Johan Löthman1, Anders Wallerö2, Ola Runnerstam1, 张怀征3
 
    山特维克材料科技焊接产品事业部，瑞典1
 
    山特维克材料科技研发部，瑞典2
 
    山特维克材料科技，上海3
 
    摘要
 
    与奥氏体不锈钢和镍基材料相比，超级双相不锈钢（SDSS）具有一系列独特特性，例如能有效抵御应力腐蚀开裂，具有更高的机械强度以及良好的耐氯化物腐蚀能力。此外，SDSS还具有良好的可焊接性、耐侵蚀腐蚀以及耐腐蚀疲劳等优异特性。凭借卓越的耐蚀性，SDSS适合用于各类严苛的应用环境中，如氯化海水以及温度低于300℃的酸性含氯介质。其典型的应用包括石油和天然气、海水淡化及其他海洋工程相关领域、脱硫装置以及造纸和化工行业中需要含氯漂白环境的应用。
 
    在本次研究中，Sandvik 25.10.4.L超级双相钢焊带通过使用非合金焊剂进行电渣堆焊（ESW）获得符合EQ 2594成分的堆焊层。结果显示，堆焊层熔敷金属的临界点蚀温度（CPT）为45℃，耐点蚀当量（PRE）值≥41，基本上不存在有害析出相。熔敷金属的化学成分符合UNS S32750 (AWS A5.9)标准，铁素体含量为50-60％（根据WRC-92标准）或者大约30％左右（根据ASTM E562标准）。力学性能方面，已通过侧弯试验。在零下46°C环境下冲击强度为约125 J，抗拉强度达到830兆帕，延伸率在30％左右。
 
    关键词：SDSS，超级双相钢，表面堆焊，电渣焊ESW，耐蚀合金CRA， 临界点蚀温度CPT，中性焊剂，Sandvik 25.10.4.L，UNS 32750，EQ2594
 
    简介
 
    与奥氏体不锈钢和镍基材料相比，超级双相不锈钢（SDSS）具有一系列独特特性，如能有效抵御应力腐蚀开裂，具有更高的机械强度，良好的耐氯化物腐蚀能力（参见图1）。此外，SDSS还具有卓越的可焊接性、耐侵蚀腐蚀以及耐腐蚀疲劳等优异特性。
 
    凭借出色的耐蚀性，SDSS适合用于各类严苛的环境中，如氯化海水以及温度小于300℃的酸性含氯介质。在应用温度小于300℃的腐蚀环境下，SDSS是替代镍基材料的一种具有成本效益的解决方案。其卓越的耐腐蚀性、良好的可焊接性以及与碳钢和低合金钢接近的热膨胀系数使SDSS尤其适用于耐腐蚀堆焊层（参见图2）。
 
    超级双相钢SDSS牌号目前仅有焊丝（ER2594）和焊条（E2594）两种形式的产品。因此SDSS尚未能有效替代奥氏体不锈钢和镍基合金等拥有埋弧焊（SAW）或电渣焊（ESW）焊带材料。目前EQ2594焊带已推向市场。本次研究对用ESW方法获得的EQ2594 堆焊层进行了熔敷金属化学成分、铁素体含量、PRE值、机械性能以及耐腐蚀性等方面的进行测量和分析。
 
    实验材料和方法
 
    实验使用一种或两种焊带，堆焊得到两层或者三层熔敷金属，从而评估母材未经过或者经过热处理的情况下的焊接工艺（参见图1）。
 
    在此次研究中，ESW带极堆焊在AISI A182级母材试板上进行，使用Sandvik 47S焊剂，这是一种用于ESW方法的烧结型中性焊剂。本研究中使用的焊带详见表2。
 
    实验结果和分析
 
    堆焊层化学成分
 
    实验显示，在母材（未经热处理）上直接堆焊两层EQ2594所得到的堆焊层表面的化学成分与先堆焊一层EQ309L过渡层再堆焊两层EQ2594的表面化学成分几乎完全一致。在这两种情况下，PRE 值都达到了41（参见表3）。
 
    铁素体含量
 
    根据ASTM E562 标准测量堆焊层的铁素体含量，并根据WRC-92标准计算。两种堆焊层的测量和计算结果几乎完全相同（参见表4）。
 
    微观组织
 
    在对母材未经热处理和经过热处理（第一层使用过渡层309L）堆焊层的微观结构进行分析后发现，两者均含有典型的双相焊缝结构以及大约铁素体含量30%左右的平衡的铁素体-奥氏体比例（参见图3）。微观组织中基本不含二次析出相成分（二次奥氏体、σ相和氮化铬），极低的孔隙率和极小的孔径（直径约为50微米）（详见表5）。
 
    腐蚀
 
    实验中采用ASTM G48A和ASTM G48E两种不同方法分析耐点蚀性能。根据NORSOK  M-601标准，ASTM G48A方法应在40°C环境下进行，曝露时间最少为24小时（参见表6）。ASTM G48E方法中的临界点蚀温度（CPT）实验在40°C、45°C及50°C三种不同的温度下进行（参见表7）。
 
    力学性能
 
    通过对纯熔敷金属在室温下进行拉伸实验，从而研究材料的机械性能（参见表8）。
 
    根据NORSOK M/601标准，对纯熔敷金属的上层、每组取6个样本进行了冲击强度测试，测试温度为-46°C（参见表9）。
 
    侧弯试验选取了3个试样进行，所有试样均通过了测试（参见表10）。
 
    讨论
 
    对于超级双相不锈钢的焊接，一般不需要进行热处理，但如果需要对母材（例如低合金钢）进行焊后热处理的话，在堆焊第一层奥氏体过渡层之后进行焊后热处理。在本次研究中，过渡层采用了309L（Sandvik 24.13.L）材料。如无需对母材进行焊后热处理，则仅需两层EQ2594熔敷金属就能获得未稀释的EQ2594堆焊层。
 
    EQ2594的堆焊可使用ESW（电渣焊）工艺。采用Sandvik 25.10.4.L（EQ2594）焊带和Sandvik 47S焊剂，可实现良好的焊接性和表面光滑度。两层堆焊可以获得未稀释的EQ2594堆焊层的表面化学成分，以及铁素体-奥氏体微观组织，且基本上不含第二相。
 
    铁素体-奥氏体微观组织的铁素体含量约为30%（按ASTM E562标准测量）。根据WRC-92标准计算，铁素体含量为50-60%，抗点蚀当量（PRE）约为41。较为平衡的铁素体-奥氏体比例加上较高的PRE值表现出了卓越的耐腐蚀性。根据NORSOK M-601标准，能满足40°C条件下ASTM G48 A试验要求，并在ASTM G48 E标准下达到45°C极高的临界点蚀温度（CPT）。
 
    由于很好的两相平衡铁素体-奥氏体，加之不存在第二相，使得焊缝的机械强度和延展性较高。一般可达到30%的延伸率，这对于超级双相焊接金属而言是相当高的，同时还能实现出色的拉伸强度（约830兆帕）和屈服强度（约670兆帕）。在冲击强度测试中，表面熔敷金属还展现出优异的韧性，在-46°C下约为125 J。此外，所有样品均通过侧面弯曲测试。
 
    经实验证明，使用Sandvik 25.10.4.L焊带和Sandvik 47S焊剂进行ESW方法堆焊，可成功获得EQ2594耐蚀合金（CRA）堆焊层。这种方式可提高CRA耐蚀合金堆焊的成本效益，适用于石油，天然气，化工，海水相关应用、纸浆和造纸工业等氯漂白环境以及化学工业等较为严苛的应用领域。
 
    结论
 
    通过使用Sandvik 25.10.4.L焊带和Sandvik 47S焊剂进行ESW方法堆焊，可获得EQ2594耐蚀合金（CRA）堆焊层。
 
    根据NORSOK M-601标准，能在40°C条件下符合ASTM G48 A试验标准，并在ASTM G48 E标准下实现45°C的极高临界点蚀温度（CPT）。
 
    铁素体-奥氏体微观结构的铁素体含量约为30%（按ASTM E562标准测量）。根据WRC-92标准计算，铁素体含量为50-60%，耐点蚀当量（PRE）约为41。
 
    堆焊层具有较高的机械强度（抗拉强度达830兆帕，屈服强度670兆帕），并展现出良好的延伸性，延伸率约为30%，在-46°C环境下冲击强度为约125 J，已通过侧弯试验。