Johan Löthman1, Anders Wallerö2, Ola Runnerstam1, 張懷征3
 
    山特維克材料科技焊接產品事業部，瑞典1
 
    山特維克材料科技研發部，瑞典2
 
    山特維克材料科技，上海3
 
    摘要
 
    與奧氏體不銹鋼和鎳基材料相比，超級雙相不銹鋼（SDSS）具有一系列獨特特性，例如能有效抵御應力腐蝕開裂，具有更高的機械強度以及良好的耐氯化物腐蝕能力。此外，SDSS還具有良好的可焊接性、耐侵蝕腐蝕以及耐腐蝕疲勞等優異特性。憑借卓越的耐蝕性，SDSS適合用于各類嚴苛的應用環境中，如氯化海水以及溫度低于300℃的酸性含氯介質。其典型的應用包括石油和天然氣、海水淡化及其他海洋工程相關領域、脫硫裝置以及造紙和化工行業中需要含氯漂白環境的應用。
 
    在本次研究中，Sandvik 25.10.4.L超級雙相鋼焊帶通過使用非合金焊劑進行電渣堆焊（ESW）獲得符合EQ 2594成分的堆焊層。結果顯示，堆焊層熔敷金屬的臨界點蝕溫度（CPT）為45℃，耐點蝕當量（PRE）值≥41，基本上不存在有害析出相。熔敷金屬的化學成分符合UNS S32750 (AWS A5.9)標準，鐵素體含量為50-60％（根據WRC-92標準）或者大約30％左右（根據ASTM E562標準）。力學性能方面，已通過側彎試驗。在零下46°C環境下沖擊強度為約125 J，抗拉強度達到830兆帕，延伸率在30％左右。
 
    關鍵詞：SDSS，超級雙相鋼，表面堆焊，電渣焊ESW，耐蝕合金CRA， 臨界點蝕溫度CPT，中性焊劑，Sandvik 25.10.4.L，UNS 32750，EQ2594
 
    簡介
 
    與奧氏體不銹鋼和鎳基材料相比，超級雙相不銹鋼（SDSS）具有一系列獨特特性，如能有效抵御應力腐蝕開裂，具有更高的機械強度，良好的耐氯化物腐蝕能力（參見圖1）。此外，SDSS還具有卓越的可焊接性、耐侵蝕腐蝕以及耐腐蝕疲勞等優異特性。
 
    憑借出色的耐蝕性，SDSS適合用于各類嚴苛的環境中，如氯化海水以及溫度小于300℃的酸性含氯介質。在應用溫度小于300℃的腐蝕環境下，SDSS是替代鎳基材料的一種具有成本效益的解決方案。其卓越的耐腐蝕性、良好的可焊接性以及與碳鋼和低合金鋼接近的熱膨脹系數使SDSS尤其適用于耐腐蝕堆焊層（參見圖2）。
 
    超級雙相鋼SDSS牌號目前僅有焊絲（ER2594）和焊條（E2594）兩種形式的產品。因此SDSS尚未能有效替代奧氏體不銹鋼和鎳基合金等擁有埋弧焊（SAW）或電渣焊（ESW）焊帶材料。目前EQ2594焊帶已推向市場。本次研究對用ESW方法獲得的EQ2594 堆焊層進行了熔敷金屬化學成分、鐵素體含量、PRE值、機械性能以及耐腐蝕性等方面的進行測量和分析。
 
    實驗材料和方法
 
    實驗使用一種或兩種焊帶，堆焊得到兩層或者三層熔敷金屬，從而評估母材未經過或者經過熱處理的情況下的焊接工藝（參見圖1）。
 
    在此次研究中，ESW帶極堆焊在AISI A182級母材試板上進行，使用Sandvik 47S焊劑，這是一種用于ESW方法的燒結型中性焊劑。本研究中使用的焊帶詳見表2。
 
    實驗結果和分析
 
    堆焊層化學成分
 
    實驗顯示，在母材（未經熱處理）上直接堆焊兩層EQ2594所得到的堆焊層表面的化學成分與先堆焊一層EQ309L過渡層再堆焊兩層EQ2594的表面化學成分幾乎完全一致。在這兩種情況下，PRE 值都達到了41（參見表3）。
 
    鐵素體含量
 
    根據ASTM E562 標準測量堆焊層的鐵素體含量，并根據WRC-92標準計算。兩種堆焊層的測量和計算結果幾乎完全相同（參見表4）。
 
    微觀組織
 
    在對母材未經熱處理和經過熱處理（第一層使用過渡層309L）堆焊層的微觀結構進行分析后發現，兩者均含有典型的雙相焊縫結構以及大約鐵素體含量30%左右的平衡的鐵素體-奧氏體比例（參見圖3）。微觀組織中基本不含二次析出相成分（二次奧氏體、σ相和氮化鉻），極低的孔隙率和極小的孔徑（直徑約為50微米）（詳見表5）。
 
    腐蝕
 
    實驗中采用ASTM G48A和ASTM G48E兩種不同方法分析耐點蝕性能。根據NORSOK  M-601標準，ASTM G48A方法應在40°C環境下進行，曝露時間最少為24小時（參見表6）。ASTM G48E方法中的臨界點蝕溫度（CPT）實驗在40°C、45°C及50°C三種不同的溫度下進行（參見表7）。
 
    力學性能
 
    通過對純熔敷金屬在室溫下進行拉伸實驗，從而研究材料的機械性能（參見表8）。
 
    根據NORSOK M/601標準，對純熔敷金屬的上層、每組取6個樣本進行了沖擊強度測試，測試溫度為-46°C（參見表9）。
 
    側彎試驗選取了3個試樣進行，所有試樣均通過了測試（參見表10）。
 
    討論
 
    對于超級雙相不銹鋼的焊接，一般不需要進行熱處理，但如果需要對母材（例如低合金鋼）進行焊后熱處理的話，在堆焊第一層奧氏體過渡層之后進行焊后熱處理。在本次研究中，過渡層采用了309L（Sandvik 24.13.L）材料。如無需對母材進行焊后熱處理，則僅需兩層EQ2594熔敷金屬就能獲得未稀釋的EQ2594堆焊層。
 
    EQ2594的堆焊可使用ESW（電渣焊）工藝。采用Sandvik 25.10.4.L（EQ2594）焊帶和Sandvik 47S焊劑，可實現良好的焊接性和表面光滑度。兩層堆焊可以獲得未稀釋的EQ2594堆焊層的表面化學成分，以及鐵素體-奧氏體微觀組織，且基本上不含第二相。
 
    鐵素體-奧氏體微觀組織的鐵素體含量約為30%（按ASTM E562標準測量）。根據WRC-92標準計算，鐵素體含量為50-60%，抗點蝕當量（PRE）約為41。較為平衡的鐵素體-奧氏體比例加上較高的PRE值表現出了卓越的耐腐蝕性。根據NORSOK M-601標準，能滿足40°C條件下ASTM G48 A試驗要求，并在ASTM G48 E標準下達到45°C極高的臨界點蝕溫度（CPT）。
 
    由于很好的兩相平衡鐵素體-奧氏體，加之不存在第二相，使得焊縫的機械強度和延展性較高。一般可達到30%的延伸率，這對于超級雙相焊接金屬而言是相當高的，同時還能實現出色的拉伸強度（約830兆帕）和屈服強度（約670兆帕）。在沖擊強度測試中，表面熔敷金屬還展現出優異的韌性，在-46°C下約為125 J。此外，所有樣品均通過側面彎曲測試。
 
    經實驗證明，使用Sandvik 25.10.4.L焊帶和Sandvik 47S焊劑進行ESW方法堆焊，可成功獲得EQ2594耐蝕合金（CRA）堆焊層。這種方式可提高CRA耐蝕合金堆焊的成本效益，適用于石油，天然氣，化工，海水相關應用、紙漿和造紙工業等氯漂白環境以及化學工業等較為嚴苛的應用領域。
 
    結論
 
    通過使用Sandvik 25.10.4.L焊帶和Sandvik 47S焊劑進行ESW方法堆焊，可獲得EQ2594耐蝕合金（CRA）堆焊層。
 
    根據NORSOK M-601標準，能在40°C條件下符合ASTM G48 A試驗標準，并在ASTM G48 E標準下實現45°C的極高臨界點蝕溫度（CPT）。
 
    鐵素體-奧氏體微觀結構的鐵素體含量約為30%（按ASTM E562標準測量）。根據WRC-92標準計算，鐵素體含量為50-60%，耐點蝕當量（PRE）約為41。
 
    堆焊層具有較高的機械強度（抗拉強度達830兆帕，屈服強度670兆帕），并展現出良好的延伸性，延伸率約為30%，在-46°C環境下沖擊強度為約125 J，已通過側彎試驗。