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沉淀硬化不锈钢的应用与焊接:

发布日期:2019-05-16 16:45:28

  沉淀硬化(PH)不锈钢是一类耐腐蚀合金,其中有的型号可以做热处理,能够提供850MPa-1700MPa的拉伸强度与520MPa-1500MPa的屈服强度,这大概是如304或316奥氏体不锈钢的三到四倍。

  此类沉淀硬化不锈钢可以用在石油和天然气、核工业与航空航天工业,满足此类行业中对高强度、高耐腐蚀性和韧性材料的要求。沉淀硬化不锈钢可以通过单独或组合地添加铜、钼、铝和钛来实现沉淀硬化。

  沉淀硬化不锈钢主要有三种类型,分别是低碳马氏体不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和奥氏体硬化不锈钢,其中一些普通沉淀硬化不锈钢的典型成分列于下表。

  

沉淀硬化不锈钢的应用与焊接

 

  最常见的17 / 4PH的马氏体不锈钢在低温(通常在250℃左右)会转变成马氏体,并且在480-620℃时效时进一步加强。奥氏体-马氏体沉淀硬化不锈钢在固溶处理后基本上完全是奥氏体,需要第二次加热循环至750℃/ 2小时,然后冷却至室温才会形成马氏体。这些合金中的一些需要冷却(-50 / -60℃8小时),以确保完全转变成稳定的奥氏体/马氏体结构,尽管两种最常用的合金FV520和17 / 7PH不需要冷藏来开发最佳性能。

  这些合金的老化发生在500-600°C的温度。奥氏体不锈钢牌号在室温下是稳定的,强度的提高是因为在650-750℃老化形成的析出物。这些完全奥氏体不锈钢可以表现出良好的韧性,有些可以在低温下使用。

  为了获得最佳的可焊性,建议所有三种类型的沉淀硬化不锈钢都先进行退火或固溶处理。片材或带材形式的沉淀硬化不锈钢可处于冷加工状态,但这样其可焊性会严重受损。和很多沉淀硬化合金相同,在焊接和热影响区中获得与母材相匹配的机械性能是一个问题。即使使用匹配的焊接材料,在半奥氏体和奥氏体合金中,完全固溶处理和时效硬化接头的最大强度可能仅为基体金属的约90%。

  

沉淀硬化不锈钢的应用与焊接

 

  17/4PH沉淀硬化不锈钢在时效热处理过程中,有时可能会因为发生热裂纹而导致沿熔合线失效。在这种情况下,元件应该在过时效状态下焊接,然后进行固溶热处理,接下来是焊后热处理。

  例如308L之类的奥氏体填充金属或者为了更高的焊接金属强度而使用诸如2205之类的双相填充金属可以用于可以容忍较低强度接头或由于高度约束而产生裂纹的问题。如果双相填充金属因为脆化而被使用或推荐用于奥氏体焊缝金属,则不能进行焊后热处理。

  因为含碳量较低,所以沉淀硬化不锈钢中的马氏体相会对较软,因此通常无需进行预热,虽然对于较厚(25mm以上)高度受约束的接头来说,大概100℃的预热已被发现可以被用于降低开裂。因此这些不锈钢转变成马氏体的温度低,建议使用200℃的最大层间温度。

  保持非常高的层间温度会导致整个焊接处在冷却到室温时转变为马氏体,并且当发生这种情况时产生的体积变化可能会导致形成淬火裂纹。已经发现角焊缝和部分穿透对接焊缝中的缺口的应力升高效果导致开裂。如果强度的降低是可以接受的,那么可以使用Tp308L根通道来解决这个问题。还发现17/4PH沉淀硬化不锈钢铸件在焊接过程中会形成HAZ热裂纹,对于铸造物品,铜含量所以被限制在最大3%。

  焊后热处理通常包含750℃的温度,并冷却到室温以确保不锈钢金相是100%马氏体,然后在550℃老化。依据合金的成分与时效热处理的温度,这应该达到900-1000MPa的UTS,800-900MPa的屈服强度和大约15%的延展性。

  半奥氏体不锈钢通常以溶液处理的状态供应。这意味着该不锈钢是完全奥氏体的,并且通常无需进行预热,虽然对于厚度大且高度受限的接头的焊接,发现约100℃的预热是有帮助的。其实所有常见的电弧焊接工艺都可以使用,只是TIG(GTAW)会提供最佳性能。

  

沉淀硬化不锈钢的应用与焊接

 

  对于含铝的沉淀硬化不锈钢,例如17 / 7PH,应避免使用MMA和埋弧焊接,因为铝在焊接过程中损失的比例会比较高,所以惰性气体保护工艺就很有必要应用。熔池比非铝合金流体少。用于FV520的匹配成分填充金属是容易获得的,但17/7PH沉淀硬化不锈钢易损件难以获得,因此经常使用从带材剪切的母材金属用于TIG焊接。或者可以使用17 / 4PH或FV520填充剂,如果使用17 / 4PH填充物,建议使用100°C的预热。焊后热处理与马氏体不锈钢相似,但是如果没有完全固溶热处理和匹配的填充金属,则不可能达到与母材匹配的强度。

  建议完全奥氏体沉淀硬化不锈钢在溶液处理状态下焊接; 980°C左右的水或油淬火。老化过程非常缓慢,在720°C下需要15个小时才能达到最大强度,这意味着HAZ几乎与母材没有任何变化。因此,在焊后时效处理期间可以产生最佳的强度。这些钢与奥氏体不锈钢一样,对冷裂不敏感,不需要预热。但是,由于它们是完全奥氏体的,所以它们对热裂纹非常敏感。这使得厚壁部分的焊接成为问题,并且要求焊接条件被非常严格地控制,低热量输入,小焊道和中间层温度控制在低于150℃。

  目前已经生产出与A286相当的航空航天合金,例如AMS5858,其具有改进的可焊性。17 / 10P等级特别敏感,不能用匹配的填充物焊接; 虽然热影响区的热裂纹仍然可能发生,但312型(29Cr / 9Ni)填料仍能获得最佳的成功机会。

  因为在很多沉淀硬化不锈钢中存在铝或钛,所以应该使用惰性气体保护电弧焊工艺。一些匹配的成分填充金属是可用的,另外在航空航天等级,如AMS 5804,这些可以老化,以提供接近于母金属的强度。或者,可以使用奥氏体,双相不锈钢或镍基焊接填充金属。

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