Cr18Ni9

Cr18Ni9（共7篇）

Cr18Ni9 篇1

由于异种钢的物理性能和化学成分存在差异, 而使异种钢焊接的焊缝接头性能变差。45钢与12Cr18Ni9 (旧牌号1Cr18Ni9) 不锈钢焊接时, 在焊缝与45钢母材间往往会存在一个马氏体组织的熔合区, 该区韧性较低, 为一个高硬度高脆性层, 是导致构件受力失效破坏的薄弱区, 它会降低焊接结构的使用可靠性。本文在分析和试验的基础上, 论述了45钢与12Cr18Ni9不锈钢焊接时通过选择合理的工艺和方法, 能够得到符合异种钢焊接技术要求的焊缝接头。

1 45钢与12Cr18Ni9不锈钢的化学成分比较45钢与12Cr18Ni9

不锈钢的化学成分见表1。

由表1可以看出, 45钢和12Cr18Ni9不锈钢是两种化学成分差别很大的钢种, 45钢含碳量高, 钢的淬硬倾向大, 12Cr18Ni9不锈钢合金成分含量较高。两种化学成分差别很大的钢焊接在一起时, 焊缝金属是由两种不同类型的母材及填充金属材料熔合而成, 就会出现与焊接一种金属材料所不同的很多问题, 焊接时工艺方法的选择和作业参数的控制都要求十分严格。

2 45钢与12Cr18Ni9不锈钢焊前分析

2.1 45钢对焊缝合金元素的稀释作用

焊缝的组织取决于焊缝的成分, 而焊缝的成分取决于母材的熔入量, 即熔合比。当熔合比发生变化时, 焊缝的成分和组织相应发生变化。45钢与12Cr18Ni9不锈钢焊接时, 由于45钢中不含合金元素, 因此它对整个焊缝金属的合金元素有稀释作用, 特别是焊缝靠近熔合区的部位, 稀释作用比焊缝中心突出, 铬、镍含量远低于焊缝的平均值, 使焊缝金属的奥氏体形成元素含量减少, 在45钢一侧的熔合过渡区形成所谓的过渡层, 即脆性的马氏体组织, 厚度在0.2-0.6mm之间, 造成焊缝接头质量恶化, 严重时生产裂纹。虽然过渡层是不可避免的, 但通过提高焊缝中奥氏体形成元素的含量和控制高温停留时间等工艺措施, 可以使过渡层的厚度减少。选用奥氏体化强的焊接材料减少过渡层的厚度, 提高Ni的含量防止熔合区碳的迁移, 是目前改善异种钢焊接熔合区质量的主要手段。

2.2 焊接时碳的迁移问题

在45钢与12Cr18Ni9不锈钢焊接过程中, 长时间处于高温会使珠光体钢与奥氏体钢界面附近发生反应扩散使碳迁移, 结果在45钢一侧形成脱碳层, 奥氏体一侧形成增碳层。由于两侧性能相差悬殊, 接头受力时可能引起应变集中, 降低接头的高温持久强度和塑性。为解决碳的迁移问题, 应尽量降低加热温度并缩短高温停留时间, 在45钢中增加碳化物形成元素 (Cr、Mo、V等) 而在奥氏体钢中减少这些元素, 提高奥氏体焊缝的含镍量, 缩小扩散层。

3 45钢与12Cr18Ni9不锈钢焊接工艺的选择

3.1 试验件的选择

结合我公司实际生产需要, 采用350×125×8 (mm) 的45钢与12Cr18Ni9不锈钢试板, 进行焊接工艺评定试验。

3.2 焊接方法和线能量的选择

异种钢焊接方法的选择除了考虑生产效率和具体的焊接条件外, 还应考虙熔合的影响, 焊接时要尽量减少熔合比, 以降低对焊缝的稀释作用, 手工电弧焊的熔合比较小, 而且方便灵活, 不受焊件形状的限制。采用小的线能量进行焊接, 有利于降低加热温度并缩短高温停留时间, 降低焊接时碳的迁移, 同时有利于减小焊缝熔合区附近马氏体组织过渡层的厚度。

3.3 焊接材料的选择

正确选择焊接材料是异种钢焊接的关键, 接头质量和性能与焊接材料关系十分密切。异种钢焊接时, 焊缝和熔合区由于合金材料被稀释和碳迁移等因素的影响存在着一个过渡区段, 此区段不但化学成分和金相组织不均匀, 而且物理性能也发生了变化。45钢和12Cr18Ni9不锈钢焊接时, 焊缝及熔合区的组织和性能主要取决于填充金属材料, 选择焊接材料时既要考虑45钢对焊缝的稀释作用, 还应注意抑制熔合区中碳的扩散。经过综合分析考虑确定采用A502焊条作为焊接填充材料。

3.4 工艺参数的确定

为降低熔合比, 焊接时采用小直径焊条。在可能的情况下, 应尽量使用低电流、高电压并快速焊接。

4 试验条件及焊接工艺

4.1 试验条件

焊机:ZX-5直流焊机。

焊接材料:Φi3.2 A502 (E16-25Mo6N-16) 焊条, 焊前烘干, 焊条的化学成分见表2。

焊件材料:45钢板+12Cr18Ni9不锈钢板。

焊件尺寸及坡口型式:350×125×8 (mm) 板, 坡口角度80°, 钝边2mm, 间隙3-4mm, 见图1。

4.2 焊接工艺

45钢与12Cr18Ni9不锈钢焊接时, 为降低熔合比, 减少焊缝金属被稀释, 应采用大坡口, 细焊条, 小电流、快速度、多层焊工艺, 长焊缝应跳段焊。采用手工电弧焊, 焊接材料为A502 (E16-25Mo6N-16) , 焊前预热200-250度, 焊接后不回火, 具体焊接工艺参数见表3。

5 试验结果及分析

5.1 探伤检查

对焊缝进行表面着色渗透探伤检查, 没有发现焊接缺陷。对焊缝进行X光射线探伤检查, 确认焊缝质量达到Ⅱ级标准。

5.2 机械性能试验

对于异种钢焊接, 要求焊缝接头的抗拉强度不低于两种母材中抗拉强度较低材料的最低值允许值;背弯、面弯弯头直径为4倍板厚, 弯曲180度, 应无裂纹或小于长度3mm的微裂纹视为合格。经过对焊缝接头检测, 抗拉强度大于45钢与不锈钢两种材料的最低值 (539 MPa) , 弯曲180度后无长度大于3mm的裂纹, 从而认定机械性能符合要求, 具体情况见图2和表4。

6 结论

采用大坡口, 细焊丝, 小电流、快速度、多层焊工艺, 焊前预热200-250度, 用A502焊条焊接45钢与1Cr18Ni9T钢, 焊缝接头性能可以达到异种钢焊接时要求较低的母材的机械性能, 能够用于公司的批量焊接生产。

参考文献

[1]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京:机械工业出版社, 2010.

[2]周振丰.焊接冶金学[M].北京:机械工业出版社, 2000.

[3]周志伟.GB/T4730-2005, 承压设备无损检测[M].昆明:云南科技出版社, 2006.

[4]陈裕川.焊接工艺评定手册[M].北京:机械工业出版社, 2000.

Cr18Ni9 篇2

几年来, 省安二公司先后承接制作了唐山三友化工股份有限公司的多台压力容器, 其中难度最大的是出料罐, 它属于二类压力容器, 材质是16MnR+0Cr18Ni9复合钢板, 名义厚度为28+3, 公称直径为DN5200mm, 水压试验压力为1.7MPa, 物料为中毒危害的PVC、VCM介质, 焊接接头系数为1.0。

2 工艺完善过程

2.1 首次焊接工艺

第一次确定的焊接工艺是:基层用H10Mn2φ4.0的埋弧焊丝焊接, 过渡层用A302φ4.0焊条焊接, 复层用H0Cr21Ni10φ4.0的埋弧焊丝焊接成形。首先选用两名合格焊工, 采用此工艺进行了焊接试验, 基层多道焊填充位置不正, 复合层埋弧焊焊接熔深非常大, 焊接以后把过渡层的焊肉熔化。于是决定采用手工焊焊接工艺。先采用φ1.2mm CO2焊丝焊接基层打底, 用埋弧焊盖面。然后反面用A302焊条焊过渡层, 用A102焊条焊接复层。焊接以后, 工艺评定合格。但在实际操作过程中, 并且在基层焊接后未确定是否合格的情况下就焊接过渡层和复合层, 造成这焊接接头出现了条渣、未焊透、层间未熔合、气孔、裂纹几种焊接缺陷。分析问题出现的原因如下。

(1) 气温较低, 裂纹可能是环境温度造成的。

(2) 焊工在施焊过程中工艺参数控制得不准确, 焊丝移动速度过快, 焊丝未进行充分的熔化, 造成焊接接头未熔合、未焊透和条渣。

(3) 未在基层焊接结束后进行基层100%无损检测直接进行过渡层和复合层焊接, 造成最后缺陷集中。

(4) 复合板的坡口用刨边机加工, 但加工的坡口钝边太大, 造成组对后坡口小, CO2焊丝打底时把头摆动不开, CO2焊丝吐丝长度又太长, 造成夹渣、未熔合等缺陷。

(5) 焊接完基层后留下的剩余高度不准确, 一般应在2mm左右。综上所述, 我们采取以下措施:重新编制焊接工艺, 考虑CO2焊丝熔深浅、焊肉薄的缺点, 在焊接中加入使用J506焊条, 利用它的熔深大和抗裂性能;过渡层选用A302或者A317, 利用后者的抗裂性;基层焊接好后进行一次100%无损检测。

第一次焊接最后确定的焊接工艺 (见图1) 。

(1) 选用X坡口组对, 对接间隙2±1钝边2±1mm坡口角度65°±5°。

(2) 先焊接靠近复层端的基层, 用φ1.2mm CO2焊丝焊接三层, 吐丝长度一般为12mm, 最长不超过15mm。焊接电流140A~180A、电压24V~25V。

(3) 然后焊接背面基层, 先用电弧气刨彻底清根、磨光机打磨, 然后用J506φ4.0焊条焊接两遍, 电流180A、电压30V。

(4) 再选用H10Mn2φ4.0的埋弧焊丝焊接两遍, 焊接电流720A~750A、电压35V~36V, 基层焊接结束, 进行100%X射线检测, 发现缺陷进行返修, 合格后进行下一道工序。

(5) 再进行过渡层焊接, 选用A302焊条, 气温低可选用A317焊条, 电流160A、电压28V。焊接时一定要焊薄些, 一般过渡层加上留下来的基层厚度2+3=5mm, 过渡层熔深上面0.5mm~1.0mm, 下面2.0mm~2.5mm。

(6) 最后复层用A102φ4.0焊条进行焊接, 电流170A、电压28V。一根焊条可以焊80mm~90mm长左右。

按照这种焊接工艺进行施焊, 重点强调了焊接工艺纪律, 对容器开始进行施焊, 结果效果很好, 只存在个别的气孔, 合格率95%以上。按照此工艺焊接, 厂家保证了焊接质量。

2.2 完善焊接工艺

首次采用的焊接工艺主要是手工电弧焊, 埋弧自动焊应用率较底。为提高焊接速度, 我们总结出一套比较完善的焊接工艺。

如表2, 图2所示。

在焊接过程中, 要注意以下要点。

(1) 复合钢板坡口要采用冷加工, 对接缝装配时, 基准面为不锈钢复层面, 防止错边过大, 影响复层焊接质量。

(2) 装配、焊接过程中, 严防机械碰伤, 电弧烧伤不锈钢复层表面。

(3) 严防碳钢焊丝焊接在复层上或过渡层焊丝焊在复层上。

(4) 碳钢焊接时的飞溅落在复层面上时, 要仔细清除。焊后对焊缝进行清理, 去飞溅、清渣, 并对不锈钢侧的焊缝进行打磨。

(5) 基层焊接要连续施焊, 保证层间温度, 焊后立即采用氧乙炔焰对焊缝区加热, 加热范围不可过大, 温度控制在250℃, 保温30min, 以防基层和复层结合部位开裂。基层和复层每焊完一层后立即锤击, 锤击范围在焊缝两侧长靠近母材, 宽度范围约50mm~60mm, 焊缝全部焊完后仍应立即进行锤击。

(6) 在焊接过渡层时, 基层的碳钢与复层奥氏体钢焊接, 由于基层成分对焊缝金属有稀释作用, 使焊缝中奥氏体元素含量降低, 若焊缝中出现马氏体组织, 会影响接头性能, 甚至产生裂纹, 因此过渡层焊材选用至关重要。焊接过渡层时, 为了减少稀释率, 在保证焊透的情况下, 应尽可能采用小规范。

(7) 凡是参与焊接的电焊工, 均需有效的合格上岗证书, 方可上岗操作。焊接复合层的焊工要有相应的堆焊合格项目。

(8) 所用焊接材料均需有效相应的材质认可证书。

(9) 冬季施工时, 气温低, 一定要进行预热。焊接结束时, 要采用保温措施, 防止在很短的时间内温度变化梯度太大, 产生裂纹。

(10) 在基层焊接结束时, 要对焊接接头进行射线检测。基层符合要求后, 再焊接过渡层和复合层。

(11) 当焊接接头返修时, 如果基层缺陷较小, 不需预热及后热, 或缺陷仅仅在复层及过渡层时, 可直接采用不锈钢焊条从复层侧返修, 采用较小的线能量焊接, 认真控制焊接参数, 就可以控制裂纹再次产生。

按照这种焊接工艺焊接, 既提高了焊接速度, 又保证了焊接质量, 在此真诚希望各位专家给予批评指导。

参考文献

[1]GB150-1998.钢制压力容器.

[2]压力容器安全技术监察规程[M].

[3]JB4708-2000.钢制压力容器焊接工艺评定.

[4]周振丰, 张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京:机械工业出版杜, 1981.

Cr18Ni9 篇3

宝钢苏冶重工有限公司 (以下简称“苏冶重工”) 按照图1所示的结构装焊了不锈钢1Cr18Ni9Ti钢板和16Mn板, 考虑到不锈钢1Cr18Ni9Ti钢板同16Mn板的热膨胀和热冷缩的系数不一样, 在焊接时控制焊接温度在60 °C以下, 焊接方式采用气体保护焊, 焊丝为昆山天泰公司生产的常用TFW-309L药芯焊丝。焊接结束后发现焊缝出现了裂纹。

结晶器是连铸设备中钢水形成板坯时结晶的重要设备, 要求焊缝强度不低于16Mn的强度, 且焊缝在1.5 MPa的压力下不渗漏, 所以不允许焊缝出现裂纹及未焊透等焊接缺陷。为此, 原来焊接的焊缝除了要清除外, 还必须找出焊缝出现裂纹的原因, 以确保结晶器水箱的焊缝质量。

在检查焊缝时发现焊缝裂纹不仅有纵向的, 也有横向的。通过分析, 初步确定裂纹为热裂纹。形成热裂纹的原因有很多, 其中熔深过深, 在焊接厚板和刚度大的的焊件时, 由于冷却速度过快, 熔敷金属流动不畅易导致裂纹。同时由于不锈钢焊接时, 不锈钢的膨胀系数大、冷却收缩时应力大, 也会产生热裂纹。

在检查焊缝时还发现, 装焊结构中的反面因为无法焊接, 由于反面的装配间隙也导致了延迟裂纹。所以要改善焊缝质量问题, 还必须对钢板之间对接的坡口形式进行重新考虑。

2 原因分析

一般情况下, 在选用焊材时, 必须根据母材的化学成分、力学性能、接头的裂纹敏感性、焊后是否热处理以及耐腐蚀性等使用条件进行综合考虑。所以, 选用的焊材要满足焊缝金属与母材的强度以及其他力学性能指标符合规定的要求。如果焊缝金属的强度超过母材过多且塑性较差时, 就可能造成冷弯角, 甚至出现横向裂纹, 所以选用焊材时只要焊缝强度等于或稍高于母材即可。按等强度选用焊材时, 还要考虑板厚、坡口形式以及焊接线能量等因素的影响, 这些因素对焊缝稀释率、冷却速度及焊缝金属的化学成分和接头的组织都有影响, 并最终影响焊缝金属的力学性能。

对于在各种腐蚀介质中工作的耐蚀不锈钢, 应按介质和工作温度来选择焊材。结晶器水箱的工作温度在300 °C以上, 需有较强的耐腐蚀性, 所选用的焊材要含有Ti或Nb等稳定元素, 或者选择超低碳不锈钢焊材。

另一方面, 要解决异种钢焊接, 就必须了解异种钢焊缝金属成分取决于焊材熔敷金属的成分及被母材稀释的程度。当用不锈钢焊材在16Mn表面进行焊接时, 如果不控制稀释率, 则容易因马氏体组织出现而引起裂纹或因铁素体过多而发生σ相脆化。当用奥氏体不锈钢焊材如A302堆焊时, 只要适当控制稀释率, 就能得到相当18-8化学成分的熔敷金属。

由于需焊接的1Cr18Ni9Ti钢板厚度为200 mm, 如果焊前预热会导致焊接处温度过高, 从而导致晶间腐蚀。因为1Cr18Ni9Ti材料的导热性差, 焊前预热后, 在以后的焊接过程中由于不断有焊接线能量的输入, 会使1Cr18Ni9Ti钢板的焊接处温度不断地升高, 如果温度在450 °C以上停留时间过长, 1Cr18Ni9Ti内晶粒的晶界处铬和碳发生反应形成分解缓慢的碳化铬, 导致晶粒内的铬含量流失, 从而使1Cr18Ni9Ti的机械强度大幅度降低。如果不采取预热的措施, 200 mm厚的1Cr18Ni9Ti钢板和16Mn板又无法进行有效地融合, 无法保证焊缝的水密性和强度要求。

3 改进措施

3.1 焊前准备

为了解决焊接结构容易产生延迟裂纹的现象。在焊接前, 苏冶重工先改变了2种钢板之间的装焊形式, 由图纸上的单面焊接改为双面焊接, 坡口形式也由图纸上的单边V坡口改为双面U型坡口 (见图2) 。

由于200 mm厚的不锈钢1Cr18Ni9Ti钢板和16Mn板之间的焊接容易产生热裂纹, 焊接时尽量使不锈钢的表面温度低于16Mn钢板的表面温度。同时焊接前将表面的铁锈、油渍和水汽等杂物清除干净, 消除产生热裂纹的敏感因素的影响。

3.2 焊接

3.2.1 预热

由于1Cr18Ni9Ti钢板和16Mn板热膨胀系数不同, 冷却速度也不一样。1Cr18Ni9Ti钢板散热比16Mn要慢得多, 且1Cr18Ni9Ti钢板在焊接时对温度敏感性强, 在焊接时尽量保持1Cr18Ni9Ti钢板的表面温度处于最低温度。但为了改善16Mn板的焊接性, 又必须提高16Mn板的焊接层间温度, 所以在焊接前先将16Mn板焊接处的温度用氧乙炔预热至250 °C左右。

3.2.2 焊接

苏冶重工对焊接规范进行了严格控制, 焊接电流控制在200～220 A、电压控制在30～32 V之间。为了减少焊接过程中线能量的直接输入, 焊枪在施焊时尽量不作横向摆动, 采用直线后拖焊接, 减少了熔池体积和焊道宽度。在整个焊接过程中, 为了控制1Cr18Ni9Ti钢板的焊接温度, 每焊完一道焊缝就对1Cr18Ni9Ti钢板进行浇水来降低温度。同时焊接前对16Mn板预热至250 °C, 然后在焊接过程中不断地进行加热, 使其层间温度控制在150 °C左右。焊材选用同A302对应的昆山天泰公司生产的气保焊焊丝MIG-309L, 该焊丝0.083%的超低含碳量有效地降低了焊接过程中碳化铬的生成。在焊接时实行正反两面交替焊接, 这样既可相应地控制焊接变形, 还可以避免因连续焊接导致的层间温度在1Cr18Ni9Ti钢板一侧升高的现象。

由于在焊接过程中对焊接规范进行了严格控制, 同时严格实施相应的温度控制措施, 在焊缝全部焊完后, 不锈钢一侧的温度未没有超过60 °C。为了减少焊缝成形过程中产生的应力, 每焊完一道焊缝, 公司利用超声波振动仪进行一次振动消应力处理, 这样在全部焊缝焊接结束后, 累计产生的应力也大为减少。

3.3 清理

焊接结束, 待焊缝表面完全冷却后, 清除表面飞溅。先通过目测的方式对焊缝进行检查, 再用砂轮磨光焊缝表面对焊缝进行着色探伤, 发现焊缝成形良好, 未出现裂纹等缺陷。再通过超声波对焊缝进行内部探伤, 也未有发现气孔、裂纹及未焊透等焊接缺陷。

3.4 焊后处理

奥氏体不锈钢的焊后一般进行固溶处理和消应力处理, 因为固溶处理的高温容易造成变形、产生氧化皮, 所以本产品取消了固溶处理, 通过后续的振动和消应力退火来消除应力、改善金相组织。焊接结束后, 立即对该焊接件进行了420 °C消应力处理, 以保证后续的机械加工精度的稳定。

4 改进效果

苏冶重工在焊接结束及消应力处理后做了水压试验, 水压为2.31 MPa, 保压时间30 min, 试验结束后, 未发生渗漏现象。该结晶器水箱加工结束后和结晶器其他部件装配成形, 然后在整个结构内进行了循环水压试验, 试验压力和保压时间保持一样, 试验结束后, 也未发生渗漏现象。说明整个水箱无论在毛坯结构件还是在机械加工结束后, 焊接质量都满足了技术要求。经过2年多的运行, 各项性能指标均处于良好状态。

参考文献

[1]张子荣, 时炜, 郑华.焊接材料简明选用手册[M].北京:机械工业出版社, 1997.

[2]高忠民.电焊工基本技术[M].北京:金盾出版社, 2007.

Cr18Ni9 篇4

0Cr18Ni9不锈钢属于奥氏体不锈钢, 而奥氏体不锈钢是不锈钢类中钢种最多, 使用量最大的一种。其具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能, 冲压弯曲等热加工性良好[1]。不锈钢在石油、化工、宇航、医药、造纸、原子能、海洋工程和装饰工程领域得到了广泛的应用。但是通常不锈钢的硬度较低 (通常情况下为200Hv~250Hv) , 耐磨性较差, 表面易出现发花现象, 这不仅会影响装饰性产品的美观而且表面出现微划痕时会形成腐蚀微电池从而降低产品的耐腐蚀性能, 导致产品过早报废[2]。以不锈钢为基体的传动轴、啮合件或动配合件经常会因为不锈钢质软不耐磨、表面强度低、摩擦系数大等因素发生咬合或黏滞现象[2]。本文就0Cr18Ni9不锈钢在一定参数条件下的表面耐磨性进行了研究, 并对其磨损机理进行了探讨。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本次试验采用的是轧制态0Cr18Ni9合金, 其成分如表1所示。

1.2 试验材料的热处理

将试样置于SX2箱式电阻炉进行热处理。热处理工艺为1100℃保温3min快速冷却, 使基发后完全再结晶, 并抑制晶粒长大, 从而使金属中的位错密度降低, 残余应力完全消除。

1.3 摩擦磨损试验

(1) 试验前用金相砂纸对各试样表面进行研磨, 抛光, 用无水乙醇清洗试样表面并吹干, 保证在进行摩擦磨损试验时试样受力和磨损均匀。

(2) 将时效后的试样在HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机上分别进行摩擦磨损试验。摩擦磨损试验设置载荷为60N, 磨损时间为10分钟, 运行长度10mm, 磨损速率分别为200转/分, 300转/分, 400转/分, 600转/分。试验每一组参数的试验前都应先用精密电子天平称出试验前试样的质量, 并记录数据试验后再对试样称重并记录磨损后的质量数据, 并记录摩擦磨损过程数据。

(3) 在J12-50体式显微镜下对表面的摩擦磨损形貌进行观察。

2 试验结果及讨论

图1是载荷为60N, 磨损时间10min, 转速在200~600转/分范围内变化时, 0Cr18Ni9不锈钢试样的摩擦系数与转速的关系曲线如所示。由图可见0Cr18Ni9不锈钢的摩擦系数随转速的增大而增大, 但是随着载荷的增大摩擦系数增大的幅度略有降低, 当转速为600转/分时波动很大, 在4min~7min变化幅度最大。0Cr18Ni9不锈钢试样的磨损量与转速的关系曲线如图2所示。磨损量随转速增大先是降低后增加, 在300次/分转速时磨损量最小为0.0017g, 随后磨损量又增加, 当转速达到400次/分后, 磨损量增加幅度略有降低。

图3是0Cr18Ni9不锈钢试样在不同载荷摩擦磨损后体氏镜形貌图。在低转速下磨损机理主要是为粘着磨损为主。由于磨球与试样的接触面积小, 在载荷的作用下接触点的应力达到受压屈服极限而产生塑性变形, 此时在高速往复的钢珠作用下, 使黏着的基体软金属被剪断, 这些软金属黏附于磨粒的表面或脱落而形成粘着磨损[3], 使0Cr18Ni9不锈钢试样出现明显的撕裂痕迹, 而且随着转速的增大, 撕裂痕迹越明显也越来越多。

在摩擦过程中摩擦产生的热量来不及扩散, 使脱落材料发生氧化, 磨粒还会把基体材料推向前方或两侧并使沟底及沟槽附近的材料产生塑性变形, 在沟槽两边有塑性变形材料的堆挤。经过显微硬度的测量发现, 转速为600转/分钟的时候, 划痕附近的显微硬度值, 显著的大于低转速时候的显微硬度。一般认为在这个过程中, 由于往复摩擦产生剧烈的形变, 磨痕表面均发生摩擦诱发的奥氏体向马氏体转变, 导致摩擦系数随着转速增大而增加的幅度下降。

3 结语

1) 0Cr18Ni9不锈钢随着转速的增加, 摩擦系数随转速的增大而增大, 但是随着载荷的增大摩擦系数增大的幅度略有降低。

2) 磨损量随转速增大先是降低后增加。

3) 磨损机制主要是为粘着磨损为主。随着转速增加, 磨痕表面均发生摩擦诱发的奥氏体向马氏体转变, 导致磨痕附近的硬度显著提高, 磨损速率的增幅下降。

参考文献

[1]陈国星, 赵可昕.提高不锈钢表面耐磨性的表面处理技术.上海金属, 2008.9:52-55

[2]杨和梅, 陈云富, 丁兰英.不锈钢表面改性研究的进展.江苏冶金, 2006.10:9-12

Cr18Ni9 篇5

某化工厂冷火炬液气化器在使用2a后出现渗漏。经检查发现, 裂纹纵横交错布满整个管板表面, 呈现出穿透型裂纹。管板的材质为0Cr18Ni9, 使用温度260℃, 管程介质为乙烯 (设计温度为﹣125℃/265℃) , 壳程介质为水蒸气 (设计温度为265℃) 。在这样的材质上产生脆性开裂的穿透型裂纹, 原因可能是应力腐蚀、氢脆、晶间腐蚀、低温冷脆、热疲劳断裂等因素所致, 其产生的机理比较复杂, 本文从现场金相分析和实验室金相分析两个方面进行分析与研究。

2 现场金相分析

2.1 管板的宏观裂纹形貌

通过现场肉眼观察, 可以发现管板的裂纹为脆性裂纹, 裂纹周围没有明显塑性变形。从图1~4可以看到管板的表面有很多条裂纹, 这些裂纹纵横交错、参差不齐, 呈龟裂状, 属于多源裂纹;而且我们现场可以观察到产生的裂纹已经穿透管板, 属于穿透性裂纹。从产生裂纹的位置观察, 裂纹不仅产生在管板的表面, 在没有胀焊换热管的位置、以及管板的边缘处也产生了裂纹, 见图1~4。

2.2 管板的现场金相检验

通过金相检验可以看到, 裂纹扩展是穿过奥氏体晶粒的, 扩展过程中有枝杈, 枝杈的伸展方向沿着奥氏体晶界方向, 在开裂的裂纹中可以看到剥落的颗粒, 这些颗粒是由于金属晶粒间的撕裂而产生, 且在大裂纹附近有与其方向大致平行的小裂纹, 在裂纹尖端的前方位置有新的裂纹产生, 见图5。

3 实验室检验及分析

3.1 裂纹的形貌

利用扫描电镜发现管板表面上有氧化层, 管板表面的裂纹呈现一定宽度的分叉状, 裂纹附近没有产生塑性变形, 可以判定是脆性开裂, 见图6。将管板表面的氧化层经过放大进行观察, 可以看到管板表面的氧化层有大量的龟裂状显微裂纹, 有的位置起层, 有的位置产生剥落, 此龟裂状的裂纹是由于热疲劳产生的, 是该换热器管板产生开裂的起源点, 见图7~9。

3.2 化学成分分析

由表1可见, 含碳量略高于标准, 硫含量略有超标, 铬含量略低于标准。

3.3 实验室金相检验

图10~11是换热器管板的金相组织图。管板材料内部组织为奥氏体, 内部晶粒大小均匀, 晶粒度评级为5级[1]。

3.4 非金属夹杂物检验

图12是管板的金相组织, 可以看到其表面有颗粒状的夹杂物。图13是管板的能谱面扫描图, 从能谱分析可以确定管板表面的这些夹杂物是夹杂物和硫化物。

Fe-KA, Cr-KA, Ni-KA, C-K, Si-KA, Al-KA, O-K, P-KA, S-KA

3.5 性能检验

对管板取样进行的弯曲试验, 弯曲90°时, 表面没有裂纹, 说明此材料有一定的塑性和韧性;当弯曲180°时, 表面产生了大致平行的两条裂纹, 裂纹垂直最大正应力, 弯弯曲曲, 见图14。用微纳米压痕仪对管材测试硬度, 硬度值在HV350左右, 用微纳米压痕仪将压痕压在微裂纹上, 裂纹没有扩展开裂, 没有压碎现象, 说明此材料在常温下, 具有良好的塑性, 即常温条件下应力不会使裂纹产生脆性开裂, 见图15~16。

4 综合分析

4.1 管板材质

根据制造商提供的材质证明, 该换热器管板的材质为0Cr18Ni9。但通过化学成分分析显示, 该管板材质并没有达到国标要求。含碳量高、含铬量低, 这会使管板材料抗晶间腐蚀的能力下降;硫含量高, 超出国标标准, 这会形成非金属硫化物, 使管板材料的韧性下降。

4.2 热疲劳

有文献指出, 热疲劳产生的裂纹大都是表面呈龟裂状的多源裂纹, 裂纹内部呈枝杈状或较平直, 裂纹中常嵌入氧化物, 其断面被氧化物层所覆盖, 一般呈褐色或深灰[2,3]。本文研究的换热器管板表面裂纹的形貌也是呈龟裂状, 内部裂纹也呈现出枝杈状, 裂纹内部嵌入有氧化物, 管板的表面有大量的显微裂纹, 属于明显的热疲劳特征, 所以, 可以判定该管板的开裂存在热疲劳影响因素。

4.3 应力腐蚀

应力腐蚀是指在拉应力作用下, 金属在腐蚀介质中引起的破坏。这种腐蚀一般均穿过晶粒, 即所谓穿晶腐蚀, 应力腐蚀导致材料的断裂称为应力腐蚀断裂[4]。本文中研究的换热器管板的开裂属于穿晶断裂, 实验分析的结论与理论分析一致, 说明该换热器管板的开裂存在应力腐蚀因素。

4.4 低温亚稳定奥氏体转化为α'

有文献研究, 亚稳态奥氏体不锈钢 (18Cr-8Ni) 的应力腐蚀开裂, 由于裂纹尖端的塑性形变以及氢原子在裂纹尖端的扩散和聚集, 会促使尖端地区发生不同程度的γ-α’ (奥氏体向马氏体) 转变[5,6]。而0Cr18Ni9经固溶处理是亚稳定状态的奥氏体不锈钢, 随着温度的降低, 会有一部分马氏体产生, 而使强度升高脆性增大。从实验中发现, 管板断裂也由韧性的韧窝断裂转变成穿晶脆性断裂, 即解理断裂, 这与理论研究相符。

5 结论与建议

1) 通过多管板的化学成分分析, 发现该管板材料的化学成分与国标不符, C、S含量高, Cr含量低, 且夹杂物多, 建议选择符合国标的材料。

2) 通过金相分析可以判定该管板的开裂为脆性断裂和正断断裂。裂纹的扩展过程中有分叉现象, 且裂纹是沿着奥氏体的某一晶界面开裂的, 说明存在应力腐蚀现象。建议在制造与装配之前对管板锻件进行严格的无损检测, 杜绝锻件表面和内部存在缺陷。

3) 通过对夹杂物分析, 发现裂纹首先从管板的表面形成, 表面氧化层上的显微裂纹是裂纹形成的起源点, 建议制造与装配前去除锻件表面氧化物, 提高换热器管板的加工精度。

4) 低温是管板材料变脆的原因, 该换热器管程介质使管板表面产生氧化层, 加上换热管板的温度差所产生的热应变循环作用, 导致换热器管板产生裂纹并扩展, 建议在管板生产加工过程中, 对锻件的固溶处理采用深冷处理, 防止材料在使用过程中从奥氏体向马氏体转变。

5) 建议用户精心操作, 在投用换热器过程中先对其进行升温, 之后室乙烯气化, 避免由于温差过大是管板材料生产热应力。

摘要：对出现开裂后的材质为奥氏体不锈钢0Cr18Ni9的管板进行了现场与实验室检测。实验与理论分析结果表明, 管板开裂为脆性断裂和正断断裂, 裂纹从管板表面首先形成, 低温是管板变脆的原因, 管程中的介质使管板表面产生氧化层以及温度差所产生的热应变循环作用是裂纹产生及扩展的原因。并对此类管板的制造与使用提出了建议。

关键词：裂纹,金相检验,化学成分,残余应力,热应变,应力腐蚀

参考文献

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[4]徐在林.应力腐蚀破裂机理探讨[J].化工装备技术, 1994 (3) :48-51.

[5]王辉绵, 乔玉, 白晋钢, 等.亚稳定型奥氏体不锈钢盘条形变马氏体α'影响因素研究[C].//中国钢铁年会.2001.

Cr18Ni9 篇6

关键词：1Cr18Ni9Ti不锈钢,20R碳钢,异种钢焊接,焊接

异种金属焊接时在连接部位 (焊缝) 将形成成分、组织和性能完全不同于被焊金属的合金。此时, 焊缝的成分、组织和性能主要取决于参与组成焊缝的各部分金属 (被焊材料和填充材料) 之间的比例。这种比例与所用的焊接方法和焊接工艺参数有关。因此, 异种金属的焊接性除与被焊金属所固有的物理化学特性有关外, 在很大程度上还取决于焊接方法和工艺。两种金属均为纯金属时, 焊缝中形成的合金较为简单, 为二元合金。当被焊金属为两种不同系统的合金时, 则焊缝中形成的合金将变得极为复杂, 成为多元系合金。当焊接区内生成固溶体时, 其冶金相容性好, 原则上的焊接性也较好;当生成脆性金属间化合物时, 其冶金相容性就差。

1 焊接性分析

1Crl8Ni9Ti为单相奥氏体不锈钢, 具有高的抗蚀性、抗蠕变性, 但蒸气压和导热率很低。在450℃~850℃温度区间长时间停留, 易发生晶间腐蚀。

在集输和炼油工业中, 中低压的中小型容器常采用20R碳素钢制造, 20R钢是调质状态的, 其热强性和持久塑性较高, 由于碳及合金元累含量较多, 淬硬敏感性较大, 易在焊缝及热影响区出现淬硬组织。在焊件刚性及接头应力较大时, 易产生冷裂纹。其化学成分见表1, 力学性能见表2。

由表1, 2可见, 20R钢与1Cr18Ni9Ti在合金元素含量和物理性能上有很大的差别, 在焊接过程中会出现诸多问题。

1.1 焊缝稀释和熔合区生成马氏体过渡层

20R钢与1Cr18Ni9Ti焊接时, 20R钢的合金成分含量低, 对焊缝金属的成分有冲淡作用, 焊缝的奥氏体形成元素不足, 使焊缝中出现马氏体组织, 从而引起焊接接头质量恶化, 甚至引起裂纹。另一方面, 熔化的母材与填充金属相互混合的程度在熔池内部和边缘并不相同, 熔池边缘液态金属的温度较低, 流动性较差, 液态停留时间较短, 受到机械力搅拌的作用也较弱。故熔化的母材和填充金属不能充分地混合, 在熔合区形成一个合金元素浓度的过渡层。

1.2 熔合区的碳扩散

20R钢与1Cr18Ni9Ti焊接接头在高温条件下使用时, C会从珠光体母材一侧通过熔合线向奥氏体焊缝扩散, 使珠光体母材一侧产生铁素体脱碳层而软化, 同时促使了增碳层的晶粒长大, 沿熔合线生成粗晶区;奥氏体焊缝一侧出现增碳层而硬化。

1.3 焊接接头的界面应力

20R钢与1Cr18Ni9Ti的线膨胀系数差异较大, 它们所组成的焊接接头会产生很大的热应力, 可促使熔合区内缺陷的发展和聚集。另一方面焊缝的化学成分被稀释后易出现马氏体淬硬组织, 在晶界处伴随出现组织应力。焊接接头冷却收缩时, 拘束应力在脱碳层中得到松弛, 而在增碳层集中, 形成应力集中。

1.4 475℃脆性和δ相析出脆化

20R钢与1Cr18Ni9Ti焊接时, 应向焊缝中多加入一些奥氏体化元素, 或减少一些铁素体元素, 控制双相组织中的铁素体量, 即可减弱475℃脆性。焊接接头在500℃~800℃长时间停留, 会生成δ脆性相, 降低接头的塑性和韧性, 同时发生δ相选择性腐蚀。1Cr18Ni9Ti导热率较低, 温度下降较慢, 为降低高温停留时间, 可采取强制冷却方式。

2 焊接工艺

2.1 工艺分析

根据焊接性分析情况, 焊接接头焊前不预热, 焊后不作热处理, 对接头性能有积极的影响, 应通过焊接材料的合理选择, 达到控制和调节焊缝金属化学成分的目的。选用含镍量较高的焊材, 可减少焊缝中的C扩散, 选择与1Cr18Ni9Ti成分相近的焊接材料, 可有效降低稀释率。在焊缝组织中, δ相的存在会引起δ相脆化和δ相选择性腐蚀, 但δ相的存在又可提高抗热裂和抗晶间腐蚀的能力, 5%左右的δs相可有效改善和提高焊缝性能。由此可见, 应通过正确选择高合金化焊材, 适当控制熔合比或稀释率, 使焊缝组织为A+5%F, 以保证焊缝塑性、韧性和抗裂性能。

2.2焊接材料的选择

根据工艺分析结果, 选用H1Cr24Ni13焊丝为焊材。化学成分见表3。

2.3焊接工艺

采用手工氩弧焊方法进行焊接, 其工艺参数见表4。

(1) 选用币Φ2.0mm的H1Cr24Ni13焊丝, 焊前仔细清理焊丝表面油污、铁锈。 (2) 选用时代ZX7-315焊机, 直流正接。电极为Φ2.5mrn的Wce20。 (3) 采用V形坡口, 坡口角度为55°±5°, 钝边l.5mrn, 间隙2.0mm。坡口两侧管内壁10mrn, 管外壁20mrn及坡口表面用内圆磨光机清理, 除去铁锈, 直至露出金属光泽。 (4) 点固焊点位于时钟10点处。焊接时先从6点位置开始, 经3点焊至12点, 再施焊另一侧接缝。由于20R钢导热率较高, 点固焊、打底焊时电弧要偏向20R钢侧, 待两侧母材同时熔化时填丝施焊。 (5) 对1Cr18Ni9Ti侧母材采取强制冷却方式, 用布蘸水包裹1Cr18Ni9Ti侧母材。

3结语

经理论分析和工艺评定试验, 采用H1Cr24Ni13为焊丝的全氩弧焊接方法, 通过合理控制焊缝熔合比, 严格按照焊接工艺规程施焊, 得到的焊接接头完全符合各种性能指标。在焊接方法及工艺参数确定后, 熔合比的控制, 取决于坡口角度和根部间隙的大小, 针对不同壁厚的管件, 要采用不同的坡口角度和根部间隙。

参考文献

[1]俞尚知.焊接工艺人员手册[M].上海:上海科学技术出版社, 1996.

[2]古大田, 方子风.废热锅炉[M].北京:化学工业出版社, 2002:10～85.

[3]周振丰, 张文依.焊接冶金与金属焊接性 (第2版) [M].北京:机械工业出版社, 1992.

Cr18Ni9 篇7

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用板厚为12mm的Q235钢和板厚为10mm的1Cr19Ni9Ti两种异质材料, 选用E309-15 (Cr25-Ni13) 焊条用手工电弧焊焊接, 对形成的焊接接头进行研究。

Q235的碳当量和合金元素的裂纹敏感指数计算为:

一般认为CE≤0.5%时, 钢在焊接时已具有一定的淬硬倾向, 1Crl8Ni9Ti属于奥氏体不锈钢, 具有非常好的塑性和韧性, 因此在焊接时不会发生任何的淬火硬化现象。

1.2 试验方法

针对异种钢焊接特点和对两种材料的焊接性分析, 采取以下焊接工艺进行焊接。

本试验采用ZX7-400 (PE23-400) 手工直流弧焊机;采用对接接头, 接头坡口形式如图2.3所示。

根据以上对两种材料的焊接性分析, 在焊接时采用焊前预热和焊后热处理, 焊接时层间温度控制在小于60℃范围, 采用小电流快速施焊, 然后按照JB4730标准对试样进行X射线探伤, Ⅱ级合格。其余焊接工艺参数见表1所示。

备注:背面采用角向磨光机清根

采用以上工艺进行焊接, 然后对接头进行拉伸试验、冲击试验、显微硬度测试以及金相观察, 并对试验数据进行分析。

2 试验结果及分析

2.1 拉伸试验分析

焊接接头拉伸试验结果显示, 断面收缩率平均值为80.45%, 伸长率平均值为20.37%。每个试样焊缝金属的抗拉强度均高于Q235母材抗拉强度, (Q235母材的抗拉强度为450MPa) 并且断裂位置位于Q235侧母材, 焊缝的抗拉强度大于一侧母材。

2.2 冲击试验分析

采用V型缺口冲击试验方法在室温下测量了焊缝金属、热影响区金属的冲击吸收功, 实验在294/147J冲击实验机上进行。V型缺口分别开在焊缝区和两侧热影响区, 试验结果如表2所示:

2.3 显微硬度测试分析

试验所使用的显微硬度测试仪型号为HVS-1000型, 载荷为1.96N, 加载时间为20s测试了焊态下焊接接头焊缝金属、热影响区金属和母材金属三个区域的显微硬度。从1Cr18Ni9Ti侧热影响区经焊缝金属至Q235侧热影响区方向测试了接头金属的显微硬度, 显微硬度分布如图2所示。

从图2中可以看出, 在Q235侧熔合区金属显微硬度值偏高, 平均达到了240HV, 从熔合区附近开始显微硬度值慢慢降低, 整个热影响区金属的平均显微硬度值为181.3HV, 比Q235侧的熔合区金属的显微硬度值低58.7HV, 而焊缝区金属的显微硬度值分布比较均匀, 和1Cr18Ni9Ti母材相比变化不大。

2.4 焊缝金相组织分析

如图3所示, 在Q235侧母材区显微组织为小块状铁素体、珠光体和小颗粒状的碳化物, 经过不同的焊后热处理之后, 随着热处理温度的升高铁素体块状增大, 颗粒状的碳化物逐渐减少, 其在靠近熔合区的母材部分主要为铁素体组织。1Cr18Ni9Ti母材的组织比较简单, 为分布比较均匀的单相奥氏体组织, Ti的加入产生少量的δ铁素体。铁素体和奥氏体双相组织的存在, 使得1Cr18Ni9Ti的抗腐蚀性能更加优异。1Cr18Ni9Ti不锈钢和Q235焊接, 焊缝金属的组织主要为奥氏体基体上分布有一定数量的骨架或蠕虫状δ铁素体。

结语

通过上面的分析可以得出如下结论:

(1) 焊接接头在室温下的抗拉强度高于Q235母材、显微硬度峰值位于Q235侧熔合区, 焊缝区冲击吸收功比两侧母材低。

(2) 通过制定合理的焊接工艺, 可以在一定程度上控制热影响区晶粒的长大趋势, 从而提高Q235和1Ci18Ni9Ti异种钢的焊接性, 但不能消除长大现象。

参考文献

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[4]李春范, 中国的钢材与焊材[M].焊接, 2006