高合金耐熱鋼與中低合金耐熱鋼相比,具有獨特的物理性能。表1-9列出馬氏體、鐵素體、奧氏體和彌散硬化型高合金耐熱鋼的典型理化性能數據。對焊接產生較大影響的物理性能有熱膨脹系數、熱導率和電阻。由表中數據可見,與碳鋼相比,奧氏體耐(nai)熱鋼(gang)的熱膨脹系數較高,將引起較大的焊接變形,而各種高合金耐熱鋼的熱導率均較低,要求采用較低的焊接熱輸入。


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  奧氏體耐熱鋼的(de)另(ling)一(yi)重要特性(xing)是非磁(ci)性(xing)(磁(ci)導(dao)(dao)率(lv)(lv)1.02)。但冷(leng)作加工可提高強度和(he)磁(ci)導(dao)(dao)率(lv)(lv)。鐵素(su)體和(he)馬氏體型耐熱鋼的(de)磁(ci)導(dao)(dao)率(lv)(lv)為(wei)600~1100,彌散硬化型耐熱鋼的(de)磁(ci)導(dao)(dao)率(lv)(lv)在100以下。


  這四類高(gao)合金耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊接(jie)(jie)(jie)性(xing)(xing)因其金相組(zu)織的(de)不同(tong)(tong)而異。馬(ma)氏體(ti)(ti)型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊接(jie)(jie)(jie)性(xing)(xing)主要因高(gao)的(de)淬硬性(xing)(xing)而惡化;鐵素體(ti)(ti)型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊接(jie)(jie)(jie)時,由于不發(fa)生同(tong)(tong)素異構轉變,導致重結(jie)晶區晶粒長大,結(jie)果(guo)使接(jie)(jie)(jie)頭的(de)韌性(xing)(xing)降低;奧氏體(ti)(ti)型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)焊接(jie)(jie)(jie)的(de)主要問(wen)題是熱(re)裂傾向較高(gao);而彌散硬化型(xing)耐(nai)熱(re)鋼(gang)的(de)焊接(jie)(jie)(jie)特性(xing)(xing)與彌散過程(cheng)中(zhong)的(de)強(qiang)化機制有(you)關。


1. 馬氏體型高合(he)金耐熱鋼的(de)焊接特性


  馬氏體耐熱鋼(gang)基本上(shang)是Fe-Cr-C系合金。通常(chang)碳在(zai)11%~18%范圍內。為提高其(qi)熱強性還(huan)加入鉬、釩等合金元(yuan)素這些鋼(gang)幾乎在(zai)所有(you)的(de)實(shi)際冷卻條件下均(jun)轉變(bian)成馬氏體組織。馬氏體耐熱鋼(gang)由于(yu)含(han)有(you)足(zu)夠數量(liang)的(de)鉻,使其(qi)自820℃以(yi)上(shang)溫(wen)度(du)冷卻時具有(you)空淬傾向(xiang),而從(cong)960℃以(yi)上(shang)溫(wen)度(du)淬火(huo)可達到最高的(de)硬(ying)度(du)。


  對于高鉻耐熱鋼(gang),鉻含量對鋼(gang)的焊接行為(wei)有(you)明(ming)顯的影響。當鉻從11%增(zeng)加到(dao)17%時(shi),鋼(gang)的淬硬特性會發生重大變化。


  當鋼(gang)的(de)碳約為(wei)0.08%時,12%鉻(ge)鋼(gang)的(de)焊接熱影響(xiang)區為(wei)全(quan)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織。而在(zai)15%鉻(ge)鋼(gang)中,由(you)于鉻(ge)具有(you)穩定鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)的(de)作用,可能阻止其(qi)完(wan)全(quan)轉(zhuan)變(bian)為(wei)奧氏(shi)體(ti)(ti)(ti)而殘(can)留(liu)部(bu)分未轉(zhuan)變(bian)為(wei)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)。這(zhe)樣在(zai)快速冷卻的(de)熱影響(xiang)區內(nei)有(you)一部(bu)分轉(zhuan)變(bian)為(wei)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti),其(qi)余為(wei)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)。在(zai)馬(ma)氏(shi)體(ti)(ti)(ti)組織中存在(zai)軟(ruan)的(de)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)(ti)降低了鋼(gang)的(de)硬度和裂紋傾(qing)向。


  馬氏體高鉻鋼可在退(tui)火(huo)、淬火(huo),消除(chu)應(ying)力(li)處理或(huo)回火(huo)狀(zhuang)態(tai)下焊接。當碳超過0.15%時,熱(re)影響區(qu)的(de)(de)硬度(du)(du)急劇(ju)提高,冷裂紋敏感性加大,韌性下降(jiang)。由于這種鋼的(de)(de)導熱(re)性較低(di),導致熱(re)影響區(qu)的(de)(de)溫度(du)(du)梯度(du)(du)更為陡降(jiang),加上組織轉變時的(de)(de)體積變化,可能引起較高的(de)(de)內應(ying)力(li),從而(er)進一步(bu)提高了冷裂傾向。


  馬氏體耐熱(re)鋼(gang)焊接(jie)接(jie)頭在焊后狀態的(de)(de)(de)工作能力取(qu)決(jue)于熱(re)影響區的(de)(de)(de)綜(zong)合(he)力學性能,包括硬(ying)度和(he)韌(ren)性之間(jian)的(de)(de)(de)合(he)適匹配。但實現(xian)這點,往(wang)往(wang)是(shi)相(xiang)當(dang)困難的(de)(de)(de)。因(yin)此為保證馬氏體耐熱(re)鋼(gang)焊接(jie)接(jie)頭的(de)(de)(de)使用可靠性,通(tong)常(chang)總是(shi)規定(ding)做焊后熱(re)處理。


2. 鐵(tie)素體型高合金(jin)耐熱(re)鋼的(de)焊接特(te)性


  鐵(tie)素體(ti)高合金耐熱鋼(gang)是一組低碳(tan)高鉻Fe-Cr-C合金。為阻止加(jia)熱時(shi)(shi)形成奧(ao)氏(shi)體(ti),在(zai)鋼(gang)中可加(jia)入Al、Nb、Mo和Ti等(deng)鐵(tie)素體(ti)穩(wen)定元素。普通鐵(tie)素體(ti)耐熱鋼(gang)焊接(jie)(jie)過(guo)熱區(qu)有晶(jing)(jing)粒長(chang)大傾向。使(shi)接(jie)(jie)頭(tou)的(de)韌(ren)性(xing)(xing)和塑性(xing)(xing)急(ji)劇降(jiang)低。為改善其焊接(jie)(jie)性(xing)(xing),在(zai)降(jiang)低碳(tan)含量(liang)的(de)同時(shi)(shi)增加(jia)少量(liang)鋁,以阻止在(zai)高溫區(qu)內奧(ao)氏(shi)體(ti)的(de)形成和晶(jing)(jing)粒過(guo)分長(chang)大。但為獲得(de)塑性(xing)(xing)較高的(de)接(jie)(jie)頭(tou),焊后仍需退火處理。


  在某些鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)高鉻(ge)耐熱鋼(gang)中(zhong),820℃以上(shang)溫(wen)度可能形成(cheng)少量的(de)(de)(de)奧氏體(ti)(ti)。從(cong)高溫(wen)冷卻時,奧氏體(ti)(ti)轉變為(wei)馬氏體(ti)(ti),造成(cheng)輕微的(de)(de)(de)淬硬。因為(wei)鋼(gang)中(zhong)只有一部(bu)分馬氏體(ti)(ti),其余還是軟的(de)(de)(de)鐵(tie)素(su)體(ti)(ti),而能經受馬氏體(ti)(ti)相變應力。馬氏體(ti)(ti)主要在鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)的(de)(de)(de)晶(jing)界形成(cheng),對接頭的(de)(de)(de)塑(su)性可能起不利的(de)(de)(de)作用。對于這些鐵(tie)素(su)體(ti)(ti)鉻(ge)鋼(gang),焊后最好在760~820℃溫(wen)度范圍做退火處(chu)理(li)。


3. 奧氏體型高合金耐熱鋼的焊接特(te)性


  奧氏體(ti)耐熱(re)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)與奧氏體(ti)系列不(bu)銹鋼(gang)(gang)(gang)(gang)具有基本相同的(de)焊(han)(han)接(jie)特點。總的(de)來說,這(zhe)類(lei)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)由于塑(su)性和(he)韌(ren)性較高,且不(bu)可淬硬,與低合金(jin)(jin)、中合金(jin)(jin)及高合金(jin)(jin)馬氏體(ti)和(he)鐵素體(ti)耐熱(re)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)相比,具有較好的(de)焊(han)(han)接(jie)性。奧氏體(ti)耐熱(re)鋼(gang)(gang)(gang)(gang)焊(han)(han)接(jie)的(de)主要問題有:鐵素體(ti)含(han)量的(de)控制(zhi)、焊(han)(han)接(jie)熱(re)裂紋、接(jie)頭(tou)各種形(xing)式的(de)腐蝕和(he)δ相的(de)脆變等。


  ①. 鐵(tie)素體含(han)量(liang)的(de)控(kong)制。奧氏體耐熱(re)鋼焊(han)(han)縫金屬(shu)中鐵(tie)素體含(han)量(liang)關系到(dao)抗熱(re)裂性(xing)、δ相脆變(bian)和熱(re)強性(xing)能(neng)。從提高抗熱(re)裂性(xing)出發(fa),要(yao)求(qiu)焊(han)(han)縫金屬(shu)中含(han)有一(yi)定的(de)鐵(tie)素體,但從防(fang)止δ相脆變(bian)和熱(re)強性(xing)考慮,鐵(tie)素體含(han)量(liang)越(yue)低越(yue)好(hao)。從焊(han)(han)接冶金和焊(han)(han)接工藝上妥善和合理地解(jie)決這一(yi)矛盾是奧氏體耐熱(re)鋼焊(han)(han)接的(de)核(he)心技術。


  ②. δ相(xiang)的脆(cui)(cui)變。鉻鎳奧(ao)氏體鋼和焊縫金屬(shu)在高溫(wen)持(chi)續加熱(re)過程中會發生δ相(xiang)的脆(cui)(cui)變。δ相(xiang)的析出(chu)溫(wen)度范圍為650~850℃。


  304不銹(xiu)鋼在700~800℃溫度下,310S不銹鋼在800~850℃溫度下δ相析出的敏感性最大。310S不銹鋼在800℃以下加熱時,δ相的析出速度要慢得多,在900℃以上高溫下,δ相不再析出。在304不銹鋼中,當溫度超過850℃時,δ相不再析出。


  焊縫金(jin)屬與(yu)軋制材(cai)料不同,在(zai)奧氏(shi)體(ti)(ti)組織內(nei)總含有一定量的鐵(tie)素體(ti)(ti)。在(zai)高溫加(jia)熱過程中,鐵(tie)素體(ti)(ti)逐漸轉變(bian)(bian)為δ相。隨著轉變(bian)(bian)溫度(du)的提高,δ相傾(qing)向(xiang)于球(qiu)化。δ相亦能直(zhi)接從奧氏(shi)體(ti)(ti)中析(xi)出(chu),或者在(zai)奧氏(shi)體(ti)(ti)晶體(ti)(ti)內(nei)以魏氏(shi)組織形(xing)式析(xi)出(chu)。