雙相不銹鋼加工制造的技術要求和質量控制方面一個關鍵的實際問題是焊接后性能的保持。雙相不銹鋼原始供貨態的成分和工藝必須確保焊接后(采用合格的焊接工藝)仍具有良好的性能。


一、標準試驗要求


1. 化學成分


 ASTM或EN標準是選擇第二代雙相不銹鋼的一個恰當的開始點。雙相不銹鋼中添加氮是有利的,既可以避免熱影響區(HAZ)出現過多的鐵素體,又可以使材料有更好的冶金學穩定性。雙相不銹鋼含氮量的上限就是氮在鋼水中的溶解度,從標準規定的氮含量范圍的最大值可以反映出來,但是所列出的最小氮含量不一定反映出獲得最佳焊接特性所需要的氮含量。例如2205雙相不銹鋼最初的標準成分是S31803雙相不銹鋼。


 S31803不銹鋼的氮含量在其允許范圍0.08%~0.20%的下限時,2205不銹鋼熱處理和焊接后的效果并不穩定一致。實際經驗顯示,對于2205雙相不銹鋼的焊接加工而言,“最小氮含量為0.14%”是必要的。由于經常要規定這一條件,為了方便需要焊接的終端用戶,將2205的S32205版本引入到雙相不銹鋼標準中。超級雙相不銹鋼也有較高的氮含量范圍,反映出人們對氮含量重要性的認識。


 有一些終端用戶的雙相不銹鋼技術條件是基于“PREN”關系。盡管PREN值在對某一鋼類中成分平衡的不同牌號的耐腐蝕性排序可能有效,但為了滿足特定的PREN值而改變成分不一定會獲得合適的冶金學平衡。PREN值有助于從一系列牌號中選擇其中一個,如果從成分變化來看某個牌號的耐點蝕當量,似乎鉻和鉬可被氮所替代,但從冶金學的角度看,鉻和鉬促進鐵素體相和金屬間相的形成,而氮促進奧氏體相,阻止金屬間相的形成。


 因此,最好根據標準規范中所列的標準牌號來選擇雙相不銹鋼的成分,有可能每個牌號的氮含量都規定為標準范圍的上限。不論材料的成分如何規定,它都應當與焊接工藝評定所用的材料相同,這樣,評定對于加工制造預期的結果才是有意義的。


 2. 固溶退火和淬火


 除了化學成分,軋材的實際退火條件對于焊接也是重要的。奧氏體不銹鋼退火的目的是使金屬再結晶,并且溶解碳化物?!癓”牌號的低碳不銹鋼可以采用水淬或相對較慢的空氣冷卻,因為重新形成有害碳化物需要的時間很長。但對于雙相不銹鋼而言,即使有理想的氮含量,在臨界溫度范圍內停留幾分鐘也會對其耐腐蝕性能和韌性有不利影響。當軋材在軋鋼廠慢速冷卻時,材料通過700~980℃(1300~1800℉)溫度范圍已花費一定的時間,不再容許在此溫度范圍再進一步地受熱如焊接,所以留給焊工焊接出熱影響區(HAZ)無金屬間相的焊縫的時間較少。


 盡管ASTM等標準允許某些雙相不銹鋼“水淬或通過其他方法快速冷卻”,但焊接的最佳冶金學條件是通過最快速地從退火溫度淬火得到的。然而,這樣忽視了水淬導致的變形和殘余應力的增加。對于薄板生產,空氣冷卻在現代化卷板生產線中效率高;但對于厚板及較厚斷面的產品,水淬可以獲得對焊接而言最佳的冶金學條件。在淬火前讓板材或組件冷卻到700-980℃(1300-1800℉)會導致金屬間相的形成。


 另一個保證最佳初始狀態的方法是要求對軋材進行檢驗,確保其不存在有害的金屬間相。ASTM A 923 3和ASTM A 1084 4運用金相檢查、沖擊試驗或腐蝕試驗來證明金屬間相未達到有害的程度。這一試驗僅考慮是否已出現了有害析出相,沒有考慮有害相的數量和程度。采用這種試驗,可證明軋制工藝能保證在軋制過程中不形成有害的金屬間相。此試驗類似于ASTM A 262 5或EN ISO 3651-2 6試驗檢驗奧氏體不銹鋼是否存在碳化鉻析出導致的敏化。ASTM A 923標準僅包括2205、2507、255和S32520,ASTM A 1084標準包括了經濟型雙相不銹鋼S32101和S32304。很多加工制造商采用這些試驗和類似試驗以及其他驗收標準,作為加工設備部件焊接工藝評定的一部分。



二、特殊試驗要求


 1. 拉伸和硬度試驗


  相對奧氏體不銹鋼而言,雙相不銹鋼具有較高的強度,但是偶爾仍有最終用戶技術要求規定了強度或硬度的最大值。強度或硬度引入最大值可能是借鑒了馬氏體不銹鋼的經驗,而馬氏體不銹鋼的高強度和硬度來自于未經回火處理的馬氏體。但是雙相不銹鋼在冷卻過程中不形成馬氏體,雙相不銹鋼的高強度和高硬度緣于其高的氮含量、本身的雙相結構、成型或矯直操作中可能發生的加工硬化。


  硬度試驗可能是證明加工中沒有過度冷加工的有效手段;但當硬度試驗用于這一目的時,很重要的一點是測量位置應當介于表面和斷面的中心之間,而不是在發生局部硬化和表面硬化的表面上。


 2. 彎曲試驗


  彎曲試驗可以證明軋材沒有軋制裂紋,但對于大型材、小工件或某些幾何形狀的軋材可能是困難的。彎曲試驗并不是雙相不銹鋼質量的一個保守指標,因為彎曲點可能與不合格的部位不一致,由于彎曲的方向性,某些情況如中心線的金屬間相未必能被檢測出來。


  彎曲試驗通常作為奧氏體不銹鋼焊接工藝評定的一部分,因為焊縫有發生熱裂的危險,特別是對于奧氏體含量高的嚴重受限的焊縫組織。由于雙相不銹鋼沒有熱裂紋傾向,所以用彎曲試驗來檢測焊縫質量的意義不大。如果試驗位置正好與受影響的區域相吻合,則彎曲試驗可能會粗略地檢測出過多的鐵素體,但彎曲試驗不能檢測出對耐腐蝕性和韌性有害的少量金屬間相的存在。


3. 沖擊試驗和有害相的金相檢查


 用沖擊試驗來規定材料和評定工藝有兩種方式:


 ? 在已知條件下試驗,檢測不合格的材料,例如過多的鐵素體或金屬間相的存在;


 ? 證明對于預期的使用環境,加工制成品的性能足以滿足要求。


 對于沖擊試驗的第一種使用方法,ASTM A 923給出了雙相不銹鋼和超級雙相不銹鋼的驗收標準,ASTM A1084給出了經濟型雙相不銹鋼的驗收標準。ASTM A 923方法B指出,在-40℉/℃標準的縱向夏比沖擊試驗(Charpy)中,如果結果小于54J(40ft-Ib),表明退火軋材不合格。為了保證滿意的熱處理和淬火,作為一種生產控制手段,軋材的每一個批次都應當按照A 923方法B進行試驗(或方法C,腐蝕試驗)。而ASTM A 923允許采用金相檢查(方法A)作為一種以接受而不是判廢為目的的篩分試驗。因為方法A的操作要求高水平的金相技術來完成,用戶比較謹慎的做法是除了金相檢查,還可要求采用方法B夏比沖擊試驗。


 ASTM A 923方法A的一個好處是可以確認中心線金屬間相,如ASTM A 923的圖所示。根據方法A的篩選法,中心線金屬間相將造成材料不合格,但不一定導致在A 923方法B沖擊試驗中材料被判廢。由于這種中心線金屬間相可能導致中厚板在成型、熱剪或焊接過程中分層,所以除了方法B或C以外,用戶還應當要求進行方法A的檢驗,任何顯示有中心線金屬間相的材料應該判廢。盡管ASTM A 923已聲明方法A不用于材料的判廢,但允許終端用戶提出更嚴格的要求。材料如果呈現出ASTM A923的圖7所示的接近厚度中部的中心線金屬間相,則應當被判廢。


 沖擊試驗的第二個用途即在比預期的使用溫度更低的溫度下評價母材、熔合區和熱影響區,這可能是一種謹慎和具成本效益的方法。對于焊縫的評價,試驗溫度和合格標準必須針對具體的焊接類型并與使用條件結合。韌性將不會像固溶退火的雙相不銹鋼軋材那樣高。焊縫金屬較低的韌性不一定表明存在金屬間相,而常常是由于氧含量增高造成的,特別是采用了焊劑保護焊接工藝。


 ASME已發布了新的適用于斷面厚度大于9.5毫米(0.375英寸)[13]的雙相不銹鋼的技術要求。這些要求需要在金屬最低設計溫度(MDMT)或以下采用夏比沖擊試驗,并以橫向膨脹作驗收標準來證明初始母材和產品焊縫的韌性足以滿足預期的使用環境。ASME檢驗與ASTM A 923試驗的不同之處在于ASME檢驗要求夏比沖擊試驗包含三個試樣,并且要求報告最小值和平均值。ASME要求對每一批母材和填充材料進行母材、焊縫和HAZ(共9個試樣)的試驗。


 為了節約同時得到謹慎的結果,可以采用兩個試驗溫度(ASTM A 923的-40℉/℃或ASME標準中的金屬最低設計溫度MDMT)中較低的一個,通過測量三個試樣的沖擊功和橫向膨脹來衡量其韌性。


4. 用金相或磁性法測定相平衡


 雙相不銹鋼軋材的奧氏體-鐵素體相平衡在爐號與爐號或批號與批號之間的變化很小,這是因為生產中化學成分被控制在很窄的范圍,而且退火操作有明確規定。一般2205雙相鋼含有40%-50%的鐵素體,因此,測定退火軋材的相平衡意義不大。但是,測定鐵素體含量對于評定焊接工藝是適合的,這樣做可以防止熱影響區出現過多的鐵素體。雙相不銹鋼相平衡的準確測定通常要求采用金相檢查和數點法,如ASTM E 562 7(手動)或E 1245 8(自動)方法。由于雙相不銹鋼是鐵磁性的,奧氏體和鐵素體的間距特別細,如果沒有同樣的幾何形狀和相平衡的金相測量結果作參考標準,則磁性檢測法的可靠性是有限的。AWS A4.2 9和EN ISO8249 10描述了校準磁性測量儀來測量雙相不銹鋼焊縫處鐵素體并以鐵素體數FN報告結果的方法步驟。焊縫相平衡的合格范圍比母金屬要寬得多。如果ASTM A 923試驗證明,焊縫及熱影響區的韌性和耐腐蝕性合格的話,那么鐵素體范圍在25%-75%時,可保證雙相不銹鋼理想的性能。磁性測量得出鐵素體數在30-90之間是可以接受的。


 對已經在服務中心或經銷商庫存清單中的材料要求進行相平衡的測定,比對在工廠進行生產的材料提出同樣的要求要花費更多,獲取試樣并進行單獨的試驗也可能影響及時供貨。


 因為金屬間相是非磁性的,所以磁性試驗不能用來檢測σ相和χ相。但是,如果雙相不銹鋼顯示出較低的鐵素體磁性讀數,可能是鐵素體已經轉變為金屬間相。雙相不銹鋼在熱處理或冷卻過程中,如果在金屬間相析出溫度區間停留時間過長,可能會顯示出低鐵素體含量的結果。


5. 腐蝕試驗

 

 按照ASTM A 923/A 1084方法C對固溶處理的軋材進行腐蝕試驗是檢測有害狀態最具成本效益的方法之一。金屬間相的析出以及存在的氮化鉻和過量的鐵素體,都可表現為耐點蝕性能的降低,因而可被檢測出來。這些相造成臨界點蝕溫度(CPT)比正常退火的材料低15℃或更多。測定試樣的實際臨界點蝕溫度花費較高,因為它需要按照ASTM G 48進行多次試驗或按ASTM G 150對單個試樣試驗。然而,在比雙相不銹鋼典型臨界溫度低10-15℃的溫度下,采用ASTM A 923方法C進行單一腐蝕試驗將揭示有害相的存在。當采用腐蝕試驗來檢測有害相的存在時,任何正面或側面及邊緣的點蝕都應當被當作拒收的依據。盡管在實際設備里邊緣可能不接觸介質,但試驗的目的是檢測金屬間相,而它們較可能出現在中心線上,當把邊緣的腐蝕考慮進去時就對中心線進行了評估。


 在ASTM A 923頒布之前,腐蝕試驗通常是參考“改進ASTM G 48試驗”,但G 48是一個實驗室的研究方法而不是材料合格性的驗收方法。如果要求做G 48試驗,但沒有確定是哪種G 48操作方法并指出其它試驗條件,那么這種要求是不完整的。其它試驗條件包括:


 ?表面準備


 ?試驗溫度


 ?試驗持續時間


 ?是否包括邊緣的腐蝕


 ?合格標準的確定


 ASTM A 923是一項驗收試驗,目的是用一種經濟有效而相對快速的方法證明軋材不存在有害的金屬間相。ASTM A 923方法C是以腐蝕速率作為驗收的標準。這樣來檢測點蝕似乎令人驚訝;然而采用這個方法是基于以下兩個原因:


 a. 通過重量損失來考察合格與否,就避免了判斷金屬表面是否有蝕坑這種麻煩且可能帶主觀色彩的問題。達到拒收標準的重量損失足夠大,很容易進行測量,但它又足夠小,在24小時的試驗里就可以容易地檢測出與金屬間相相關的點蝕類型。


 b. 采用腐蝕速率這一標準,只要能確定總表面積,則幾乎任何尺寸和形狀的樣品都能進行試驗。


 與易受方向和缺口位置影響的夏比試驗相比,腐蝕試驗是比較保守的方法,而且對試樣的幾何形狀和位置不敏感。腐蝕試驗適合作為焊接工藝評定的一部分,而且,當可以獲得樣品時,它還作為一種具有經濟有效的質量控制試驗方法用于產品生產中焊縫樣品的檢驗。但必須考慮到退火軋材與焊接接頭在耐腐蝕性方面的差異,即便是一個焊接得當的焊縫,由于焊接工藝、保護氣體和所焊接的雙相不銹鋼牌號的不同,其臨界點蝕溫度也可能比母金屬低5-15℃。


6. 生產性焊接和檢驗


  雙相不銹鋼可能發生的問題對焊工來說并不是顯而易見的,也無法用無損檢測方法檢測出來。焊工必須認識到焊縫的總體質量取決于嚴格地遵循焊接工藝規程,并通過其在使用中的韌性和耐腐蝕性來衡量。偏離規定的工藝規程不一定在車間被檢測出來,但每一次偏離都對材料安全、經濟的使用是一個威脅。