珠光体钢

用于锅炉管等生产的耐热钢材

珠光体钢（pearlitic steel）又称珠光体热强钢或珠光体耐热钢。这类钢在正火状态下，具有珠光体和铁素体显微组织的钢。该钢种合金元素含量少，工艺性能好，工作温度最高可达600℃，按用途这类钢又可分为锅炉管用钢、气包用钢、紧固件用钢和转子用钢。

简介

珠光体钢接头在焊接过程中，特别是接头处于热处理及高温运行过程中，存在碳的扩散迁移，在低铬钢中产生脱碳层，而在相邻的高铬钢一侧产生增碳层，在高温下长时间加热时，脱碳层母材由于碳元素减少，珠光体组织将变成铁素体组织而软化，同时促使脱碳层处的晶粒长大，沿熔合区生成一层粗晶粒的结晶层。

增碳层中的碳除熔入母材料以外，剩余的碳元素则以铬的碳化物形态析出而使组织软化。

焊缝金属中含铬量从0.6%增加到5%时，对低碳钢母材脱碳层宽度的影响最为显著，而进一步提高铬含量，则影响减少。当焊缝金属中含铬量提高到25% 时，脱碳层宽度显著减小，同时也减小了焊缝金属中增碳层的宽度。珠光体母材中含一定量的碳化物形成元素( 如Cr、Ti、W、V、Nb等) ，能显著减弱碳的扩散迁移。如果碳的迁移量过大，采用轻微腐蚀就能显示出来。在显微镜下，碳的热影响区存在白亮低碳带，而在不锈钢焊缝金属中存在暗色高碳区。

产生热应力是影响接头强度和产生热疲劳的重要原因。奥氏体钢线膨胀系数比珠光体钢大30% ～ 50%，热导率只有珠光体钢的1 /3。两种材质的接头，在焊后冷却、热处理以及使用中，都会在熔合区产生热应力。热应力是影响接头强度和产生热疲劳的重要原因。

珠光体钢异种接头在周期加热和冷却条件下工作时承受严重的热交变应力，结果沿珠光体钢一侧熔合区产生热疲劳裂纹，并沿着弱化了的脱碳层扩展，导致接头强度和韧性较差。

珠光体钢焊接材料的选用

珠光体钢焊接一般遵循如下原则选择焊接材料：

(1) 能克服珠光体钢对焊缝金属稀释作用带来的不利影响。

(2) 抑制碳化物形成元素的不利影响，保证接头使用性能，包括力学性能和综合性能。 (3) 焊接接头不产生冷、热裂纹。

(4) 良好的工艺性能和较高的生产效率，尽可能降低成本。根据焊接接头的预期使用条件，在考虑稀释对焊缝金属成分的影响后，选用合适的填充金属。

中温作业，即使使用温度低于427 ℃时，一般不采用奥氏体不锈钢填充金属，而用Ni-Cr-Fe 填充金属。多道焊时，根据各焊道的变化，可采用多种填充金属。 Q235 钢用于奥氏体不锈钢焊接的焊接材料。

采用不锈钢填充金属时，为使珠光体侧焊缝金属中产生奥氏体加铁素体组织，并减小熔合区，焊缝塑性降低，可在珠光体钢坡口面先用含镍量高的奥氏体焊条堆焊，然后加工，再用含镍量低的奥氏体焊条焊接接头，用于371 ℃以上条件的珠光体钢与奥氏体钢异种接头，通常采用镍合金作填充金属。这类填充金属用于在温度周期变化中工作的过渡接头，有下列的优点: 能容许多种母材稀释而不产生对裂纹敏感的组织; 对碳的溶解度低，可减少碳从低合金钢迁移到裂缝内部。当选用的镍合金填充金属( 如ERNiCr-3) 的线膨胀系数接近于低合金钢( 如2。 25Cr-1Mo) 母材时，焊缝界面处产生的应力比用奥氏体不锈钢填充金属时小得多，同时界面处的金属具有足够的抗氧化能力和高的蠕变断裂强度，可以保证使用中适宜的接头等强性。

珠光体钢焊接工艺及焊后热处理

焊接珠光体钢在异种接头时，为了降低熔合比，减少焊缝金属被稀释，应采用大坡口、小电流、快速、多层焊等工艺。由于膨胀系数不同，借助适当的系统设计和接头布置可改变应力分布，长焊缝应分段跳焊。

异种奥氏体钢焊接接头热处理工艺的选择取决于钢材的牌号、构件的形状和工作条件。不需要消除焊接应力和在中等温度条件下工作的一般耐热钢焊接时，可以不进行焊后热处理。对于制造要求和使用条件中规定要消除焊接应力的构件，则在800 ～ 850 ℃下作稳定化处理就足够了。对于在高温下工作的构件来说，焊接构件最好在1 100 ～1 150 ℃下做奥氏体化处理。但如果要求抗晶间腐蚀时，奥氏体化处理温度就不要超过1 050 ℃。如果焊接接头中使用了弥散强化的奥氏体钢，则焊后必须进行热处理来恢复近缝区的性能，此时，热处理工艺的选择，通常按弥散强化钢的要求进行。

珠光体钢的焊条、预热及焊后热处理，如果被焊异种钢中有淬硬性倾向大的钢，就得进行适当的预热。淬硬性倾向大的珠光体钢与奥氏体钢异种接头还需焊后热处理，以防出现淬硬组织，降低焊接残余应力和防止出现冷裂纹，由于上述焊接接头在熔合区产生脆化和扩散层，尤其在焊接大厚度刚性构件时，焊件在回火处理或以后使用的过程中可能出现熔合区脆断。为此，可用高镍焊条先在珠光体钢坡口面堆焊，然后在焊接。由于珠光体钢与奥氏体钢膨胀系数不同，焊后在接头处产生很大的残余应力，可借助适当的系统设计和接头布置减小作用于接头的外载荷，需要时可以增加过渡层。

珠光体钢焊接接头组织性能

珠光体钢焊接接头分为焊缝区、熔合区和热影响区三个主要特征区。采用奥氏体钢焊条时，焊缝组织为奥氏体加少量的骨架状铁素体。熔合区为针状组织和不易被腐蚀出来的“白亮”带; 靠近熔合区为具有粗大组织的热影响区。显微硬度测试表明: 熔合区为一个高硬度区。

珠光体钢焊缝金属的稀释程度受焊接方法、接头形式、焊接工艺参数( 焊接电流、焊接速度) 、预热温度、焊工操作技术等因素影响。由于稀释、电弧对流和机械搅拌等作用，焊缝金属是奥氏体钢焊条与珠光体母材的均匀混合区。不同的坡口形式和焊接工艺，母材对填充金属的稀释程度也不一样。

焊接金属的化学成分可以根据填充金属、母材成分和熔合比来计算。焊缝组织可以根据舍夫勒焊缝组织图预测。实际上，焊缝中间部位与焊缝边缘的化学成分有很大的差别，熔池边缘靠近固态母材处，液态金属的温度较低、流动性差，液态停留时间较短，受到机械搅拌作用比较弱，是一个滞留层。该处熔化的母材与填充金属不能充分地混合，而且越靠近熔合区，母材成分所占比例越大。

珠光体钢焊缝中Cr、Ni 元素向熔化的母材中扩散，以及母材中碳元素由于受Cr 的亲和作用向焊缝中扩散，最终形成一个合金元素浓度梯度。 20 号钢与Cr25Ni20 ( A402) 熔合区附近，合金元素的成分分布。因焊缝中的Cr、Ni 含量较高，达到了Schaffler 焊缝组织图中单相奥氏体要求的含量，使得奥氏体组织融合过渡区中的Cr、Ni 不足以形成单相奥氏体，快速冷却时可能形成脆性马氏体组织。

Cr5Mo 钢与Cr25-Ni13( A302) 熔合区附近合金元素的成分分布。这种合金元素浓度的变化必然引起组织变化，形成一个称为熔合区的过渡区。该过渡区虽然很窄，但对焊接接头的力学性能有重要影响。

奥氏体焊缝与低碳钢焊接熔合区两侧在焊态及经过高温加热处理后C、Cr 元素的电子探针分子结果。显然，经过6 000 ℃ × 100 h高温加热处理后，在焊接熔合区靠近焊缝金属一侧的碳含量显著增加，使熔合区附近的组织性能发生明显变化，尤其是冲击性降低。

Cr 是强碳化物形成元素，碳原子沿着激活能较低的晶体边缘由焊缝扩散迁移到熔合区后，有C 元素形成稳定的碳化合物Cr23C6。由于熔合区的碳化物溶解和随后向焊缝空隙扩散进行的较慢，从而形成明显的脱碳层。提高焊缝中的铬含量或铁素体化元素的含量将促使脱碳层的宽度增加。

Ni 是奥氏体化元素，会增大碳的活度系数，降低碳化物的化学稳定性，并消弱碳化物形成元素对碳的结合能力。熔合过渡区的宽度主要受焊接工艺和填充金属中化学成分的影响，如采用大电流和高Ni 含量的焊条就能够减小熔合区的宽度，特别是马氏体层的宽度。

总结

珠光体钢的异质接头在425 ℃以下工作时，采用25-13 型填充金属焊接的接头性能良好; 在425 ℃以上工作时，熔合区靠近珠光体易侧产生脆性带，导致接头沿熔合线断裂，所以当珠光体钢与奥氏体钢的异质接头在425 ℃以上或在温度、压力变化较大的环境下工作时，要采用镍含量大于25% 的填充金属( 如A507) ，甚至采用纯Ni 基填充金属，将熔合区的低塑性带的宽度降低至最小，保证接头的强度和耐蚀性能。

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