双相不锈钢材料

双相不锈钢材料（共7篇）

双相不锈钢材料 篇1

摘要：对中海石油华鹤煤化有限公司3052尿素项目所用材料铁素体—奥氏体双相不锈钢SAFUREX进行研究, 介绍了SAFUREX材料物理及化学成分, 在尿素高压圈管道焊接过程中的焊接工艺, 焊接施工过程控制, 质量控制及焊接时的注意事项。

关键词：SAFUREX,焊接工艺,焊接质量

SAFUREX材料是由瑞典Sandvik材料技术公司开发的用于荷兰Stamicarbon公司设计的尿素装置的超级双向不锈钢。其中铁素体含量母材为35%~60%, 焊缝为35%~70%。与其它双相钢比较, SAFUREX材料有更高强度, 更好耐点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀的能力, 同时还有很好的可焊性。与奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢相比, 它既不像奥氏体不锈钢那样, 对焊接热裂纹比较敏感, 也不像铁素体不锈钢的焊接热影响区由于晶粒严重粗化而使塑韧性大幅降低。SAFUREX材料在相同温度、压力及腐蚀介质情况下可以节省大量材料。

2011年5月中海石油华鹤煤化有限公司3052尿素项目采用荷兰Stamicarbon2000+CO2汽提工艺和池式反应技术, 此工艺包材料采用铁素体—奥氏体双相不锈钢SAFUREX, 主要用于3台高压设备池式反应器R06202、汽提塔E06201、高压洗涤器R06203及相应耐腐管道的制造。

1 SAFUREX化学成分和力学性能

1.1 SAFUREX主要化学成分

1.2 SAFUREX力学性能

2 SAFUREX焊接工艺

2.1 焊接方法

SAFUREX材料具有很好的焊接性能, 为了在施工中保证焊接质量, 使焊缝中的金属具有良好力学性能和抗腐蚀能力, 中国化学工程第四建设公司选择了钨极气体保护电弧焊GTAW焊接方法。

2.2 焊接设备选择

根据SAFUREX材料的特点, 焊接设备应选用直流氩弧焊机, 焊机型号WSM-400, 焊机具有电流衰减、高频引弧功能, 焊嘴选用直径尽可能小的焊嘴, 手工钨极氩弧焊枪WP-26。焊枪使用带金属元素的钨极。

2.3 焊接材料及保护气体

2.3.1 焊接材料

由荷兰Stamicarbon公司提供的专用焊丝, 其化学成分与母材相互匹配, 焊丝牌号为SAFUREX。

2.3.2 焊接保护气体选用

SAFUREX材料在焊接过程中, 合金元素N会发生扩散现象, 抑制铁素体像奥氏体转变, 为了补偿保护焊接过程中氮的损失, 我们选择了正面保护气体为98%Ar+2%N2, 背面保护气体为99.99%N2。

2.4 坡口的设计及加工

坡口形式的设计对SAFUREX焊接质量非常重要, 根据国家相关标准、规范、资料及华鹤现场的实际情况, 选择坡口如图1所示。

坡口加工可以采用等离子切割结合不锈钢砂轮打磨方式, 也可以采用机械加工的方式。根据现场实际情况, 小口径管道采用磨光机加工, 大口径管道采用坡口加工机加工。坡口形式和尺寸按GB50236—2011中附录C执行;当对焊组件的不等厚组对时, 坡口形式和尺寸按GB50236—2011第六章执行。加工后必须除去坡口表面的氧化皮、熔渣及影响接头质量的表面层, 并应将凹凸不平处打磨平整, 必须用不锈钢专用磨光片。

2.5 焊接环境

焊接的环境温度应能保证室温 (15℃以上) 。焊接时的风速不应超过下列规定, 当超过规定时, 应有防风设施。手工电弧焊:8m/s, 手工钨极氩弧焊:2m/s, 焊接电弧1m范围内的相对湿度不得大于90%。焊接使用机具必须进行安全检查, 经专业电工确认合格后方可使用。焊接施焊前, 应对周围环境加以清扫整理, 并必须作好必要的防火及其他防护措施。

2.6 SAFUREX材料焊前与焊后的清理

为了保证焊接质量, 焊接前要确保焊件、焊丝表面的清洁度, 可以采用以下两种方法:机械或化学清理, 对焊接坡口及两侧各2cm范围内的油脂、水分、铁锈、氧化物及其他杂物进行彻底清理。焊接前使用荷兰Stamicarbon提供特殊的酸性胶团对坡口进行酸洗, 消除杂物对焊缝金属的影响。焊材在使用前用丙酮清洗干净, 以防止氢致裂纹的产生。焊接完成后, 马上用Stamicarbon提供的酸性胶团消除焊缝表面氧化物, 以防止影响SAFUREX耐腐蚀性。

2.7 定位焊与工卡具

定位焊采用过桥式氩弧焊, 并由荷兰Stamicarbon培训合格焊工焊接。点固焊焊缝的长度、厚度、间距要保证焊接时不致开裂, 引弧和熄弧应在坡口内或焊道上;点焊时, 应均匀对称。

工卡具的焊接, 应由荷兰Stamicarbon培训合格焊工担任, 焊接工艺应与正式焊接相同。与母材焊接的工卡具其材质应为SAFUREX。拆除工卡具时不得损伤母材, 拆除后应将残留焊疤打磨修整和母材表面齐平, 管道内错边应低于1.5mm, 否则必须加工成1∶4坡度。管道焊接组对过程中尽量少使用工卡具。

2.8 焊接施工过程控制

焊接施工前应做焊接技术交底工作, 使施工焊工掌握焊接质量要求及相关的规程、规范, 并指导实际工作。焊接时, 焊工必须严格遵照焊接工艺规程进行施焊。

焊接前应将管道端坡口及其内外表面不小于2cm范围内的毛刺、锈、油脂、漆、垢等影响焊接质量的杂质清理干净, 表面用丙酮清洗, 经过无损检测 (PT) 确任没有裂纹后方可组对。焊接前管内应提前冲氮气, 并保持微弱正压, 处于流动状态, 确认管内空气彻底置换干净后方可进行焊接。

焊接过程中应控制焊枪角度, 保证坡口两边熔合。尽量采用短弧焊, 焊枪不宜摆动, 焊丝均匀送入溶池。焊接过程中保证焊丝的加热始终在98%Ar+2%N2的保护下, 熄弧后氩弧焊把要停留在原处几秒钟, 保证焊丝和焊缝金属不被氧化。焊丝被氧化的部分必须剪除。根部焊接完成后等焊缝冷却再做无损检测 (PT) , 确认无缺陷后再进行下道工序, 如果发现缺陷必须处理。焊接过程中控制层间温度不得高于100℃, 热输入要在8~15k J/cm之间。为保证小的线能量一定要采用多层多道焊。SAFUREX焊接工艺参数见表3。

在整个焊接过程中, 必须以短弧焊接, 且背面一直保持充氮保护。焊接施工过程如图2所示。

3 质量控制

3.1 焊接工艺评定

根据管道规格, 进行了SAFUREX水平固定位位置焊接工艺评定, 根据焊接工艺评定报告编制焊接工艺指导书, 提供给现场焊工学习。焊接工评定实验结果见表4。

3.2 焊接过程质量控制

3.2.1 外观检查

焊缝外观质量标准应符合GB/T50683—2011《现场设备、工业管道焊接工程施工质量验收规范》的规定。观察检查使用放大镜、焊缝检测尺和钢尺检查。所有管道焊口质量的外观检查, 应按设计图纸规定的标准在焊缝冷却后进行, 冷却后除去飞溅物等, 把表面清理干净后进行100%的外观自检, 并填写焊缝外观检查记录。

3.2.2 无损检测

(1) 无损检测方法:无损检测方法按照设计要求选用, 无损检测质量要求按照JB4730.2—200《承压设备无损检测》执行。焊接工程师须建立管道焊口记录表, 以跟踪焊缝评片、返修、合格等级记录。

(2) 焊缝返修:焊接工程师编制焊缝返修工艺卡。焊工根据返修通知单按照焊缝返修工艺卡对不合格的焊缝应进行返修, 焊缝同一部位的返修次数不得超过两次。

3.3 焊工培训与考试

鉴于SAFUREX材料是一种新型材料, 我公司特邀请瑞典Sandvik材料技术公司和荷兰Stamicarbon公司的工程师来到施工现场对焊工及管理人员进行培训及考试, 经过一周的培训, 参加培训的焊工全部通过Stamicarbon公司考试并取得证书。

4 结束语

了解SAFUREX材料力学性能和焊接工艺, 编制切实可行的焊接工艺指导书, 对焊工进行培训及考试, 焊接过程要进行严格控制, 是SAFUREX高压管道取得优良焊接质量的保证。由中国化学工程第四建设有限公司焊接的SAFUREX尿素高压管道, 一次合格率达到了99%。中海石油华鹤煤化有限公司3052尿素项目SAFUREX材料焊接实践证明, 只有严格对焊接过程加以控制, 才能保证SAFUREX材料的焊接质量, 满足现场工艺的使用要求。

参考文献

[1]中国机械工程协会焊接协会.焊接手册 (2001版) [M].北京:机械工业出版社, 2001.

双相不锈钢熔模铸造工艺研究 篇2

关键词：熔模铸造,蜡模,型壳,浇注

0 引言

双相不锈钢是指在它的固溶组织中铁素体相与奥氏体相约各占一半,一般较少项的质量分数最少也需要达到30%的不锈钢。双相不锈钢将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起,具有良好的局部耐腐蚀性能及综合力学性能。广泛应用于石油、天然气、化肥、造纸、食品设备、海水环境、能源与环保工业、轻工和食品工业。对于形状复杂的泵轮、阀体等通过其他加工手段难以成型的双相不锈钢产品,需要采用熔模铸造方法进行生产。

1 双相不锈钢熔模铸造的工艺流程

双相不锈钢产品种类繁多,其一般熔模铸造过程主要由图1所示几道工序组成。

1.1 压制蜡模

制造熔模是熔模铸造工艺中的重要环节,熔模的质量直接决定了最终形成的铸件的质量。

首先进行模料的配制,将石蜡和硬脂酸按照各50%的比例混合后放入水浴化蜡缸加热至90℃直至化成液状,同时用卧式蜡片机加工蜡片,将蜡液和蜡片按照1:1的比例放入搅拌机内搅成均匀的膏状蜡料,然后放入恒温箱,在45~48℃温度下保温。

将需要压铸的压型预热至15~25℃,并在压型表面涂薄层脱模剂,以便从压型中取出熔模,分型剂可为10#变压器油或松节油,将膏状蜡料用0.3~0.5 MPa的压力压入压型中成型,室温保持在20~25℃温度条件下,按照熔模大小和壁厚程度将熔模在压型中保压,合理的保压时间能够使蜡模具有足够的强度和准确的尺寸。

1.2 制备型壳

制造优良的型壳对于获得优质的熔模铸件是必不可少的,型壳涂料分为表面层和加固层,涂在熔模表面的为表面层涂料,其作用是能精确地复制熔模的表面形状,形成致密、光滑的型腔表面,加固层涂料也称背层涂料,其作用是加厚、加固型壳,使型壳具有良好的强度及透气性等性能。

熔模铸造的型壳主要由黏结剂和耐火材料两部分组成。黏结剂的种类主要有硅溶胶、硅酸乙酯和水玻璃三种。由于成本较高,且污染环境,硅酸乙酯黏结剂已经很少使用,水玻璃黏结剂主要适用于表面质量要求不高的铸件,由于双相不锈钢铸件一般形状复杂、表面要求较高,故选择硅溶胶为黏结剂。

表面层涂料主要由黏结剂(硅溶胶)、耐火粉料、表面润滑剂、消泡剂等组成,耐火粉料可以选择电熔刚玉、锆英粉或熔融石英,表面润滑剂可以选用聚氧乙烯烷基醇醚,消泡剂选用有机硅树脂消泡剂。过渡层涂料主要由黏结剂(硅溶胶)和耐火粉料、润湿剂、消泡剂组成。将以上涂料材料按照硅溶胶→润湿剂→耐火粉料→消泡剂的顺序加入料筒中用L型搅拌机进行搅拌,搅拌均匀并达到工艺规定的时间,用流杯测定涂料黏度合格就可以使用了。

蜡模浸涂料后还需要进行撒砂工序,撒砂的目的是用砂粒固定涂料,并使型壳具有足够的强度、透气性和退让性,表面层的撒砂种类应与表面层耐火粉料相一致,适宜粒度为100/120目,加固层由内向外选用30/60目、16/30目的莫来石粉。撒砂后的型壳需要在规定的温度和湿度下进行干燥,表面层一般采用自干方式,时间长一些,加固层采用风干方式,一般每层干燥2~3 h即可。

1.3 型壳脱蜡和焙烧

型壳涂挂完成后,可以采用高压蒸汽法用蒸汽脱蜡釜进行脱蜡,脱蜡后进行型壳焙烧,目的是清除型壳内残余蜡料、水分及其它挥发物,焙烧温度通常为850~1100℃,并保温规定的时间,焙烧良好的型壳应具有较好的透气性,型壳外观呈白色或浅白色。

1.4 浇注

浇注是将熔炼出的预定化学成分与温度的金属液趁热浇注到型壳的过程。常用的方法是重力浇注法,双相不锈钢产品大多也采用这种方法,即型壳从焙烧炉中取出后,在高温下进行浇注,由于型壳温度高,金属在型壳中冷却慢、流动性好、充型效果好,能够大大提高铸件质量。双相不锈钢的凝固范围(125~140℃)较奥氏体铸钢的凝固范围(25~40℃)高得多,因此在凝固枝晶间存在显微收缩问题,所以双相不锈钢铸件采用较大的冒口。除采用底注外,对厚壁大型铸件应设置副浇口,以提高冒口补缩热效率。

铸件凝固结晶的方向性强,铸件几何外型上要注意型线设计流畅,避免由于高热梯度出现撕裂和凝固裂纹。钢液吸气能力强,铸件容易产生针孔和皮下气泡等缺陷,所以在熔炼时需要注意:1)脱氧状态良好;2)控制合适的出钢温度和浇注温度;3)浇注完成后,应冷却合适的时间后再进行清理。

1.5 铸件清理

铸件冷却后,通常采用机械脱壳法或高压水清砂法清除铸件型壳,用切割机或等离子等设备切除浇冒口和工艺肋,然后用角磨机磨削铸件上的浇冒口余根,再用抛丸或喷砂法清整铸件表面和内腔的黏砂和氧化皮,最后在满足铸件技术要求的前提下,对铸造缺陷进行修补,形成合格铸件。

2 结语

本文针对双相不锈钢的性能特点,详细介绍了形状复杂的双相不锈钢零件的熔模铸造工艺过程,可为相关产品的加工制造提供参考。

参考文献

[1]吴玖.双相不锈钢[M].北京:冶金工业出版社,1999.

[2]周志明,王春欢,黄伟九.特种铸造[M].北京:化学工业出版社,2014.

[3]包彦,陈才金,朱锦伦.熔模精密铸造技术[M].杭州:浙江大学出版社,2012.

双相不锈钢的发展、特点及其应用 篇3

1 双相不锈钢的发展

1.1 历史背景

为了解决铁素体类或马氏体类不锈钢在酸性环境下耐腐蚀能力不足的问题, 20世纪30年代, 许多国家开始双相不锈钢的研制工作, 相继有多种合金含量不同的双相不锈钢被开发出来, 典型的代表有瑞典的435E、3RE60钢, 法国的Urnnus50钢。这些钢种成为了最早的双相不锈钢, 即第一代双相不锈钢, 其中又以3RE60钢最具代表性。这种钢的含碳量极低, 加工性能和焊接性能良好, 同时耐局部腐蚀和应力腐蚀的能力较强, 因此得到了较为广泛的应用。

20世纪70年代, 得益于二次精练技术的出现以及双相不锈钢中其他合金元素的加入, 尤其是氮元素的添加, 使得双相不锈钢的发展有了一个很大的突破, 进而研制开发了第二代双相不锈钢, 典型的代表是SAF2205钢。这种钢的力学性能和耐局部腐蚀能力得到了很大的增强。第二代双相不锈钢解决了第一代双相不锈钢铁素体含量过高的问题, 改善了材料的冷、热加工工艺性能, 减少了C对耐腐蚀性能的不利作用。

对于船海工程、石油化工这类工况复杂、苛刻的行业, 第二代双相不锈钢的耐海水腐蚀能力和焊接性能表现出局限性。因此, 世界各国都致力于研制腐蚀性更强的双相不锈钢。20世纪80年代, 运用热力学数据, 研制开发了超级双相不锈钢, 典型代表为SAF2507钢。作为第三代双相不锈钢的代表, SAF2507钢提高了合金元素的含量, 较好地平衡了铁素体和奥氏体的相比例。通过热成形的方法使两相的比例接近1∶1, 同时强度得到极大的提高。

双相不锈钢开发至今, 其研制与发展经过了80多年, 已形成了比较完善的系列。在化学成分、材料组织、性能、制造及加工等各方面也有了较为完善的方法和措施。表1为国内外几种常见的双相不锈钢的化学成分。

1.2 双相不锈钢的特点

双相不锈钢具有铁素体和奥氏体两相组织, 通过正确的方法控制化学成分, 并运用合理的热处理工艺, 可以将双相不锈钢的超强的耐腐蚀能力、力学性能和焊接性能发挥到极致。双相不锈钢的主要特点为: (1) 良好的耐氯化物应力腐蚀能力, 在化工工业中可用于冷凝器、热交换器等设备。 (2) 极佳的强度与韧性。双相不锈钢材料的延伸率可达到40%, 通过正确的方法进行热处理, 可使强度提高到1 500 MPa以上。同时, 热处理后材料的渐变微观结构使得其抗冲击性能得到提升。 (3) 优良的焊接性能, 热裂倾向较小, 不需要进行焊后热处理。 (4) 不适宜在高温的工况下长时间使用, 这将降低材料的韧性。 (5) 热处理过程在铁素体和奥氏体的晶界处易析出有害相相, 这将导致材料韧性和耐腐蚀性能的急剧下降。

2 双相不锈钢的应用

双相不锈钢无论从其优良的耐腐蚀性, 还是从其力学性能方面着眼, 都有着极佳的使用性。经过80多年的改进和开发, 双相不锈钢已在船海工程、海水淡化、深海油田、化工工业等各个领域得到了广泛的应用。

2.1 船海工程

海洋平台、船舶等结构物的工作环境为海洋, 而海水的腐蚀性很强, 尤其近年来海水遭到污染, 海水中的硫酸盐被还原后产生了具有强烈腐蚀性的硫离子, 因此这类结构物在建造时要特别重视材料的耐腐蚀性能。目前, 双相不锈钢已用于制作海洋钻井, 生产、作业平台, 船舶轴系, 船用螺旋桨等。日本利用双相不锈钢制作的螺旋桨, 在满足耐腐蚀的前提下, 由于强度高, 在相同的设计条件下降低了螺旋桨的重量, 从而减小了螺旋桨的转动惯量, 提高了推进效率, 同时减轻了螺旋桨的振动, 降低了噪声。

2.2 建筑结构

世界上有许多桥梁及其他建筑也开始使用双相不锈钢, 例如使用SAF2205钢建造的英国York桥、瑞典的Aparte桥以及纽约的Brooklyn大桥。由于双相不锈钢极高的强度和良好的韧性, 使得这些桥梁拥有很好的抗疲劳性能, 寿命是普通桥梁的2倍以上。美国卡塔尔多哈国际机场屋顶采用双相不锈钢建造, 是目前世界上最大的不锈钢屋顶。

2.3 化工工业

双相不锈钢的耐氯化物腐蚀性能很好, 因此, 它被广泛应用于热交换器、反应器、压力容器等设备, 并用于硫酸、磷酸、聚氯乙烯等化学产品的生产。同时, 其高强度的特点在制作存储槽、运输罐时也能够很好地反映出来。

3 结束语

双相不锈钢的最新发展动态是通过添加微量合金W、Cu、Re等, 开发新的高牌号双相不锈钢。这些微量元素的添加进一步提升了材料的耐腐蚀性、力学性能和焊接性能。最新研发的新型稀土双相不锈钢有SG52和Safurex等。在镍价波动变化大时, 开发节镍经济型钢种也是双相不锈钢的发展动态之一, 目前这类经济型新钢种有UNSS32001, 同时在生产工艺上也有一些改进与发展。双相不锈钢以其优异的性能在很多领域得到了应用, 同时, 新型的稀土双相不锈钢和超双相不锈钢的研制将会使其拥有更为广阔的应用前景, 双相不锈钢的不断研制与开发也将成为不锈钢发展的一个重要方向。

摘要：双相不锈钢于20世纪30年代被开发出来, 其以优良的性能在船海工程、深海石油、化工工业、建筑结构等领域得到了广泛的应用。简单介绍了双相不锈钢发展的历史背景, 综述了双相不锈钢的性能特点和几种常用不锈钢的主要化学成分, 最后介绍了双相不锈钢在各个领域的应用及其未来的发展前景。

关键词：双相不锈钢,耐腐蚀能力,力学性能,性能特点

参考文献

[1]孙文山.双相不锈钢及其应用[J].化肥设计, 2000 (05) .

[2]高娃, 罗建民, 杨建君.双相不锈钢的研究进展及其应用[J].兵器材料科学与工程, 2005 (05) .

双相不锈钢材料 篇4

双相不锈钢是一类优良的耐腐蚀高强度和易于加工制造等诸多优异性能的钢种。它与奥氏体不锈钢制造有许多相似之处,但也有重要区别。双相不锈钢在焊接方面,它与奥氏体不锈钢的区别是,奥氏体不锈钢的焊缝凝固过程中易产生热裂倾向。而双相不锈钢具有非常好的抗热裂性,焊接时很少考虑热裂。双相不锈钢焊接最主要的问题是热影响区而不是焊缝金属,热影响区的问题是耐蚀性、韧性降低或焊后开裂。焊接时重点是考虑使在450~850℃温度范围内的停留时间最短。

1 材料

焊接工艺评定材料。

1.1 试板材料采用ASME SA-240 S31803双相不锈钢板。

1.2 焊接材料

(1)填充金属:在选用焊材时,应考虑与母材化学成份和力学性能性相配备的焊接材料。焊接材料所焊的熔敷金属强度、塑性和冲击韧性都不能低于被焊钢种的最低值。还应把焊缝可能产生的缺陷、焊接工艺、焊接规范、坡口形式和焊接设备等因素考虑在内。根据双相不锈钢SA-240(S31803)的特点,选用型号ER2209双相不锈钢焊丝作填充金属,这类焊丝的熔敷金属具有奥氏体-铁素体双相组织,其特点也具有较高的抗拉强度和良好的抗应力腐蚀能力或抗点腐蚀性能。(2)气体:采用氩气,其纯度为99.95%以上。

2 焊接设备

采用美国米勒公司的(Syncrowave250)钨极氩弧焊机。焊接不锈钢时采用(GTAW)焊直流正接(DCEN),电极为负极,工件为正极。电极采用￠2.4mm2%钍钨极(AWS 5.12规范EWTh-2类别)通过将电极(钨棒)磨成顶角为25~30°来控制电弧。

3 工艺制作

3.1 等离子和激光切割双相不锈钢采用与奥氏体不锈钢同样的加工方法,用等离子切割设备进行常规加工。

3.2 坡口加工

双相不锈钢的接头设计必须有助于完全焊透,并避免在凝固的焊缝金属中存在未熔合的母材。坡口最好切削加工而不采用等离子切割和砂轮打磨。

3.3 焊前清理焊前工件坡口两边100mm范围内用丙酮或酒精等清理干净。

4 焊接工艺

焊接工艺的制定应根据母材与焊材的可焊性来选择适当的焊接工艺规范。对于双相不锈钢来说,用(GTAW)焊接,通常使用填充金属为镍合金元素含量稍高的金属填充。定位焊时,背面应采用气体保护,每处长度不小于是15mm,电源极性采用直流正极(DCEN),第一层使用单道焊,二至七层采用多道焊,层间温度限于150℃以下范围内,以使后续焊道的热影响区有足够时间冷却。

4.1 层间温度

双相不锈钢能够承受相对高的热输入,焊缝金属凝固后的双相组织的抗裂性优于奥氏体不锈钢焊缝金属。控制层间温度主要目的是为了防止450~850℃停留时间太长,可能会产生晶间腐蚀和热影响区的问题。所以层间温度限于150℃以下可被面产生晶间腐蚀和提高热影响区的耐腐蚀性和韧性。

4.2 气体保护

最常用的惰性气体,有为纯度99.95%或更高的干澡氩气实施保护。焊接时应在起弧前几秒钟启动气体,灭弧后再保持几秒,保持时间最好足够使焊缝和热影响区冷却到双相不锈钢氧化温度范围以下。在电极的有效工作范围内,焊缝背部使用气体扩散网(小孔气筛)气体流速为12~18L/min的纯氩保护。

5 焊接操作

根据工艺要求,用(GTAW)焊接,正背面均采用99.99%Ar气作保护,焊缝定位焊,在对接处一侧引弧,在把电弧拉至始焊部位,焊枪横向摆动,待金属熔化时连续填丝进行焊接。定位焊长度应不小于是15mm,在焊接填充根部第一道焊时将填充金属的起点和终点修磨成平滑过渡的倾斜角度。焊枪采用从右向左焊,焊炬角度与工件成60~800夹角,焊丝与工件给进夹角为150~250。

第一道焊时钨棒伸出气套一般为5~7mm左右电弧较集中,根部易熔合焊透。

焊接第二至七层应采用多道焊,尽量减少坡口焊道内的红热温度停留时间,层间温度控制在80~150℃以内,直至坡口填满。

6 焊后热处理

双相不锈钢不需要进行热处理。否则会使双相不锈钢析出间相或脆性相,降低韧性和耐蚀性。

7 检验

(1)焊后焊缝外观检查:用肉眼或数倍放大镜观察接头表面,焊缝表面未存在未焊透、未熔合、表面气孔、焊瘤等缺陷。(2)无损检测:X射线探伤按JB/T4730-2005探伤标准和ASME-Ⅸ卷QW-191探伤标准拍片合格。(3)力学性能试验:根据ASME-Ⅸ焊接工艺评定要求,分别取得面弯、背弯和拉伸试样各两件,经过对试样进行拉伸、弯曲、硬度、金相等力学性能试验。

8 结论

检验结果表明,双相不锈钢采用手工钨极惰性气体保护焊(GTAW)焊接,对ASME SA-240(S31803)双相不锈钢板做了焊接工艺评定。试验结果表明,该焊接方法所评定出焊缝的性能能够得到保证,其焊接工艺评定报告(PQR)和焊接工艺指导书(WPS)是合格的。在实际生产中是可行的。

摘要：压力容器产品制造过程中,产品的焊接工艺是否合理、先进将会直接关系到产品的质量。为确保产品的焊接质量,在正式焊接施工前必须进行焊接工艺评定。焊接工艺评定就是按照所拟定的焊接工艺,根据标准的规定,制作焊接试件,检验试样,测定焊接接头是否具有标准所规定的各种性能。双相不锈钢S31803采用(GTAW)焊接,目的就是,通过焊接工艺评定,获得焊接接头的力学性能及耐腐蚀性是否符合标准要求。为今后编制焊接工艺规程提供依据。

双相不锈钢材料 篇5

2205双相不锈钢是目前应用最为普遍的双相不锈钢,它是一种典型的含N、超低碳、双相α+γ不锈钢。该钢具有高强度、高抗疲劳强度、低温韧性、耐孔蚀性、对应力腐蚀裂纹不敏感等优点,广泛用于石油天然气输送、海洋工程、化学工业等领域的大型容器、管道及造纸等工业中,有望成为奥氏体不锈钢的替代产品[1]。

最初的双相不锈钢由于焊接性很差,难以推广应用,随着加N双相不锈钢的出现,使其焊接性得到改善,与奥氏体不锈钢相比具有较好的力学性能、耐蚀性及价格优势,在国内已大量使用。如西气东输高压管道就采用了2205双相不锈钢。本文从实际应用的角度,分析了影响该种材料焊接性的因素。

1 2205双相不锈钢的化学成分(见表1)

2205双相不锈钢的主要成分为Cr、Ni、Mo、N。其中Cr、Mo是α相形成元素,Ni、N是稳定γ相元素,N同时又是一个主要固溶强化元素。

2 影响焊接性因素的分析

2.1 冷却速度

2205双相不锈钢在正常供货状态下大约具有50%铁素体和大约50%奥氏体,但经焊接后,接头刚凝固时的组织为单相铁素体,奥氏体是在接头温度低于1300℃后由铁素体逆转变为奥氏体而生成的。它的数量除与化学成分有关外,主要取决于冷却速度,冷却速度对γ相数量的影响见图1。由图可知,快速冷却的焊缝组织中α相的比例可能会超过80%,致使焊缝韧性下降,氢脆敏感性增加。

2.2 氮含量

早期的双相不锈钢没有得到普及,主要原因之一就是热影响区铁素体含量过高。现代双相不锈钢通过Creq/Nieq的控制,特别是N的提高,保证热影响区有足够的奥氏体以维持必要的相平衡,从而使焊接性得到改善。图2~图5为2205双相不锈钢采用Ar+N2混合气体钨极气体保护焊,通过改变混合气体中N2分压来影响焊缝中的含氮量。

实验显示,随着混合气体中N2分压的增加,焊缝中氮含量开始迅速增加随后变化很小。焊缝中铁素体含量隧氮含量的增加呈线性下降,在Ar气中加2%的N2效果最好,不仅可以避免表面层焊缝金属的N的损失,且可以进一步促进焊缝中奥氏体的生成[2]。在纯Ar气中焊接,焊缝金属的抗拉强度和伸长率明显低于母材,当焊缝金属中氮含量增加到约0.4%时,其抗拉强度和伸长率接近于于母材。

2.3 焊接热输入

用质量分数为Cr22%、Ni9.5%、Mo3%、N0.13%的焊条焊接2205双相不锈钢,当热输入为4KJ/cm、8KJ/cm、11KJ/cm、16KJ/cm时,焊接接头热影响区的V形缺口冲击功分别为41.2J、48J、49J和35.3J。由此可见,焊接热输入太小和太大都对热影响区的冲击韧性不利。

2.4 σ相脆化

在母材和焊缝金属的再次加热过程中,由铁素体析出σ相。σ相是一种脆性相,会沿晶界析出,影响不锈钢的耐晶间腐蚀性能。Mo的存在扩大了σ相析出的温度范围(高于950℃时σ相仍存在)和缩短了其形成的时间。实验结果显示,σ相的析出在焊缝中比母材中快,焊缝金属由σ相引起的韧性降低也比母材快。

2205双相不锈钢含有较高的Mo,其从1300℃缓冷至室温过程中不可避免地要析出σ相。焊后经1050℃固溶处理可基本消除σ相,且热影响区晶粒细小,有助于热影响区韧性的恢复[3]。

2.5 焊后消应力处理

2205双相不锈钢焊后进行300~700℃消应力处理会导致α相析出而产生475℃脆化。在700~1000℃消应力处理会导致金属间化合物的析出,二者均可引起韧性和抗腐蚀性的降低,所以2205双相不锈钢焊后不必进行消应力处理。

3 焊接注意事项

从影响2205双相不锈钢焊接性的因素可知,要保证焊接接头的力学性能和耐蚀性,应使α/γ≈1,焊接时可以从以下几方面来考虑。

(1)手工电弧焊、钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊都可用于2205双相不锈钢的焊接。对于不加填充材料的TIG焊,推荐采用Ar+N2的混合气体作为保护气体,使接头获得足够数量的奥氏体。

(2)焊接材料要选用比母材含Ni量高的双相钢焊材,通常w(Ni)相对于母材应增加2%~3%,保证焊态下焊缝组织中具有合适的α/γ比[4]。

(3)焊接时可以通过Schaeffler不锈钢组织图控制母材和焊材的成分及工艺参数,使接头铁素体含量在30%~40%为宜。

(4)焊接时不需预热、后热,一般不进行热处理。尽量采用多层多道焊,层间温度<100℃。第一焊道热输入量不能太小,冷却不能太快,让焊缝在冷却时要有一定的时间从分析出奥氏体达到相平衡。

(5)施工现场应无水、油、油漆等污染物,同时还应避免碳钢、铜、低熔点金属对不锈钢的污染,工件最好放在木垫或不锈钢垫板上。

4 结束语

2205双相不锈钢应用前景广阔,韧性和耐蚀性是其焊接时两个重要的质量指标,生产中制定详细的工艺规范并严格执行,是保证双相不锈钢焊接质量的关键。

摘要：2205双相不锈钢是目前应用最为普遍的双相不锈钢,与奥氏体不锈钢相比具有较好的力学性能、耐蚀性及价格优势,在国内已大量使用。本文从实际应用的角度,分析了影响该种材料焊接性的因素。

关键词：双相不锈钢,焊接性,两相比例

参考文献

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双相不锈钢材料 篇6

S31803是标准双相不锈钢, 占双相不锈钢总量的80%以上。在生产中S31803应用很广, 尤其是在操作介质为辛酸、氮气、苯乙酮的设备中应用很多, 这些介质具有中高度毒性和爆炸危险性, 且设备的工作温度一般较高, 接近200℃, 所以对焊缝的要求很高。基于S31803在生产中应用很广且接触的介质使用条件恶劣, 所以选择S31803作为焊接母材来研究其焊接性具有广泛的实践意义。

1 双相不锈钢的性能分析

1.1 双相不锈钢的概况

双相不锈钢是指金属金相组织中既有奥氏体又有铁素体且各占约50%的不锈钢, 其显微组织如图1所示。双相不锈钢一般分为四种类型:Cr18型、Cr21型、Cr25型及含Cr25%~26%的超级双相不锈钢。S31803属于Cr21型。

1.2 材料特性

1) 成分特点。双相不锈钢S31803的成分如表1所示。可以看出S31803的C质量分数在0.02%~0.03%之间, 属于超低碳;Cr质量分数在23%~26%之间, 属于高Cr质量分数。

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2) 组织特点。双相不锈钢的组织由铁素体和奥氏体两相组成且独立存在, 一般最少相的含量应大于15%, 而实际工程中应用的奥氏体+铁素体双相不锈钢多以奥氏体为基并含有不小于30%的铁素体。S31803就是两相各约占50%的双相不锈钢。

3) 性能特点。双相不锈钢由于兼备了超低碳、室温为铁素体和奥氏体的双相组织、Cr含量高以及添加了Mo、N等元素的特点, 使其具有更高的耐应力腐蚀、耐缝隙腐蚀、耐Cl-点腐蚀、耐晶间腐蚀、耐高速泥沙冲刷[1]等能力, 具有较高的力学性能、较低的热膨胀性能、较好的可焊性和较低的使用成本等优点。S31803的力学性能如表2所示。

2 焊接冶金

焊接过程中, 双相不锈钢在热循环的作用下, 焊缝金属和热影响区的组织发生了一系列的变化。在高温下, 双相不锈钢的金相组织全部由铁素体组成, 奥氏体则是在冷却过程中析出的。

2.1 相分析

双相不锈钢从液相凝固后首先形成铁素体组织, 这一组织保留至铁素体溶解度曲线的温度, 随着温度的降低开始生成奥氏体相, 即在更低温度下才发生铁素体向奥氏体的转变, 形成双相组织。双相不锈钢的焊接热影响区的组织变化取决于钢种自身的化学成分和热循环的状态。当Creq/Nieq>2.0时, 随比值的增大, 铁素体溶解度曲线温度急剧下降, 热影响区铁素体相的范围随之扩大;当Creq/Nieq>2.5时, 熔合线附近形成较宽的铁素体单相区。由表1得到:S31803的Creq/Nieq=3.54, 故焊接后其焊缝区域有较宽的铁素体单向区。除成分影响外, 焊接热循环的参数, 如加热速度、高温停留时间和通过相区的冷却速度都会影响焊接热影响区的组织变化。

2.2 相比例要求

双相不锈钢焊接接头的力学性能和耐腐蚀性能取决于焊接接头能否保持适当的相比例, 因此, 焊接是围绕如何保证其双相组织进行的。当铁素体和奥氏体质量分数各接近50%时, 性能较好, 接近母材的性能。改变这个比例关系, 将使双相不锈钢焊接接头的耐腐蚀性能和力学性能下降。双相不锈钢S31803铁素体质量分数的最佳值是45%。过低的铁素体质量分数 (<25%) 将导致强度和抗应力腐蚀开裂能力下降;过高的铁素体质量分数 (>75%) 会有损于耐腐蚀性和降低冲击韧性。

2.3 相比例影响因素

焊接接头中铁素体和奥氏体的平衡关系既受到钢中合金元素含量的影响, 又受到填充金属、焊接热循环和保护气体的影响。

1) 合金元素的影响。合金元素的含量直接影响到双相不锈钢的相比例和有关性能。合金元素主要是Cr、Mo、N、Ni、W、Cu等。其中Cr是保证双相不锈钢有合理相比例的主要铁素体形成元素, 随着Cr含量的增加, 双相不锈钢耐蚀性也提高;Mo是铁素体形成元素, Mo能提高双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能, 但Mo含量较高时, 会增加钢的脆性;N是强烈形成奥氏体的元素, 在双相不锈钢中, 高温时N稳定奥氏体的能力比Ni大, N还能提高双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能;Ni能调整双相不锈钢有一个合理的相比例;W是铁素体形成元素, 它也能提高双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能;Cu能提高钢在还原性介质中的耐蚀性。

2) 填充金属的影响。填充金属成分与母材相同时, 焊缝金属的铁素体量会急剧增加, 甚至出现纯铁素体组织。为了抑制焊缝中铁素体的过量增加, 采用奥氏体占优势的焊缝金属是双相不锈钢的焊接趋势。一般采取在焊接材料中提高镍或加氮这两种途径。通常焊缝金属中镍的质量分数最好比母材高出2%~4%。

3) 热循环的影响。双相不锈钢的最大焊接特点是热循环对焊接接头组织的影响较大, 制定焊接工艺的关键点在于使焊缝和热影响区保持适量的铁素体和奥氏体组织。热循环的最高温度和快速冷却可促使双相不锈钢组织铁素体化。因此, 多层多道焊是有益的, 后续焊道对前层焊道有热处理作用, 使焊缝金属中的铁素体进一步转变为奥氏体, 成为以奥氏体占优势的两相组织;同时毗邻焊缝的热影响区中的奥氏体也相应增多, 且能细化铁素体晶粒, 减少碳化物和氮化物从晶内和晶界析出, 从而使整个焊接接头的组织和性能显著改善。正是由于焊接热循环的影响, 焊接S31803时要求先焊接与介质接触的焊道。

4) 工艺参数的影响。焊接工艺参数中的焊接热输入对双相组织的平衡起着关键的作用, 除了影响焊缝两相中的合金元素分配, 还影响焊缝金属的两相比例。由于双相不锈钢在高温下是100%的铁素体, 如果热输入过小, 热影响区冷却速度过快, 奥氏体来不及析出, 过量的铁素体就会在室温下过冷保持下来;如果热输入过大, 冷却速度过慢, 尽管可以获得足量的奥氏体, 但也会引起热影响区的铁素体晶粒长大以及σ相等有害金属相的析出, 造成接头脆化。为了避免上述情况的发生, 焊接S31803时要控制焊接热输入和层间温度, 并使用填充金属。

5) 保护气体的影响。钨极氩弧焊时, 可以在氩气中加入2%的氮气, 有助于铁素体与奥氏体的平衡, 并能防止焊缝表面因扩散而损失氮。

3 双相不锈钢的组织

1) 双相不锈钢中的析出相。双相不锈钢焊接时可能出现三种析出相, 即铬的氮化物、二次奥氏体、σ相等。这些析出相会降低钢的耐腐蚀性能和韧性, 尤其是σ相的存在会降低双相不锈钢在10%H2SO4和3.5%Na Cl溶液中的腐蚀电位。同时高温时, 氮在铁素体中的溶解度增加, 冷却时溶解度减小。氮的减少或者氮的损失会使铁素体量增加, 促进了氮化物析出, 对焊缝金属的耐蚀性能和力学性能造成影响。焊缝金属若是健全的两相组织, 氮化物析出量会很少。控制焊接热输入量和调整焊缝金属化学成分可以维持奥氏体相形成的稳定性, 从而减少有害相的析出[5]。

2) 焊接热影响区的组织转变。组织转变首先发生在铁素体中, 奥氏体相中无变化。α+γ两相的比例随加热温度升高而变化, 铁素体数量增多, 奥氏体数量减少。随加热温度的升高, 会发生γ—α转变, 一般加热到1300℃以上时, 出现单相铁素体组织。冷却时随着温度的降低铁素体数量减少, 奥氏体数量增多。

3) 焊接热影响区的组织和性能。焊接热影响区的组织和性能与母材的相比例直接有关。当双相不锈钢的相比例失调, 在焊接热影响区出现单相铁素体或奥氏体相极少时, 由于氮在铁素体中溶解度很低, 导致大量的氮化物析出, 性能会急剧下降。S31803是两相各约占50%的双相不锈钢, 其热影响区的组织α和γ接近, 如果焊接工艺得当, 热影响区的性能:韧性、塑性和耐蚀性可以达到优异水平。

4 双相不锈钢S31803的焊接性

李为卫、宫少涛等[2]在对双相不锈钢的焊接性及焊接技术的研究中提到, 双相不锈钢焊接工序复杂, 工艺要求高, 焊接问题容易出现质量事故, 在焊接施工中必须制定合理的焊接工艺规程和工艺纪律, 才能保证焊接质量。张建勋等[3]总结了双相不锈钢的焊接性主要取决于焊接热影响区 (HAZ) 的性能, 焊接热循环会对基体的组织和性能产生很大的影响。

对于以S31803为代表的超低碳和含氮的双相不锈钢, 钢中铁素体和奥氏体约各占50%, 通过提高焊缝含氮量, 使焊缝和焊接热影响区保持足够的奥氏体, 能改善接头塑性和耐蚀性能, 使双相不锈钢的焊接性转好, 但是在具体的焊接过程中, 要得到各项指标都合格的焊接件, 仍然需要根据现场情况制定严格的焊接工艺。S31803焊接过程中应该注意以下三个方面的问题。

1) 焊接裂纹。焊接裂纹的敏感性用Creq/Nieq比值来衡量, 当Creq/Nieq比值在1.5~2.0之间时, 焊缝处于两相凝固区, 对凝固裂纹不敏感。S31803的Creq/Nieq较高, Cr的含量达23%, Ni的含量达6.5%, 即双相不锈钢S31803的Creq/Nieq=3.54, 故S31803的焊缝属于铁素体凝固区, 对凝固裂纹有一定敏感性。

针对焊接裂纹, 要在焊接过程中采用合适的焊接材料、焊接方法和控制焊接工艺参数, 才能使焊缝具有很好的抗凝固裂纹能力。冷裂纹与材料对氢致延迟裂纹敏感性有关, 但如果焊接材料选用正确, 可以避免冷裂纹的出现。

2) 热影响区脆化。焊接过程中在焊接热循环作用下, 焊缝热影响区处于快冷非平衡状态, 冷却后总是保留更多的铁素体, 从而增大了腐蚀倾向和氢致裂纹的敏感性。所以S31803焊接的主要问题在热影响区。热影响区的问题主要在于耐蚀性能的损失、韧性损失和后焊接裂纹问题。

为了避免这些问题, 焊接工艺应考虑减少材料处在红热温度范围的时间。

3) 气孔敏感性。S31803的焊缝金属结晶时冷却速度快, 在焊缝表面和内部有产生氮气孔的倾向。另外, 焊条、焊剂受潮或使用含氢气体有可能导致产生氢气孔。

气孔的形成取决于焊接参数和合金成分。为防止产生气孔, 降低气孔敏感性, 在焊接过程中要控制焊缝含氮量, 加强对焊缝的保护和提高焊渣的透气性。

5 结论

焊接双相不锈钢S31803时容易出现焊接裂纹、热影响区脆化以及形成气孔等问题。其焊接性与母材及焊缝金属的化学成分、焊接接头处的组织状态等因素有关, 可以从合理选择焊接材料和合理制定焊接工艺两个方面去优化焊接性。

1) 对于双相不锈钢S31803, 钨极氩弧焊选用Sandvik22.8.3.L (ER2209) 焊丝;焊条电弧焊选用Avesta2205AC/DC焊条;埋弧焊的焊丝选用Autrod16.10, 焊剂选用FLUX10.93。实践证明这些焊接材料能满足焊接工艺的要求。

2) 焊接时采取多层多道焊且首先焊接与介质接触的焊道;焊接过程中要严格控制热输入和层间温度;在钨极氩弧焊时用到的氩气中要加入2%的氮气。

参考文献

[1]申艳丽, 孟庆森, 张丙静, 等.焊接工艺对2205双相不锈钢焊接接头综合性能的影响[J].焊接, 2007 (6) :47-51.

[2]李为卫, 宫少涛, 熊庆人, 等.2205双相不锈钢的焊接性及焊接技术[J].热加工工艺, 2006, 35 (3) :36-38.

双相不锈钢材料 篇7

氢氟酸是烷基化油生产过程中常用的一种催化剂,具有很强的腐蚀性。出于成本考虑,氢氟酸烷基化装置中的塔类、管线、罐类和冷换设备等大多采用Q235钢制造[1],因此这些设备在运行过程中都会遭到不同程度的氢氟酸腐蚀,给企业的安全运行带来隐患。Monel合金钢抗氢氟酸腐蚀性能非常好,但价格昂贵,大部分采用或全部采用并不现实,因此研发其他抗氢氟酸腐蚀的材料是十分必要的。

2205双相不锈钢是一种铁素体和奥氏体相约各占50%的不锈钢,具有较高的屈服强度、良好的低温冲击性以及优良的抗应力腐蚀、晶间腐蚀、点蚀和缝隙腐蚀等性能[2,3,4],已广泛应用于石油天然气、海洋工程、化学工业、核电和建筑等行业[5]。目前,有关2205双相不锈钢在含氯离子的溶液、含溴醋酸、硫酸等溶液中的研究较多[6,7,8],而在氢氟酸中的研究则鲜见报道。因此,本工作考察了2205不锈钢的抗氢氟酸腐蚀行为,以期为工程应用提供借鉴和参考。

1 试验

1.1 试验材料

试验材料为2205双相不锈钢和Q235钢,尺寸为10 mm×10 mm×3 mm,其化学成分见表1。

%

1.2 测试分析

1.2.1 显微组织

通过Leica Q500MW金相显微镜观察2种钢材的显微组织。

1.2.2 浸泡试验

将2205双相不锈钢和Q235钢用砂纸打磨到1 000号,然后用酒精擦拭试样表面,吹干后称重。然后在5%HF溶液(按照40%HF 5 m L,去离子水95 m L的比例进行配制)中浸泡60 h,温度控制在25℃,取出试样再次称重,计算腐蚀速率并转化为年腐蚀速率。

1.2.3 电化学测试

电化学测试由PARSTAT2273电化学系统完成。测试时采用三电极体系:2205双相不锈钢和Q235钢为工作电极,2种试样的测试面积均为1 cm2,背面引出铜导线,用环氧树脂将其包封在聚氯乙烯塑料管中,打磨到1 000号砂纸以后,用乙醇擦拭表面,放入干燥器中干燥后测试;铂片为辅助电极;饱和甘汞电极(SCE)为参比电极(文中所有电位均相对于SCE而言),腐蚀介质为5%HF溶液,体积约200 m L。测试时首先将工作电极在-1.3 V下预极化3 min,以去除试样表面在空气中形成的氧化膜。

动电位极化曲线测试时,对于Q235钢而言,扫描电位范围为从相对于开路电位-0.25 V开始,到相对于开路电位0.35 V时终止;对于2205双相不锈钢而言,扫描电位范围从相对于开路电位-0.25 V开始,到达到过钝化电位结束。扫描速率均为0.5 m V/s。

电化学阻抗测试在Ecorr电位下进行,交流扰动电压幅值为10 m V,测量频率范围为100 k Hz~100 m Hz,采用ZSimp Win软件对阻抗数据进行数值拟合。

1.2.4 腐蚀形貌

用TESCAN VEGA3扫描电镜(SEM)观察腐蚀形貌。

2 结果与讨论

2.1 金相组织

2种钢试样的金相显微组织见图1。可见:2205双相不锈钢的金相组织为奥氏体和铁素体,白色组织为奥氏体,灰色组织为铁素体,两种组织体积约各占50%;Q235钢的金相组织为铁素体和珠光体。

2.2 动电位极化曲线

图2为2205双相不锈钢和Q235钢在5%HF溶液中的动电位极化曲线。可以看出:2条阴极极化曲线的形状是一致的,都由阴极析氢反应控制着反应过程;Q235钢在5%HF溶液中没有出现钝化区,电化学活化过程控制着阳极反应;而2205双相不锈钢在该溶液中则存在着明显的钝化区,钝化区间约0.15~0.85 V,钝化范围较宽。对2种材料的极化曲线进行电化学参数拟合:Q235钢在5%HF溶液中的自腐蚀电位约-0.467 0 V,而2205双相不锈钢在该溶液中的自腐蚀电位约为-0.038 3 V,因此从热力学参数来说,2205双相不锈钢表现出更好的抗氢氟酸腐蚀趋势;2205钢的自腐蚀电流密度约为5.6μA/cm2,而Q235钢的约为894.9μA/cm2,因此从腐蚀动力学角度来看,2205双相不锈钢的腐蚀速度更小,抗氢氟酸腐蚀能力更强。

2.3 电化学阻抗谱

图3为2205双相不锈钢和Q235钢在5%HF溶液中的电化学阻抗Nyquist谱。可以明显看出,两者的Nyquist谱存在着明显差别:2205双相不锈钢的Nyquist谱表现为不完整的容抗弧特征,实部和虚部的数值也较大,这与金属钝化膜EIS谱的典型特征相一致[9];而Q235钢的Nyquist谱表现为容抗弧和感抗弧特征,而感抗弧的出现与腐蚀产物膜的覆盖率和中间产物在电极表面的吸附有关[9],且实部和虚部的数值也明显减小,较2205双相不锈钢降低了2个数量级以上。

采用等效图4a和4b分别对2205双相不锈钢和Q235钢的Nyquist谱进行参数拟合。其中,Rs为溶液电阻,Qf为腐蚀产物膜电容,Rf为腐蚀产物膜电阻,Qd为电极表面双电层电容,Rt为电荷转移电阻,L为感抗,RL为与感抗相关的电阻。拟合结果表明,2205双相不锈钢的电荷转移电阻约为17 220Ω·cm2,约是Q235钢的183倍,表明2205双相不锈钢腐蚀时的电荷转移阻力很大,抗氢氟酸腐蚀的性能更好。

2.4 腐蚀速率

2205双相不锈钢和Q235钢在5%HF溶液中的浸泡腐蚀数据见表2。可以看出,Q235钢在5%HF中的年腐蚀速度约是2205双相不锈钢的192倍,再次验证了2205双相不锈钢具有良好的抗氢氟酸腐蚀性能。

2.5 腐蚀形貌

对2种钢浸泡腐蚀60 h后的试样表面产物进行宏观形貌观察,可以看出:2205双相不锈钢表面仍然光亮,没有明显的腐蚀产物生成;而Q235钢表面则形成了一层灰色产物膜,且较均匀地覆盖在整个试样表面。

试样腐蚀后的表面SEM形貌见图5。可以看出:2205双相不锈钢在5%HF溶液中腐蚀以后,表面的产物膜平整致密完整,几乎看不到明显的缺陷存在;Q235钢表面的腐蚀产物较为粗大,间隙和缺陷较多。

2205双相不锈钢较Q235钢表现出更为优异的抗氢氟酸腐蚀性能,其主要原因是2205双相不锈钢在该介质中能够发生自钝化,钝化区间范围较宽,维钝电流密度较小,钢表面容易形成稳定的钝化膜。同时,电化学阻抗曲线拟合的数据也表明,2205双相不锈钢的电荷转移电阻数值远远高于Q235钢的,表明该钝化膜腐蚀阻力很大,腐蚀困难,抗腐蚀性能优异。

与2205双相不锈钢不同的是,Q235钢在该介质中阳极一直处于活性溶解状态,表面不能发生钝化,不能形成具有保护性的钝化膜,导致腐蚀时电荷转移阻力很小,电荷转移电阻数值相对较低,腐蚀速度远高于2205双相不锈钢。

3 结论

(1)2205双相不锈钢和Q235钢在5%HF溶液中的动电位极化曲线表明,2种材料的阴极过程都表现为析氢反应,而两者的阳极过程却有明显差异。Q235钢的阳极过程表现为活化溶解,而2205双相不锈钢的阳极则发生了钝化,且钝化范围较宽,维钝电流密度很小,表面能够形成稳定的具有良好保护性能的钝化膜。

(2)2205双相不锈钢在5%HF溶液中的阻抗谱表现为不完整的容抗弧特征,这是钝化膜的典型特征;Q235钢的阻抗谱表现为容抗与感抗共存特征。2205双相不锈钢的电荷转移电阻约为Q235钢的183倍,这与浸泡腐蚀试验结果所反映出的趋势相一致,2205双相不锈钢具有更优异的抗氢氟酸腐蚀性能。

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