银焊片耐热钢的焊接
admin 添加于 2015-11-30 10:42
银焊片耐热钢的焊接
核心提示：耐热钢的焊接银焊片4.1概述4.1.1耐热钢定义与分类（1）定义在高温下使用的钢叫耐热钢，实际上它是抗氧化钢和热强钢的总称。抗氧化钢又称 耐热钢的焊接
4.1 概述
4.1.1 耐热钢定义与分类
（1）定义 在高温下使用的钢叫耐热钢，实际上它是抗氧化钢和热强钢的总称。抗氧化钢又称不起皮钢或热稳定钢，它在高温下能抵抗氧化和其他介质的侵蚀，并有一定的强度，其工作温度可高达900～1100℃，热强钢在高温下具有较高的强韧性和一定的抗氧化性，其工作温度可高达600～800℃。 钢的耐热性主要通过合金化来实现，即在碳钢的基础上加入可以提高抗氧化性和热强性的合金元素。提高钢抗氧化性能的有效方法是在钢中添加铬、铝、硅等合金元素，其中铬是主要的添加元素。它们的共同特点是能在高温下与氧形成致密的氧化膜，并牢固地结合在钢的表面，以防止钢继续被介质侵蚀损坏；提高钢在高温下强韧性、耐磨性的主要方法是在钢中添加铬、钼、钨和镍等合金元素，并正确地进行热处理工艺。 有一些含有铬合金元素的不锈钢，既有高耐蚀性能，又有好的热强性，也属于耐热钢，常被称为耐热不锈钢。 耐热钢一般用于制造动力机械（如内燃机、汽轮机和燃气轮机等)、锅炉、工业炉及石油化工设备中长期在高温工作的零部件。
（2）分类
1）按用途和特性分 已如上述，分为抗氧化钢和热强钢两类。前者主要是用于高温下要求抗氧化或耐气体介质侵蚀的钢，对高温强度无特别要求。常用的有铬镍钢(如Cr25Ni20)和高铬钢(如Cr17、Cr25等)，后者主要是用于高温下具有足够强度（如持久强度和蠕变强度）的钢，同时兼有一定抗氧化性。常用的有高铬镍钢（如Cr18Ni9Ti）等。
2）按合金体系分 有高Cr系、Cr-Mo系、Cr-Mo-V系和Cr-Ni系等。 3）按合金元素总量分 有低、中、高三大类：w(Me)<5％的都为低合金耐热钢，w(Me)在5％～12％的为中合金耐热钢。Cr-Mo系、Cr-Mr-V系等均属于这两类耐热钢。w(Me)>12％的为高合金耐热钢，高Cr系和Cr- Ni系等属这类钢。 4）按金相组织分
以供应状态的组织分有如下四类：
①珠光体耐热钢 属于低中合金结构钢，主要合金元素是铬和钼。为了进一步提高钢的热强度和组织稳定性，往往添加少量的钨、钒、铌、钛、镍和稀土等。工作温度在350～620℃范隔，主要用于锅炉、汽轮机等耐热零件。
②马氏体耐热钢 属于高合金钢。一般在淬火+高温回火下使用，其组织为回火马氏体。丰要用于汽轮机叶片，蒸气管道等。
③铁素体耐热钢 亦属于高合金钢，通常都是高铬的抗氧化钢。 ④奥氏体耐热钢 也属高合金钢，是在奥氏体不锈钢基础上发展起来的。这类钢具有很好的耐热性能，可在600～810℃范围内工作，若作为抗氧化钢，则可用至1200℃。一般用于燃气轮机、航空发动机，工业锅炉的耐高温构件。
4.1.2耐热钢的高温性能
（1）高温耐氧化和耐腐蚀性能 金属在高温下与大气接触极易氧化，与腐蚀介质接触则易发生化学腐蚀或电化腐蚀。要提高钢材高温抗氧化和耐腐蚀性能的根本方法是合金化，即在钢中加入合金元素。一般是通过下述途径来实现：
1）使钢的表面生成一层致密的氧化膜，用以隔绝金属与氧的接触而起到保护作用。钢中加入铬、硅、铝后所生成的氧化物都能起保护作用，其中以铬的效果最好。
2）提高钢的电极电位，普通碳钢的电极电位很低，易被腐蚀。加入铬使之固溶于钢中就可大大提高其电极电位，因而提高了抵御电化腐蚀的能力。
3）使钢的组织形成单相固溶体，单相组织可减少微电池的数目，而提高耐蚀性能。钢中加入封闭ν-铁区域的元素如铬、硅、钼、钛、铌等可得单相的铁素体；加入扩大ν一铁区域的元素如镍、锰、氮、铜等，可形成单相奥氏体。 为了使耐热钢在高温下组织稳定，还必须防止高温下可能出现碳化物球化、石墨化、碳化物析出和聚集长大，以及固溶体中合金元素的贫化等现象。珠光体中的碳化物在高温长期运行，会发生球化，使钢的抗蠕变能力和持久强度下降。钢中加入铬、钼、钒、钨等合金元素，可阻止球化过程，减慢球化的速度，因而可提高组织的稳定性。石墨化是珠光体钢和钼钢组织不稳定的一种最危险形式，在高温和应力长期作用下钢组织中的渗碳体分解为铁和石墨，石墨(即碳)呈游离状态聚集于钢中使钢材强度和塑性显著下降，脆性增加，铝和硅是促进石墨化元素，因此在热力设备中使用的碳钢和钼钢，不宜用铝、硅脱氧，钢中加入铬、钛、铌、钒等碳化物形成元素，可以有效地阻止钢的石墨化倾向。其中铬的效果最好。 在高温和应力作用下，耐热钢中由于原子扩散能力增加，会导致合金元素在固溶体和碳化物相之间重 新分配，而影响钢的高温性能。通常是固溶体中的合金元素含量逐渐减少，而碳化物中的合金元素含量逐渐增加，出现了固溶体中合金元素逐渐贫化现象。钢中加入 强烈形成碳化物的合金元素钒、钛、铌等，可减缓其他合金元素在固溶体中的扩散速度，从而能有效地阻碍合金元素从固溶体向碳化物中迁移，钢中同时加入铬、 钳、钨等多种可强化固溶体的元素，能有效延续扩散过程，有利于防止在固溶体中合金元素贫化现象。 （2）高温的力学性能 耐热钢的热强性主要表现在高温长期工作下抗断裂的能力（即持久强度）和抗塑性变形的能力(即蠕变强度)。 提高钢材热强性的主要措施有固溶强化、晶界强化、沉淀强化、热处理强化和变形强化等。要取得这些强化效果仍然是合金化，即需向钢中加入合金元素。 铬、钼、钨、铌等元素都能有散地增强固溶体原子之间的结合力，提高固溶体的再结晶温度，使晶格强烈畸变并提高扩散激活能。所以钢中加入这些合金元素，能显著提高固溶体的热强性。 晶界在高温下是薄弱环节，钢中加入微量的硼、锆或稀土元素等，可有效地提高晶界强度。因为这些微量元素能填充晶界结构上的空位等缺陷，使晶界上的原子排列较为紧密，降低晶界表而能，因而减缓了晶界处的扩散过程，同时，这些微量元素还能抑制晶界上 一些不稳定相析出，使晶界处于较稳定的状态。晶界强化的主加元素是硼、若和钛或铌复合加入，效果更为明显。 一般认为钢中碳化物相沉淀于位错上，能“锁固”位错的攀移，从而能有效地提高钢的热强性。其效果决定于碳化物的稳定性、颗粒大小和分布状况等。钒、铌、钛加入形成的碳化物在高温下较稳定，而且不易产生聚集和长大。若能以细小，球状，弥散均匀地分布在钢的基体上，就可获得高的热强性。研究证明，如果采用多组元合金化后，在钢中可以获得两种或两种以上较为稳定的碳化物相，这样比起单一碳化物相具有更好的强化作用。
（3）高温脆化 耐热钢在长期高温工作中可能产生脆化现象。除高铬铁素体钢的晶料长大脆化及铬镍奥氏体钢沿晶界析出碳化物所造成脆化之外，还有如下两种脆化：
1）475 ℃脆性 w(Cr)>12％的铁素体钢加热至475℃附近就变脆，并使钢的耐蚀性能下降。含铬量越高脆化就越严重。w(Cr)>l5％的钢还伴有明显硬化现象。产生的原因是在475℃高铬α｀相的沉淀析出。这种脆性可通过重新加热至540℃以上保温一定时间，然后快速冷却到室温来消除。
2）σ相脆化 w(Cr)>16.5％的钢在500～800℃长时间加热或使用．会因σ相析出而变脆。σ相是一种w(Cr)=43％～50％的铁铬金属间化合物．提高钢中铁素体形成元素铬、钼和硅等的含量、会促进σ相的析出。σ相可通过重新加热至800℃以上保温而溶解。
4．1．3 对耐热钢银焊片焊接接头性能的基本要求 耐热钢焊接结构一般较复杂，在制造过程中又经常进行冷热加工和多次热处理，而且其运行条件一般都很苛刻。为了保证结构在高温高压和各种腐蚀介质条件下，能长期安全地工作，焊接接头的性能应满足下列几点要求：
1）接头的等强性 耐热钢焊接接头不仅应具有与母材基本相等的试问和高温短时强度，而且更重要的是应具有与母材相近的高温持久强度和蠕变强度。
2）接头的热稳定性 耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的抗氢性和高温抗氧化性；在制造过程中以及长期高温高压的作用下，接头各区不应产生明显组织的变化和由此而引起局部脆化或软化等。
3）接头扩大抗脆断性 耐热钢虽然多数是在高温下工作，但用来制造压力容器和管道等产品，制造完后须在常温下作1.5倍工作压力的水压试验；在投运或检修后，都要经历冷启动过程。因此，耐热钢焊接接头应具有一定的抗脆断性断裂能力。
4）接头的物理均一性 即耐热钢焊接接头应具有与母材基本相同的物理性能。如果焊缝金属的热膨胀系数和热导率与母材有较大差异，则高温运行过程中就会出现热应力。
4.2 珠光体耐热钢的银焊片焊接 4. 2.1 成分与性能 珠光体耐热钢中所加的合金元素主要是铬、钼、钒，其总质量分数一般在5％～7％以下。其合金体系是：Cr-Mo系、Cr-Mo- V系，Cr-Mo-W-V系，Cr-Mo-W-V-B系和Cr-Mo-V-Ti-B系等。铬的主要作用是提高耐蚀性，铬的氧化物比较致密，不易分解，能有效地起到保护膜作用。铬溶于Fe3C后，可使碳化物具有很大的热稳定性，阻止碳化物的分解和减缓碳在铁素体中的扩散，能有效地防止石墨化。钼是钢中主要强化元素，钼优先进入固溶体使其强化，提高钢的热强性。钼还能降低热脆敏感性。钒是强碳化物形成元素，所形成的VC呈弥散分布，钒的加入能促进钼全部进入固溶体，提高钢的高温强度。此外，加入微量元素B、Ti、Re等能吸附于晶界，延长合金元素沿晶界扩散，从而强化晶界，增加钢的耐强性。 珠光体耐热钢通常是退火状态或正火+回火供货。W（Me）<2.5%时，钢的组织为珠光体+铁素体；w（Me）>3%时，为贝氏体+铁素体（即贝氏体耐热钢）。这类钢在500—600℃具有良好的耐热性。工艺性能好，又比较经济，是动力、石油和化工部门用于高温条件下的主要结构材料。如加氢、裂解氢和煤液化的高压容器等。但这类钢在高温长期运行中会出现碳化物球化及碳化物聚集长大等现象。
4.2.2 银焊片焊接性 珠光体耐热钢的w(Me)<5％～7％，属低、中合金钢，其焊接性与低碳调质钢相近似。焊接的主要问题是冷裂纹，再热裂纹和回火脆性。
（1）冷裂纹 珠光体耐热钢中的主要合金元素铬和钼都能显著提高钢的淬硬性，钼的作用比铬大50倍。它们和碳共同作用，使钢的临界冷却速度降低，奥氏体稳定性增大，冷却到较低温度时才发生马氏体转变，产生淬硬组织，使接头变脆。合金元素和碳的含量越高，淬硬倾向就越大。当焊接拘束度大，冷却速度快的厚板结构时，若又有氢的有害作用，就会导致冷裂纹。 降低含碳量可以降低钢的淬硬性，使冷裂敏感性减小，但又会引起钢的蠕变强度急剧降低，这对于使用温度范围较高的中合金铬-钼耐热钢尤为不利。为了兼顾焊接性和高温力学性能．通常中合金铬-钼钢碳的质量分数控制在0.10％～0.2％范围内。而低合金铬-钼钢含碳量可以更低些。
（2）再热裂纹 珠光体耐热钢属于再热裂纹敏感的钢种，这与钢中含的合金元素铬、钼、钒有关。其敏感温度区间为500～700℃，在焊后热处理或长期高温工作中，在热影响区熔合线附近的粗晶区内有时会发生这种裂纹。
（3）回火脆性 某些珠光体耐热钢焊接接头长期往371～593℃范周内工作，会发生脆化并导致焊接构件破坏，这与钢中的P、Sb、Sn、As等杂质和合金元素含量有关。一般认为，由于这些杂质在晶界上偏聚，而降低晶界的断裂强度。铬-钼钢中铬促进这些杂质的偏聚，而自身也发生偏聚。w(Cr)=2％～3％的钢其焊缝具有最大脆化倾向。防止脆化的主要措施是控制钢的Mn、Si元素和杂质的含量。