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工程材料需要在大功率、重載荷條件下工作，對(duì)材料的耐腐蝕性能、強(qiáng)度和韌性、耐磨性能和疲勞壽命均有嚴(yán)格、高標(biāo)準(zhǔn)要求。因?yàn)楣こ探Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，工程所用大型零部件必須采用焊接成形，材料的焊接性能尤為重要。本文從分析現(xiàn)用各類型不銹鋼焊接性能著手，指出超馬氏體鋼焊材是最佳選擇。同時(shí)簡(jiǎn)要介紹了超馬氏體鋼焊材的優(yōu)越焊接性能，實(shí)用牌號(hào)，以及這些牌號(hào)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)參數(shù)。

作為焊接材料，現(xiàn)用不同類型不銹鋼各有利弊：傳統(tǒng)馬氏體鋼具有一定的耐均勻腐蝕性能，焊后焊口和熱影響區(qū)顯微組織為針狀馬氏體，具有很高的強(qiáng)度和硬度，但塑性和韌性嚴(yán)重不足，由于組織應(yīng)力很大，極易產(chǎn)生冷脆性裂紋，必須進(jìn)行回火處理才能使用�；鼗鸷鬅嵊绊憛^(qū)往往成為軟化帶，耐蝕性能也明顯下降。

奧氏體焊材具有優(yōu)良的耐蝕性能和足夠的塑性、韌性，但焊口抗拉強(qiáng)度偏低，無法通過熱處理提高強(qiáng)度。由于奧氏體鋼比熱容大、膨脹系數(shù)大，焊口冷卻過程中產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，極易在弧坑和熱影響區(qū)形成熱脆性裂紋。焊口的抗晶間腐蝕性能下降也是一個(gè)令人頭疼的問題。為抑制熱裂紋和晶間腐蝕傾向，通常選用含有一定量鐵素體的焊材，但又帶來如何防止焊口析出和消除σ相的問題，勢(shì)必要增加焊后熱處理工序。

鐵素體焊材的耐蝕性能優(yōu)于馬氏體鋼，強(qiáng)度不高，塑性和韌性良好，但焊接后存在焊口晶間腐蝕傾向加重和σ相的析出問題，導(dǎo)致焊口耐蝕性能、塑性和韌性同時(shí)下降；鐵素體焊口對(duì)475℃脆性的敏感性比母材更強(qiáng)；電焊時(shí)滲氮或焊材鉻含量偏低，在焊口高溫區(qū)往往形成少量奧氏體，冷卻后出現(xiàn)馬氏體，產(chǎn)生不同程度的脆化，同時(shí)焊接會(huì)造成熱影響區(qū)晶粒過分長(zhǎng)大，導(dǎo)致該區(qū)域鋼材塑性和韌性急劇下降。

傳統(tǒng)的奧氏體不銹鋼綜合耐蝕性能優(yōu)良，但在石油、化工等環(huán)境中長(zhǎng)期使用，逐漸暴露出其對(duì)晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕、點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕等局部腐蝕抗力不足，尤其是應(yīng)力腐蝕造成的工業(yè)設(shè)備的突然損壞，危害性極大。20世紀(jì)中期，為解決奧氏體鋼耐應(yīng)力腐蝕問題，冶金工作者進(jìn)行系統(tǒng)的研究，開發(fā)了一種新型不銹鋼——奧氏體-鐵素體型不銹鋼，稱為雙相鋼。雙相鋼綜合了奧氏體和鐵素體型鋼的優(yōu)點(diǎn)：具有良好的強(qiáng)度、韌性和焊接性能，其屈服強(qiáng)度是傳統(tǒng)18-8型奧氏體鋼的2倍，具有良好的抗點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕能力，在中性氯化物氣氛中的耐應(yīng)力腐蝕性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過18-8型奧氏體鋼。雙相鋼耐應(yīng)力腐蝕性能有根本改善的原因：首先是Cr含量有大幅度提高（雙相鋼分為Cr18、Cr21、Cr25三個(gè)級(jí)別），并含有2.0～4.0%的Mo，鋼的耐點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕提高，杜絕了因點(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕引發(fā)的應(yīng)力裂紋源；鋼中含有適量的奧氏體形成元素Ni和N，保證鋼中奧氏體和鐵素體含量為40～60%，由于兩相組織電極電位不同、相界的擴(kuò)展機(jī)制不同，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，對(duì)裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展起抑制和阻礙作用；雙相鋼的屈服強(qiáng)度幾乎提高一倍，產(chǎn)生表面滑移需要的應(yīng)力更大，鋼在更大拉應(yīng)力作用下，表面鈍化膜仍能保持在致密、完整狀態(tài)，相當(dāng)應(yīng)力腐蝕的起始點(diǎn)也提高一倍；兩相晶體取向差異，使裂紋擴(kuò)展時(shí)頻繁改變方向，從而延長(zhǎng)了裂紋的擴(kuò)展期。實(shí)測(cè)雙相鋼裂紋擴(kuò)展無規(guī)律，多呈樹枝狀，走向曲折，發(fā)展緩慢，證實(shí)了上述分析�，F(xiàn)在達(dá)成的共識(shí)是：相比例和相分布狀態(tài)是影響雙相鋼耐應(yīng)力腐蝕性能的主要因素，理想的相比例是其中一相占40～60%，理想的相分布狀態(tài)是：兩相均為條狀或帶狀，疊置分布。

由于雙相鋼具有良好的耐應(yīng)力腐蝕性能，目前有耐蝕要求的工程結(jié)構(gòu)件，普遍選用雙相鋼焊材代替奧氏體焊材（ER308和ER309）。使用雙相鋼焊材面臨的最大難題是：如何控制焊口及熱影響區(qū)的相比例和相分布形態(tài)，防止焊口及熱影響區(qū)“顯微組織劣化”。焊材在快速、短暫的焊接過程中，必然要經(jīng)歷熔化、熔接、冷卻、快速再結(jié)晶的全過程，雙相鋼不管原相比例是多少，加熱到1350℃以上時(shí)，顯微組織幾乎全部轉(zhuǎn)化為高溫(δ)鐵素體，殘存少量奧氏體。完成熔化、熔接后焊口快速冷卻，從δ鐵素體中分解出二次奧氏體，因冷卻速度快，焊接過程中奧氏體溶入δ鐵素體中的量多，而冷卻時(shí)分解出的二次奧氏體量少，焊口相比例變成了鐵素體+少量奧氏體，其中鐵素體變成粗大等軸晶，二次奧氏體失去了原有走向，變成竹葉狀，零散地分布于鐵素體中。以鐵素體為主的焊口及熱影響區(qū)就失去了雙相的優(yōu)勢(shì)，更多地呈現(xiàn)鐵素體的不足。當(dāng)然采取一系列工藝措施可以在很大程度上解決上述難題，本文不作描述。

使用雙相不銹鋼焊接另一難題是：因焊材成分與基體成分差別較大，極易在焊縫熔合區(qū)出現(xiàn)不均勻腐蝕現(xiàn)象。使用超馬氏體鋼焊材，可以選配與基體更接近的成分，減輕不均勻腐蝕。與現(xiàn)用各類不銹鋼焊材相比，超馬氏體鋼是更為理想的焊接材料。超馬氏體鋼的焊口和熱影響區(qū)的強(qiáng)韌性、耐磨性和抗沖擊性遠(yuǎn)高于雙相鋼，焊縫同樣可以不經(jīng)熱處理直接使用，長(zhǎng)期使用無明顯脆化傾向。長(zhǎng)江三峽水電站，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪下環(huán)屬于高強(qiáng)度承力結(jié)構(gòu)件，對(duì)耐蝕、耐磨、耐沖擊性能有嚴(yán)格要求，該結(jié)構(gòu)件就選用超馬氏體焊材作為焊接材料，使用效果良好。

1. 焊接用超馬氏體不銹鋼

1.1超馬氏體鋼焊材的焊接特性

(1)超馬氏體鋼焊材具有良好的焊接性能，可用于手工電弧焊（SMAW）、鎢極惰性氣體保護(hù)焊（GTAW）、鎢極氬弧焊（TIG）、熔化極氣體保護(hù)焊（GMAW）、熔化極活性氣體保護(hù)焊(MAG)、熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、埋弧焊（SAW）和離子焊（PAW）等，焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理。為測(cè)試焊接效果，選用02Cr17Ni6Mo作焊材，對(duì)04Cr13Ni5Mo特厚板（δ=190mm）實(shí)施多道次焊接，焊后分別檢測(cè)未經(jīng)熱處理和經(jīng)時(shí)效處理的焊縫力學(xué)性能，確認(rèn)焊縫(焊口及熱影響區(qū))具有良好力學(xué)性能，和足夠高的耐蝕性能。

(2)超馬氏體鋼C和N含量均很低，焊件焊前無需加溫預(yù)熱，焊后冷卻速度對(duì)焊縫顯微組織和熱影響區(qū)的強(qiáng)韌性無明顯影響，焊縫顯微組織均為板條狀低碳馬氏體，因組織內(nèi)應(yīng)力小，焊后不進(jìn)行回火處理，也不會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋。三峽工程技術(shù)人員對(duì)用02Cr17Ni6Mo焊條焊接的03Cr14Ni6Mo鋼板焊縫進(jìn)行了抗裂試驗(yàn)，證實(shí)了焊件焊前不預(yù)熱和50℃的預(yù)熱，同樣均獲得穩(wěn)定、無裂紋的焊縫。模擬焊接熱循環(huán)試驗(yàn)也證實(shí)：盡管04Cr13Ni4Mo鋼焊縫的沖擊韌性與母材相比有所降低，但仍保持在較高水平，如圖2和圖3。圖3中1#、2#曲線反映焊縫沖擊韌性變化規(guī)律，1#試樣經(jīng)一次加熱后空冷（A1），2#試樣經(jīng)二次加熱后空冷（A2）；3#曲線反映焊縫經(jīng)時(shí)效處理后沖擊韌性變化規(guī)律，試樣經(jīng)兩個(gè)循環(huán)的加熱和冷卻后再進(jìn)行時(shí)效處理（PWHT）；4#曲線反映母材經(jīng)1000℃×0.5h油淬，+610℃×2h空冷和600℃×2h空冷兩次時(shí)效處理后，試樣沖擊韌性變化規(guī)律。顯而易見，鋼材受到熱沖擊，沖擊韌性有明顯下降，但經(jīng)過600℃×2h的時(shí)效處理，其韌性又恢復(fù)到接近母材原有水平(見曲線3)。

經(jīng)時(shí)效處理后，焊縫沖擊韌性得以恢復(fù)的主要原因是：時(shí)效過程中產(chǎn)生M→An逆轉(zhuǎn)變，形成的逆轉(zhuǎn)奧氏體均勻彌散地分布在回火馬氏體基體。此時(shí)，鋼在具有較高的強(qiáng)度和良好的塑韌性同時(shí)，耐腐蝕性也明顯提高。在超馬氏體鋼和超高強(qiáng)度鋼中逆轉(zhuǎn)奧氏體是最有效的韌性相，鋼的沖擊韌性和斷裂韌性的恢復(fù)或提高程度與逆轉(zhuǎn)奧氏體含量直接相關(guān)。由于逆轉(zhuǎn)奧氏體的存在提高了鋼的儲(chǔ)氫能力，降低了氫的擴(kuò)散作用，使焊接冷裂紋的敏感性大大降低。表3顯示了03Cr14Ni6Mo鋼模擬焊接試驗(yàn)中，硬度和韌性與逆變奧氏體量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

(3）使用超馬氏體鋼焊材，可以選配與基體更接近的成分,消除因焊縫化學(xué)成分不均勻帶來的腐蝕破壞，通常選用與母材同質(zhì)焊材。使用超馬氏體鋼代替雙相鋼的另一優(yōu)點(diǎn)是，焊材成本可降低30%左右。

1.2焊接用超馬氏體不銹鋼典型牌號(hào)的生產(chǎn)工藝和性能

Fe-Cr-Ni-Mo基超馬氏體不銹鋼是在低碳馬氏體鑄鋼（CA—NM）的基本上發(fā)展起來的，最初用于ZG0Cr13Ni4Mo和ZG0Cr13Ni5Mo等大型鑄件（如水電站轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪下環(huán)）的焊接。超馬氏體不銹鋼焊接性能良好，焊材用鋼的碳含量通�？刂圃诔�低碳范圍內(nèi)（如表4），焊前不需要預(yù)熱，焊后無需立即回火，適用于各種厚度的板材和大型鑄件的多層堆焊。對(duì)于一些截面較小的焊件，為提高焊口強(qiáng)度和耐磨性能，多選用碳含量稍高的鋼。進(jìn)一步研究表明：該類鋼淬火后的組織為板條狀馬氏體，無明顯的脆化傾向；由于合金元素Cr、Ni、Ｍo的共同作用，晶粒長(zhǎng)大趨勢(shì)受到抑制；鋼材淬火后沖擊韌性雖有所下降，如在600℃或610℃進(jìn)行2～4h回火處理，在馬氏體基體中析出8～12%逆轉(zhuǎn)奧氏體，國(guó)內(nèi)研制成功并在工程上使用的兩種超馬氏體不銹鋼的力學(xué)性能和沖擊韌性已達(dá)到較高水平（如表5）。如條件允許，配以適當(dāng)?shù)臅r(shí)效處理，在馬氏體基體中析出Fe2Mo或FeCr型沉淀硬化相，則鋼材或焊縫可得到最佳強(qiáng)韌化效果。

1.2.104Cr13Ni5Mo3

1.2.1.104Cr13Ni5Mo的用途和性能

04Cr13Ni5Mo主要用于焊接高強(qiáng)度承力部件，在三峽水電站中已成功用于耐磨轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)輪下環(huán)，在石油工業(yè)中用于耐CO2、H2S腐蝕并需要現(xiàn)場(chǎng)焊接的管線的焊接；在核工業(yè)中用于壓水堆2、3級(jí)輔助泵傳動(dòng)軸和控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。該類鋼除具有一定的耐蝕性外，還具有良好的抗汽蝕、耐磨損性能，在水輪機(jī)、大型水泵及核電站、油汽輸送管道中獲得廣泛使用。在含泥砂水中04Cr13Ni5Mo的耐磨性能優(yōu)于鑄鋼、奧氏體鋼、傳統(tǒng)馬氏體鋼和馬氏體沉淀硬化鋼，如表2。

1.2.1.2生產(chǎn)工藝

a.熱加工：04Cr13Ni5Mo具有良好的熱加工性能，熱加工工藝與18-8型奧氏體鋼相同，可順利地生產(chǎn)出鍛件、板、管、絲、帶等品種。厚板的熱成形溫度最好控制在700～1000℃范圍內(nèi)。

b.冷加工：可選擇冷軋、拉拔、冷彎曲等方法成形。

c.熱處理：04Cr13Ni5Mo通常采用固溶(淬火或正火）+時(shí)效(回火)處理狀態(tài)交貨，固溶加熱溫度為1080℃，時(shí)效溫度為600℃，固溶和時(shí)效保溫時(shí)間可根據(jù)產(chǎn)品截面尺寸確定。600℃以上時(shí)效時(shí)，在原奧氏體晶界上析出沉淀硬化相，隨著時(shí)效溫度升高析出相逐漸粗化，而且逆轉(zhuǎn)奧氏體量也隨之下降，這一結(jié)果有損于鋼的強(qiáng)韌性。

d.焊接：鋼具有良好的焊接性能，可采用GTAW、GMAW、SMAW等方法焊接，焊前不需預(yù)熱，焊后不需熱處理。與04Cr13Ni5Mo鋼配套的焊接材料為022Cr17Ni6Mo，特厚板經(jīng)多道次焊接后其熱影響區(qū)仍具有良好的綜合性能，見表1。焊后的耐蝕性能亦保持在足夠高的水平，如圖1。

1.2.1.3物理性能

鋼的物理性能如表8。

1.2.1.204Cr16Ni5Mo

04Cr16Ni5Mo（阿維斯塔·謝菲爾德248SV）鋼因?yàn)?/span>Cr和Ni含量同時(shí)提高，耐蝕性能，特別是在含CO2和H2S介質(zhì)中的耐腐蝕有明顯提高，除用作焊材（C≤0.03%）外，在石油和天然氣開采、儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用，在水力發(fā)電、采礦、化工及高溫紙漿生產(chǎn)設(shè)備上也極具應(yīng)用前景（C≤0.06%）。多用作濃縮離心機(jī)的旋轉(zhuǎn)筒體，石油化工用壓力容器，動(dòng)力傳動(dòng)用的軸承、傳動(dòng)軸、聯(lián)軸節(jié)、液壓軟管、高強(qiáng)度螺栓、拉桿等。上述用途的鋼為提高鋼的強(qiáng)度和耐磨性能，通常將碳控制在標(biāo)準(zhǔn)的中上限；焊絲和焊帶用鋼通常將碳控制在0.03%以下。04Cr16Ni5Mo的物理性能和力學(xué)性能如表9。

1.3.焊接用超馬氏體不銹鋼的其他用途

水電站和核電站用超馬氏體不銹鋼焊材設(shè)計(jì)的基本思路是：①選擇Fe-Cr-Ni-Mo基鋼，通過控制Cr和Mo的含量使鋼具有足夠的耐腐蝕性能；②控制鋼中形成奧氏體和形成鐵素體元素的比例，保證鋼焊后空冷，獲得以低碳板條狀馬氏體為主的顯微組織，使焊縫具有較高強(qiáng)度、夠用的塑性和韌性、良好的焊接性能；③對(duì)焊縫進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕鼗穑ɑ驎r(shí)效）處理，在馬氏體基體上析出逆轉(zhuǎn)奧氏體相，使焊縫的韌性和塑性顯著改善。當(dāng)然，逆轉(zhuǎn)奧氏體相的析出是有一定條件的：馬氏體中奧氏體元素的擴(kuò)散和聚積是逆轉(zhuǎn)奧氏體相析出的先決條件，鋼只有加熱到AS點(diǎn)以上才有可能產(chǎn)生奧氏體逆轉(zhuǎn)變。AS點(diǎn)與Ac1點(diǎn)一樣可用實(shí)驗(yàn)手段檢測(cè)出來，特殊鋼的AS點(diǎn)一般比Ac1點(diǎn)低100℃～140℃。AS點(diǎn)過去用的少，實(shí)測(cè)往往受條件限制，而Ac1點(diǎn)比較容易查到，即使查不到也可以使用相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，上述經(jīng)驗(yàn)為擬定新鋼種的時(shí)效溫度提供了依據(jù)。通常最佳時(shí)效溫度應(yīng)高于AS點(diǎn)（高20℃左右），又要比Ac1低40℃～50℃左右。

特殊鋼的逆轉(zhuǎn)奧氏體析出溫度往往與沉淀硬化析出溫度重疊，逆轉(zhuǎn)奧氏體也常與多種沉淀硬化相共存。時(shí)效處理可以兼顧馬氏體的內(nèi)應(yīng)力消除、逆轉(zhuǎn)奧氏體的析出和沉淀硬化的析出和細(xì)化。逆轉(zhuǎn)奧氏體與殘余逆轉(zhuǎn)奧氏體雖然同為韌化相，前者是混有沉淀硬化相的“硬韌化相”，后者是獨(dú)立存在的“軟韌化相”。顯然，如果兼顧馬氏體的內(nèi)應(yīng)力消除、逆轉(zhuǎn)奧氏體的析出和沉淀硬化的析出和細(xì)化，合理優(yōu)化回火或時(shí)效工藝，可能獲得意想不到的強(qiáng)韌化效果。

水電站和核電站用零部件往往是形體巨大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要兼顧馬氏體的內(nèi)應(yīng)力消除、逆轉(zhuǎn)奧氏體的析出和沉淀硬化的析出、細(xì)化有一定因難，對(duì)此類焊件只能做到保證逆轉(zhuǎn)奧氏體恰到好處地析出，焊件韌性得最大限度的改善。對(duì)重要用途的機(jī)械零部件和儀器儀表的元件，完全可以綜合考慮韌化相與沉淀硬化相同時(shí)析出的問題，即逆轉(zhuǎn)奧氏體與金屬間化合物同時(shí)析出的問題。說來并不太難，只要在原有設(shè)計(jì)思路上再增加兩點(diǎn)即可：④在Fe-Cr-Ni-Mo基焊接用鋼中加入適量的Al、Ti、Cu、V、Nb、W等沉淀硬化元素，通過壓力加工制成焊材（焊絲或焊帶），焊后空冷，再根據(jù)預(yù)期析出相的類型，選擇適宜的時(shí)效溫度，對(duì)焊件進(jìn)行1～4h時(shí)效處理，從鋼中彌散析出Ni3Al、Ni3(Al,Ti)、(Fe,Ni)3(Al,Ti)等面心立方結(jié)構(gòu)的γ′相，Ni3Ti型密排六方結(jié)構(gòu)的η相，NixNb型體心四方結(jié)構(gòu)的γ〃相，Ni3Nb型具有正交點(diǎn)陣的δ相，NiAl型體心立方結(jié)構(gòu)的β相，以及Fe2Ti、Fe2Nb、Fe2Mo、Fe2W等金屬間化合物，使鋼的強(qiáng)度、硬度、耐熱、耐蝕性能進(jìn)一步提高，達(dá)得最佳強(qiáng)韌性結(jié)合。按合金元素的特性分析，Co應(yīng)該是除Ni之外，最能促進(jìn)逆轉(zhuǎn)奧氏體形成的元素，Co在鐵基不銹鋼和鎳基特種合金中均有很高的固溶度，與Ni相似，是擴(kuò)大和穩(wěn)定奧化體區(qū)的元素，但Co降低MS點(diǎn)作用不明顯。提高鋼中Co含量不會(huì)產(chǎn)生殘余奧氏體量增加、馬氏體轉(zhuǎn)變率下降的現(xiàn)象。Co具有抑制C析出，促進(jìn)W、Mo、Al、Ti、Nb等析出的功能。因此提高鋼的強(qiáng)韌性功能突出，盡管因其價(jià)格高昂，但其作用是其他元素?zé)o法取代的，部分超馬氏體鋼焊材中添加一定量的Co是物有所值的。

⑤在確保焊接后焊縫顯微組織結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確，韌性相和硬化相形態(tài)、分布和數(shù)量達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的基礎(chǔ)上，焊材的化學(xué)成分應(yīng)盡可能向母材成分靠近，使焊口的金相組織與母材金相組織融為一體。焊接用超馬氏體不銹鋼是一類具有發(fā)展?jié)摿Γ瑧?yīng)用前景極其廣闊的鋼種，在可以預(yù)料的未來，現(xiàn)有各類中、低碳合金鋼均可從超馬氏體不銹鋼中找到實(shí)現(xiàn)自身焊接的材料�，F(xiàn)將可用于不同鋼種、不同用途鋼焊接的超馬氏體不銹鋼牌號(hào)列舉如表9。