很强上述的性能，所以不锈钢被广泛运用于石油化工、医疗、食品、电力、交通、军工、原子能、航天等领域的设备中。,1、不锈钢的分类和化学成分 目前各国不锈钢牌号已超过百种（我国有117个牌号），不锈钢分类方法很多，按照GB/T13304-1991钢分类
3、以及国际上通用的分类方法（按钢的组织划分），通常以金相组织及用途进行分类。按金相组织分类为：铁素体（F)型不锈钢、马氏体（M）型不锈钢、奥氏体（A）型不锈钢、奥氏体-铁素体（A+F)型双相不锈钢、奥氏体-马氏体（A+M)型双相不锈钢和沉淀硬化（PH）型不锈钢钢这几类不锈钢之间成分如图1-1所示,0Cr13,1Cr13,0Cr18Ni9,WCr1826 WNi47,Cr17Ni7,PH17-7PH17-7MoPH14-8Mo,（F 型）,增碳,（M 型）,（A 型）,（A-F 型）,（A-M 型）,增Cr、Ni,（改善加工性，提高耐腐性）,增Cr,减Ni,（双相抗应力腐蚀）,（沉淀相强化）,减C
4、r,Ni,加AI、Cu、Mo、Ti、Nb,（提高s，HV）,（加工硬化，使s提高）,（1）奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢在室温下内部显微组织或奥氏体+少量铁素体组织。形成少量铁素体的目的主要是为防止热裂纹的产生，也有利于晶间腐蚀。奥氏体不锈钢以Cr18Ni9铁基合金为基础，再次基础上随着不同的用途，发展成图1-2所示的鉻镍不锈钢系列。奥氏体不锈钢不能利用热处理使晶粒细化，也不能经过淬火来提高其硬度。奥氏体不锈钢在氧化性环境中具有优良的耐腐蚀性能 和良好的耐热 性能，是应用最广泛的不锈钢，其中以 18-8型不锈钢最具有 代表性,它有较好的力学性能和良好的焊接性。但对溶液中含有氯离子（CI)的介质特别
5、敏感，易发生应力腐蚀。在这类钢中添加钛和铌时，能提高其抗晶间腐蚀能力；添加钼、铜和钛，则能提高其在还原酸（如稀硫酸）中的耐腐蚀性能，同时也提高其抗晶间腐蚀的能力。18-8型不锈钢按期含碳量的不同分为三个等级：一般含碳量（质量分数WC0.15%）、低碳级（质量分数WC0.08%）和超低碳级（WC0.03%）。奥氏体系不锈钢弯曲、冲压、焊接等性能优良，容易加工。加热也不会裂开或变硬，但是由于其热传导性差局部受热，会导致局部变形严重。一般常说的不锈钢多指奥氏体系不锈钢，因为耐腐蚀性、机械性能、焊接性能都优于马氏体系和铁素体系不锈钢。被广泛应用于罐体、热交换器、污水处理装置、厨房机器、澡盆等。代表性钢
6、种 SUS304、SUS316。,增加碳量,(1提高耐蚀性),加Mo Cu Ti,提高抗还原性酸的能力,00Cr17Ni14Mo2,00Cr18Ni14Mo2Cu2Ti,(1)0Cr18Ni9,00Cr19Ni10,降低碳量,提高强度,（2）0Cr18Ni9,1Cr18Ni9,增 Cr Ni,提高耐热性,（5）0Cr18Ni9,1Cr17Mn6Ni5N,1Cr18Mn8Ni5N,以Mn N代替Ni,节约Cr Ni,(6)0Cr18Ni9,(4)0Cr18Ni9,0Cr18NI12Mo2Cu2,1Cr23Ni13,1Cr25Ni20,1Cr18Ni12Mo2Ti,1Cr18Ni12Mo3Ti,加
7、入 Mo Cu Ti,提高抗还原性酸蚀能力和抗晶间腐蚀能力,提高抗晶间腐蚀能力,加Ti Nb稳定碳化物,(3)0Cr18Ni9,1Cr18Ni11Nb,1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,（2）铁素体不锈钢 室温下它的内部显微组织为铁素体。合金元素以高Cr为主（通常Cr的质量分数13%，不含Ni,某些钢种添加有Mo、Ti、AI、Si等成分。一般以退火状态供货，其Cr的质量分数在11.5%32.0%范围内。随着Cr含量的提高，其耐酸性也提高，加入Mo后，则可提高耐酸腐蚀性和抗应力腐蚀的能力。这类不锈钢的国家标准牌号有00Cr12、1Cr17、00Cr17Mo、00Cr32Mo2等。该类不
8、锈钢用于制造硝酸化工设备的吸收塔、热交换器、储槽和运输硝酸用的槽罐以及制造不承受冲击载荷的其他零部件和设备。按照碳和氮（C+N)的总含量，高Cr铁素体不锈钢分为普通纯度和超高纯度两个系列。普通纯度高Cr铁素体不锈钢，其碳的质量分数为0.1%左右，并含少量氮，如1Cr17、1Cr17Mo等牌号。它与常用的奥氏体型不锈钢相比，缺点是材质较脆，焊接工艺较差。这是因为：铁素体晶粒长大后，只有通过压力加工才能细化；在高温下（例如600820）停留时间长时，WCr 17%的钢会生成脆性的相（CrmFen）；在400526 温度区间较长时间停留会出现室温下的脆性，即475 脆性。因这类钢脆性较大，所以限制了
9、他的应用。超低碳和超低氮含量（C+N 总的质量分数0.0525%0.035%）的超高纯度高Cr铁素体不锈钢板，如00Cr18Mo2和00Cr27Mo等铁素体不锈钢，它们无论在韧性、耐蚀性还是焊接性等方面均优于普通纯度铁素体不锈钢。（3）马氏体不锈钢 室温下它的显微组织为马氏体、这类钢种Cr的质量分数为11.5%18.0%，碳的质量分数最高可达0.6%。碳含量增高，提高了钢的强度和硬度。在这类钢中加入少量镍可促使马氏体，同时又可提高其耐蚀性。这类钢具有一定的耐腐蚀性和较好的热稳定性以及强热性，可以作为温度低于700 以下长期工作的耐热钢用。它广泛用来制造韧性较高的零件，如汽轮机的叶片、内燃机排气
10、阀和医疗器械。这类钢的焊接性较差。常用的马氏体不锈钢有1Cr13、2Cr13、3Cr13、1Cr17Ni2等。（4）奥氏体-铁素体型不锈钢 室温下其显微组织为奥氏体加铁素体。通常铁素体的体积分数约占50%。这类钢是在奥氏体不锈钢基础上，添加更多的Cr、Mo、Si等扩大铁素体或降低含碳量而得到的钢种。与含相同碳量的奥氏体相比，具有较小的晶间腐蚀倾向和较高的力学性能，且韧性比铁素体不锈钢好。该类钢具有抗点腐蚀、抗盈利腐蚀性能。双相不锈钢通常以固溶状态供货。常用奥氏体-铁素体型不锈钢牌号的钢板有00Cr18Ni5Mo3Si2、0Cr26NiMo2双相和复相不锈钢，其铁素体的体积分数约为50%。这类钢
11、的屈服强度约为一般奥氏体不锈钢的两倍，耐晶间腐蚀性较好。它已在打化,肥厂CO2车间冷却器以及制盐蒸发设备等方面推广使用。这类钢机械加工、冷冲压和焊接性能均良好。（5）沉淀硬化型不锈钢 这是一类须经时效强化处理以形成析出硬化相的高强度不锈钢，包括马氏体沉淀硬化型、半奥氏体沉淀硬化型和奥氏体沉淀硬化型三类。其中马氏体沉淀硬化型在固溶处理后，空冷至即可得到马氏体+少量铁素体或马氏体+少量残余奥氏体的组织，然后经过时效强化。而半奥氏体沉淀硬化型精固溶处理并冷却至室温后，得到的是不稳定的奥氏体组织。为了得到马氏体组织，还需经过Ms点升温热处理，然后再使之时效强化。奥氏体沉淀硬化型不锈钢则是在室温下呈稳定
12、的奥氏体组织，只须经过时效强化即可达到目的。0Cr17Ni、0Cr17Ni4Cu4Nb和0CrNi7Mo2AI三种不锈钢是属于沉淀硬化半奥氏体型不锈钢。该钢的组织特点是在固溶或退火状态是具有奥氏体加体积分数为5%20%的铁素体组织。这种钢经过系列的热处理或机械变形处理后奥氏体转变为马氏体，在通过时效析出硬化达到所需要的强度。这种钢具有良好的成形性能和良好的焊接性。2、不锈钢的性能（1）不锈钢的物理性能 碳钢和不锈钢相比，碳钢的密度略高于铁素体型和马氏体型不锈钢，而略低于奥氏体型不锈钢；碳钢、铁素体型不锈钢和马氏体型不锈钢有磁性，奥氏体型不锈钢无磁性，但其加工硬化生成马氏体相变时将会产生磁性，可
13、用热处理方法来消除这种马氏体组织而恢复其无磁性。奥氏体型不锈钢与碳钢相比，具有以下特点 电阻率高，约为碳钢的5倍。线膨胀系数大，比碳钢大40%左右，随着温度的升高，线膨胀系数的数值也相应增加。热导率低，约为碳钢的1/3.由于奥氏体不锈钢具有这些特殊的物理性能，在焊接过程中会引起较大的焊接变形。特别在异种金属（指与碳钢、低合金钢）焊接时，由于这两种材料的热导率和线膨胀系数有很大差异，会产生很大的焊接残余应力，也成为焊接接头产生裂纹的主要原因之一。（2）不锈钢的力学性能 马氏体系不锈钢淬火后强度和硬度都增加，铁素体系不锈钢同碳钢的强度很接近，但是韧性要低于碳钢，奥氏体系不锈钢的强度、延伸性、韧性都
14、很好，不论是不锈钢冷轧钢板还是耐热钢版，奥氏体型的钢板的综合性能最好，既有足够的强度，又极好的韧性，同时硬度也不高，这也是他们被广泛采用的原因之一,奥氏体型不锈钢同大多数金属材料相似，其抗拉强度、屈服强度和硬度，随着温度的降低而提高；塑性则随着温度降低而减少。其抗拉强度在温度1580 范围内变化较快，温度进一步降低时则变化缓慢而屈服强度的增长是比较均匀的。更重要的是，随着温度的降低，其冲击韧性减少缓慢，并不存在脆性转变温度。所以18-8型不锈钢在低温时能保持足够的塑性和韧性，如在温度-196 时，冲击吸收功可达392J；甚至在温度为-270 的液氦介质中具有阻止应力集中部位发生脆性断裂的能力。
15、因此，这类钢被广泛应用于制造深冷设备。但是，为了防止18-8型不锈钢焊缝产生热裂纹，在焊接材料中药添加一些铁素体形成元素，而少量铁素体的形成会降低其低温冲击韧度。因此，焊接18-8型不锈钢低温材料时，要引起足够的重视。18-8型不锈钢不仅在低温时具有良好的力学性能，而且在高温时又有较高的强热性。它在900 的氧化介质和在700 的还原介质中，都能保持其化学稳定性，所以这种钢也是常用的耐热材料。（3）不锈钢的耐热性能 耐热性能是指高温下，既有抗氧化或耐气体介质腐蚀的性能（即热稳定性），同时在高温时又有足够的强度（即热强性）。不锈钢除了耐腐蚀性外，还具有优良的耐高、低温性能，许多不锈钢可兼作耐热钢
16、或低温钢使用。作为耐热钢使用的不锈钢，多为含碳量较高的铁素体、马氏体和奥氏体不锈钢，他们具有下列特点。,保证抗氧化要求需较高的含Cr量以形成致密的氧化膜。能在800、1000、1100 仍保持热稳定性的Cr的质量分数分别为10%20%、22%30%。含Cr量越高抗氧化能力越强。在钢中加入AI和Si等合金元素有助于增强Cr的影响。使钢材表面形成结构致密并与钢材表面牢固结合的氧化膜，如Cr2O3AI2O3SiO2等这种合金氧化膜。这种合金氧化膜具有良好的保护作用，从而延长钢的使用寿命或提高使用温度。在不锈钢中，若氧化膜主要以（FeCr)2O3的形式出现时，其抗氧化温度剧变的能力最为优越。保证热强的
17、措施 A.增Ni以等到稳定的奥氏体组织，利用MoW固溶强化，提高原子间 结合力。但加Mo对抗氧化性不利。B.形成碳化物（MC、M23C6）为主的第二相，为此应适当提高含碳量 C.加入微量元素硼或稀土等以控制晶粒度并强化晶界，如耐热奥氏体钢0Cr15Ni25Ti2MoAIVB 高温脆化问题。耐热不锈钢在热加工或高温长期工作时会产生各种脆化现象，如0Cr13钢在550 左右的回火脆性，高Cr铁素体钢的晶粒长大脆化，奥氏体钢沿晶界析出碳化物造成的脆化以及铁素体钢的475 脆性、850 附近的相析出脆化，甚至搞Cr-Ni奥氏体钢（如25-20）也有相析出脆化问题。耐热钢在高温使用过程中要考虑到长期高温
18、工作时可能产生脆化现象和高温疲劳失效。疲劳失效一般由表层或者变面下某些缺陷形成裂纹，裂纹在交变载荷作用下，逐渐扩大，直至断裂。在较低温度下，疲劳裂纹是穿晶的，而在高温下的疲劳裂纹是沿晶间发展而导致断裂。,（4）不锈钢的耐蚀性能 耐蚀性是指给定的腐蚀体系内，环境引起金属腐蚀的能力。不锈钢的耐腐蚀性能一般随Cr含量的增加而提高。其基本原理是，当钢中有足够的Cr时，在钢的表面形成非常薄的致密氧化膜，它可以防止进一步的氧化或腐蚀。氧化性环境可以强化这种膜，而还原性环境则必然破坏这种膜，造成钢的腐蚀。金属腐蚀是金属在腐蚀介质作用下逐渐破坏的过程。不锈钢在同一介质中，不同不锈钢的锈蚀速度不同；而同一不锈钢
19、在不同腐蚀介质中，锈蚀情况也不一样。金属的腐蚀，按腐蚀机理分为化学腐蚀与电化学腐蚀。化学腐蚀是指在介质中直接发生的化学作用，即金属同介质中离子直接交换电荷。钝化防护薄膜之所以能阻止金属再受腐蚀，其中要的一个方面是阻碍其离子交换和电荷的交换速度。电化学腐蚀是金属在电介质中，由于电极反应而发生的腐蚀。在许多电化学腐蚀过程中，有一种金属与另一种金属共同参与，或,者金属内部各不同相的组成物共同参与，即形成所谓的电偶腐蚀，此种情况下，一种金属构成阳极受腐蚀而发生溶解，另一种金属构成阴极而不发生还原反应，工程中的金属腐蚀，绝大多数属于电化学腐蚀。不锈钢的主要腐蚀形式有均匀腐蚀（表面腐蚀）和局部腐蚀，局部腐
20、蚀又分为点腐蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀等。据分析，不锈钢的腐蚀破坏，90%以上为局部腐蚀造成的。全面腐蚀 金属表面很均匀的被腐蚀。铁素体系、马氏体系不锈钢能够抵抗硝酸这样的氧化性酸。但是像硫酸这样的非氧化性酸会将不动态破坏使其被腐蚀。奥氏体系不锈钢即便是硫酸也显示出很好的耐腐蚀性。孔蚀和缝隙腐蚀 部分不动态被破坏，腐蚀发生在某一位置被称为孔蚀。金属表面的飞溅等附着物下，异物之间缝隙处产生的腐蚀被称为缝隙腐蚀。当环境中有氯离子等存在会经常发生以上这两种腐蚀。晶间腐蚀 晶间腐蚀是鉻的碳化物析出在结晶粒界附近有选择的腐蚀。应力腐蚀裂纹 应力腐蚀裂纹是拉伸应力与腐蚀环境的相互作用产生的，主要发生
21、在奥氏体系不锈钢。机械加工不能消除焊接时产生的残留应力，在使用过程中会有负荷应力等产生。这种腐蚀在含有氯离子50200的环境里经常发生。,（5）各种合金元素对不锈钢组织和性能的影响 各种合金元素对钢的作用不是简单的叠加，也不是相互抵消的。他们之间有时会新的物理化学作用，往往会引起强化力学性能的作用。各种合金元素对不锈钢组织结构和性能的影响见下表，从表中可以看出，合金元素对不锈钢组织的影响基本上分三大类：第一类是形成铁素体的元素，有Cr、Si、AI、Mo、Ti、Nb等；第二类是形成奥氏体的元素，有C、N、Ni、Mn、Cu，其中C和N的作用最大；第三类是形成碳化物的元素，有Nb、Ti、C、Cr、W
22、、Mo等。加入Cu、AI、Ti、Nb、N等元素能促使钢产生弥散硬化，从而提高钢的热强性。,常用不锈钢丝选用介绍,同种材料焊接选择和母材是同成分系的焊接材料（1）根据不锈钢的强度、耐腐蚀性能选择材质。对于焊接材料的选择应基于与母材同样成分系的材料。母材和成分系不同的焊接材料焊接时会出现耐腐蚀性或耐断裂性等方面问题。（2）SUS430或410系这样含鉻系不锈钢焊接，也可使用309系的焊接材料。但是因为母材同焊接金属的膨胀系数不同，当有剧烈温度变化的环境时不要使用。（3）SUS304和316L这样的奥氏体不锈钢用药芯焊丝焊接而且使用环境在500以上的时候要用DW308H或DW316H这样末尾带H的专
23、用焊接材料。异种材料焊接注意事项。（1）奥氏体系不锈钢同软钢、低合金钢的焊接。一般情况下使用309系的焊接材料（NC-39、DW-309等）。但是在温度变化非常大、温度反复变化时，为了防止膨胀系数有差别造成的裂纹就要选用高镍系焊接材料（NIC-70A等）。（2）马氏体系、铁素体系不锈钢同软钢、低合金钢的焊接一般情况下使用含鉻系电焊条（CR-43Cb），后热处理较困难的情况下使用309系焊接材料（NC-39、DW-309等）或是高镍系焊接材料（NIC-70A等）。另外，温度变化剧烈的情况下使用含鉻系电焊条（CR-43Cb）或高镍系电焊条（CR-43Cb）。需要注意的是在脱硫塔或原油精制等含硫化物的环境里，不能用含镍的电焊条，应该使用含鉻系电焊条（CR-43Cb）。（3）厚板的焊接 一般使用时用309系焊接材料（NC-39、DW-309等）进行焊接，但是从经济以及焊接的容易程度考虑厚板焊接如图-8所示先在碳钢侧破口面上打底后再在坡口内进行焊接。,
