镍基合金焊条的研制

　　陈燕 张学刚 陈波 陈佩寅 王猛
　　摘要： 鉴于目前工程上基本依赖进口ENiCrMo-10焊材的现状，开展了ENiCrMo-10焊条的国产化研究。结果表明，通过调整药皮中大理石、氟化物及硅酸盐的比例，添加约20%的金属粉，优化熔渣流动性，控制焊缝中S，P，B，Mo，Cr，W等元素的含量，研制的ENiCrMo-10焊条具有优良的平、立焊工艺性，较出色的耐晶间腐蚀、耐点腐蚀及抗裂性能，能够满足工程应用的技术要求。
　　关键词： 镍基合金焊条; 耐点腐蚀; 抗裂性能; 耐晶间腐蚀性能
　　中图分类号： TG 422
　　Abstract： In view of the current situation that the project basically relies on imported ENiCrMo-10 welding materials， the research on the localization of ENiCrMo-10 electrode has been carried out. The results show that by adjusting the proportion of marble， fluoride and silicate in the coating， adding about 20% metal powder， optimizing the fluidity of slag， controlling the content of S， P， B， Mo， Cr， W and other elements in the weld， the ENiCrMo-10 electrode has excellent flat and vertical welding technology， excellent Intergranular corrosion resistance， pitting corrosion resistance and crack resistance， which can meet the requirements of engineering application.
　　Key words： nickel base alloy covered electrode; pitting corrosion resistance; crack resistance; intergranular corrosion resistance
　　0 前言
　　ENiCrMo-10焊条可用于哈氏合金C22以及超级奥氏体不锈钢UNS N08367等合金的焊接，被广泛应用于酰胺加热器、烟气脱硫系统、海水管道系统、酸洗系统以及复杂的制药反应器的制造[1-4]。因此大量的管道焊接对焊条的焊接工艺性提出了较高的要求，同时工程应用环境对焊缝的耐腐蚀性及抗裂性能也提出了很高的要求[5]。
　　目前工程上大都采用进口焊材[6]。为了实现焊条的国产化，平、立焊工艺性的进一步改善，耐腐蚀性能的提高，抗裂性能的稳定都是目前国产ENiCrMo-10焊条需要解决的问题。
　　1 试验要求与方法
　　1.1 技术要求
　　熔敷金属主要化学成分及焊态力学性能的要求见表1、表2所示。侧弯试样弯曲180°后，受拉伸面上不允许出现超过3个长度在0.4 ～ 2.5 mm的裂纹。按照ASTM G48—2011《使用氯化铁溶液测定不锈钢和有关合金耐点腐蚀和缝隙腐蚀的标准试验方法》标准中A法的要求进行试验，要求表面无点腐蚀，且试样平均腐蚀速率≤4 g/m2。按照ASTM G28—2002《锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性的检查用标准试验方法》标准中A法的要求进行试验，腐蚀速率≤12 mm/年。
　　1.2 试验方法
　　采用表3的工艺参数进行焊接。熔敷金属拉伸及弯曲试验按照AWS B4.0M—2007《焊缝的机械测试方法标准》的要求进行。
　　晶间腐蚀试验按照ASTM G28—2002《锻制高镍铬轴承合金晶间腐蚀敏感性的检查用标准试验方法》标准中的A法进行，腐蚀液为沸腾的硫酸铁-50%硫酸溶液，试验周期为24 h。试样尺寸为30 mm×20 mm×3 mm，状态为焊态。点腐蚀试验按照ASTM G48—2011《使用氯化铁溶液测定不锈钢和有关合金耐点腐蚀和缝隙腐蚀的标准试验方法》标准中的A法进行，腐蚀液为6%的FeCl3溶液，在50±2 ℃恒温水浴槽中连续浸泡72 h。试样尺寸为50 mm×25 mm×3 mm，状态为焊态。
　　采用扫描电镜对室温拉伸断口，焊缝腐蚀前、后的试样进行形貌及能谱分析。
　　2 试验结果与分析
　　2.1 焊条工艺性能
　　所研制的ENiCrMo-10焊條平焊、立焊的工艺性优良。平焊时，电弧稳定、渣覆盖完整、焊道波纹细密、飞溅较小、易脱渣;立焊时，电弧吹力适中、焊缝金属不下淌、熔池清晰，熔滴主要过渡方式为细颗粒过渡。图1a～1c分别为平焊脱渣前、后及立焊的宏观形貌。
　　2.2 力学性能
　　熔敷金属室温拉伸及侧弯结果均满足技术要求，室温拉伸试验结果见表4。多批次试验结果表明，拉伸及侧弯试样的受拉面上均未发现裂纹，具有较为稳定的抗裂性能，试验后试样表面形貌分别如图2、图3所示。
　　对室温拉伸断口进行扫描电镜分析，为韧性断裂，组织为典型的韧窝形貌，韧窝分布均匀且数目较多，如图4所示。
　　2.3 腐蚀试验
　　三氯化铁点腐蚀试验后，试样六个面均未发现明显的点蚀坑，如图5所示，平均腐蚀速率为1.1 g/m2，满足要求≤4 g/m2。
　　硫酸—硫酸铁晶间腐蚀试验过程中，溶液颜色未发生变化，24 h后腐蚀速率为0.59 mm/年，满足技术要求≤12 mm/年。采用扫描电镜对腐蚀前、后的形貌进行了分析，并对主要元素进行了面扫描能谱分析。腐蚀前、后的典型形貌见图6所示，其中图6b中未出现晶间腐蚀形貌，只在局部出现了少量直径约为5 μm的腐蚀孔洞。腐蚀前、后主要元素的面扫描定量分析结果见表5所示，表明经过硫酸-硫酸铁腐蚀后Mo的含量从腐蚀前的16.24%降到了腐蚀后的11.00%。
　　3 讨论
　　研制的ENiCrMo-10焊条采用CaO-CaF2-TiO2-SiO2碱性渣系。为了解决镍基焊条存在的熔渣覆盖不好，平焊粘渣等问题[7]，除了控制大理石、氟化物及硅酸盐的比例，以期改善熔渣的流动性，使熔渣在焊缝上的覆盖趋于均匀，还需要在药皮中加入约20%的金属粉，如硅铁、钛铁，锰铁降低焊缝金属中氧的含量，同时起到稳定电弧、改善熔滴过渡及焊缝成形的作用。
　　合理地控制熔敷金属中Mo，Cr，W元素含量，进一步增强焊条的耐腐蚀性能。Ni-Cr-Mo合金中以高Cr抗氧化性腐蚀，以高Mo，W元素抗还原性腐蚀[8-9]。ENiCrMo-10焊条焊接后熔敷金属在冷却过程中，由于Mo元素含量较高会在高能量的晶界上析出稳定的金属间拓扑紧密堆积相（TCP）[10]，按ASTM G28 A法进行试验时，在氧化性的浓硫酸中Mo元素被优先腐蚀，因此扫描电镜能谱分析后（见表5），发现腐蚀后的Mo元素含量出现了下降。
　　ENiCrMo-10焊缝由于在较低温度下可能会形成TCP相，存在较高的凝固裂纹敏感性[11]。为了更好地避免凝固裂纹，需要控制其成分及焊接工艺。为此控制焊缝的S≤0.005%，P≤0.010%，B≤0.000 5%。并制定合理的焊接工艺，采用低热输入量进行焊接[12-13]，控制焊缝熔池的形状，使之呈现凸形轮廓。焊缝熔池的宏观形状会影响凝固裂纹敏感性[14-17]，当呈现凹形表面时，通常会使焊缝表面处于拉伸状态，当呈现凸形表面时，则会使焊缝表面处于压缩状态，能有效地抑制裂纹的产生。
　　4 结论
　　（1）通过控制药皮中大理石、氟化物及硅酸盐的比例，添加约20%的金属粉，改善熔渣流动性，得到平、立焊工艺性优良的ENiCrMo-10焊条，已得到工程应用。
　　（2）研制的ENiCrMo-10焊条具有较好的耐晶间腐蚀、耐点腐蚀性能及抗裂性能，能够满足工程要求。能谱分析发现，按ASTM G28 A法进行腐蚀试验后，在氧化性的浓硫酸中Mo被优先腐蚀。
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