奧氏體不銹鋼帶極電渣堆焊層金屬顯微組織分析

楊 勤，楊 可，包曄峰

（河海大學(xué)機電工程學(xué)院，江蘇常州 213022）

0 前言

奧氏體不銹鋼焊縫的組織特征是在奧氏體（γ相）基體上分布著5%~30%的δ鐵素體[1]，其數(shù)量、形態(tài)由Creq/Nieq和冷卻速度等因素決定[2]。本研究采用帶極電渣堆焊在Q235母材上熔敷奧氏體不銹鋼層，當(dāng)奧氏體不銹鋼中δ鐵素體含量為3%~12%時可防止熱裂紋的產(chǎn)生，這是因為δ鐵素體對S、P、Si等元素有較高的溶解度，能有效降低凝固時殘液的雜質(zhì)含量，最終提高抗裂紋性能[3]；另一方面δ鐵素體在一定條件下可轉(zhuǎn)化成σ相導(dǎo)致脆化，因此研究堆焊層金屬的顯微組織具有重要意義。本研究采用金相、掃描電鏡等試驗手段研究了奧氏體鋼焊接區(qū)域中δ鐵素體的形態(tài)分布、含量等，對防止奧氏體鋼焊接接頭區(qū)的晶間腐蝕、熱裂紋等問題具有重要意義。

1 試驗設(shè)備、材料及方法

試驗設(shè)備采用MZ-1000電源和FD11-200T平焊小車配帶極堆焊機頭。母材為低碳鋼Q235，尺寸400 mm×200 mm×10 mm，帶極電渣堆焊用焊接材料選用焊帶尺寸為25 mm×0.4 mm的奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分見表1。焊劑選用自行研制的燒結(jié)焊劑氟堿型渣系CaF2-MgO-SiO2-Al2O3[4]，其擬定成分范圍為w(CaF2)=50%~65%，w(MgO)=10%~18%，w(SiO2)=10%~15%，w(Al2O3)=8%~12%，w(ZrO2)=3%~8%，w（其他）=2%~8%，其堿度范圍為 3~4，采用直流反接模式，焊接工藝參數(shù)為：電流338~380 A，電壓25~28 V，焊帶干伸長25 mm，焊劑覆蓋厚度30 mm，焊速為 8 m/h[5]。

經(jīng)取樣、鑲嵌、不同型號的砂紙磨平、機械拋光后，采用硫酸銅-鹽酸溶液腐蝕堆焊層和母材，母材腐蝕6 s，堆焊層腐蝕12 s。腐蝕后用清水沖洗和酒精擦拭試樣表面，吹干后進行觀察。利用Bruker Elmental直讀光譜儀對堆焊層金屬進行成分分析；選取堆焊層金屬作為試驗材料，制備金相樣品，腐蝕劑為硫酸銅-鹽酸水溶液，采用XJG-05型臥式金相顯微鏡、FEI Quanta 600掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察和測定堆焊層金屬的顯微組織和微區(qū)成分。晶間腐蝕試樣的制備用銅導(dǎo)線（包裹有絕緣層）與堆焊層試樣利用錫焊連接，然后用環(huán)氧樹脂鑲嵌，待硬化后對試樣進行打磨拋光，并對試樣表面用無水乙醇清洗、吹干待用，試驗按國家標準GB/T4334.1-2000不銹鋼10%草酸浸蝕法進行，采用XJG-05大型金相顯微鏡觀察晶間腐蝕狀況和試樣的浸蝕形貌，并判斷晶間腐蝕傾向。

表1 母材Q235和奧氏體不銹鋼焊帶的化學(xué)成分 %

2 帶極電渣堆焊層組織和性能

2.1 帶極電渣堆焊層金屬的宏觀金相

采用硫酸銅-鹽酸溶液對帶極電渣堆焊試樣進行腐蝕，腐蝕時間5 min，然后進行宏觀金相觀察，堆焊層橫截面形貌如圖1所示，可知焊接時高溫下的液態(tài)熔池金屬對母材的潤濕性較好，形成的接觸角較小，有利于搭邊時相鄰焊道的熔合過程，堆焊層平整，堆焊層與基體結(jié)合良好。

圖1 帶極電渣堆焊層橫截面宏觀金相照片

2.2 帶極電渣堆焊層金屬的化學(xué)成分分析

在堆焊試板上，先從表面刨去2.5 mm厚度，然后在距表面2.5～3.0 mm內(nèi)取樣，在試樣上取多個不同位置進行測量后取平均值，其主要化學(xué)成分如表2所示。堆焊層金屬為典型的奧氏體系不銹鋼，其中w(Ni)＝7.9%，w(Cr)＝17.53%，合金元素的總含量較高，基本與焊帶成分相同，說明帶極電渣堆焊的稀釋率較低，合金元素的燒損較小，進而能充分保證堆焊層金屬的耐腐蝕性能。

表2 帶極電渣堆焊層的主要化學(xué)成分%

2.3 帶極電渣堆焊層組織分析

利用光學(xué)顯微鏡對帶極電渣堆焊層的橫截面進行顯微組織觀察，如圖2所示，顯微組織為奧氏體＋少量δ-鐵素體。其中黑色為δ-鐵素體相，沿柱狀晶方向生長，灰白色為γ-奧氏體基體。堆焊層金屬從熔合線到頂部，鐵素體的形態(tài)和所占比例不同，主要有骨架狀、板條狀和蠕蟲狀共存于堆焊層金屬中。堆焊層中部金屬的鐵素體形態(tài)呈骨架狀和板條狀，而在堆焊層頂部金屬主要分布著蠕蟲狀鐵素體，分別如圖2所示，圖2a中δ-鐵素體呈斷續(xù)狀和骨架狀，圖2b中大部分δ-鐵素體呈板條狀，且鐵素體更密集、粗大、連續(xù)，圖2c中δ-鐵素體呈蠕蟲狀分布。在堆焊金屬的凝固過程中，以δ鐵素體為初始析出相，由于在較低溫度下鐵素體不穩(wěn)定，凝固終了前在鐵素體胞晶界和枝晶界通過包晶-共晶反應(yīng)形成奧氏體，該凝固模式被稱為FA模式。FA模式凝固可以保證焊縫金屬有良好的抗凝固裂紋能力，優(yōu)于凝固時初始析出奧氏體模式[6]。這種優(yōu)良抗裂性的主要原因是在凝固終了階段沿凝固晶界出現(xiàn)了奧氏體和鐵素體的混合兩相，從而阻止了液態(tài)薄膜的浸潤，并使裂紋必須沿著彎曲的晶粒邊界擴展[7]。這正是所期望得到的凝固模式和組織。

圖2 帶極電渣堆焊層金屬的顯微組織

圖3為帶極電渣堆焊層金屬顯微組織的掃描電鏡照片，黑色線狀部分為鐵素體，沿奧氏體晶界分布，灰色區(qū)域為奧氏體。在金相分析軟件中通過對鐵素體和奧氏體兩相的含量進行分析計算，得到鐵素體所占面積百分比為6.9%，其鐵素體含量在3%~12%之間就可以保證堆焊層金屬具有良好的抗熱裂紋性能。

圖3 帶極電渣堆焊層金屬顯微組織的掃描電鏡照片

2.4 帶極電渣堆焊層金屬的性能分析

為了分析堆焊層組織的均勻性，在顯微硬度計HXD－1000TC上對堆焊層進行硬度測試。由圖4可知，堆焊層的硬度平均值為180.7 HV，正負偏差為－2.7%～1.8%，說明堆焊層金屬的顯微硬度相差不大，其組織均勻。

圖4 堆焊層顯微硬度測試（單位：HV）

奧氏體不銹鋼中導(dǎo)致腐蝕性能降低的最重要的原因是晶間腐蝕。因為在晶界處的晶格是不完整的，它特別有利于金屬原子的擴散，極易在晶界形成碳化物，使晶界附近形成貧鉻區(qū)，引起晶間腐蝕。晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼中最為危險的一種破壞形式，對堆焊層金屬的晶間腐蝕性能進行研究分析有重要的意義。

堆焊層金屬在10%草酸溶液中浸蝕后的金相組織形貌如圖5所示，奧氏體晶粒較小，被網(wǎng)狀分布的腐蝕溝包圍的晶粒較少，這是由于鐵素體是以分散并均布成小坑狀存在于奧氏體晶粒之間，削弱奧氏體柱狀晶和樹枝晶的方向性，隔斷奧氏體晶界連續(xù)網(wǎng)狀碳化鉻析出，從而防止晶間腐蝕，因此鐵素體對提高耐晶間腐蝕的作用有利。同時在帶極電渣堆焊工藝中，熔化焊材和母材所需要的熱量由溫度約為2 300℃的熔融態(tài)渣池供給[8]，形成的晶粒較細小，因此單位面積的晶界面積小，導(dǎo)致晶界形成貧鉻區(qū)的傾向變小[9]，另外帶極電渣堆焊層金屬的碳含量低，鉻含量高，這種低碳高鉻減少了鉻的碳化物在晶界的析出，從而使得帶極電渣堆焊層金屬具有良好的抗晶間腐蝕性能。

圖5 堆焊層金屬在10%草酸溶液中的金相組織

3 結(jié)論

（1）奧氏體不銹鋼帶極電渣堆焊層金屬成型性好，與基體結(jié)合良好，稀釋率低、合金元素?zé)龘p小。

（2）堆焊層金屬中部和頂部的凝固模式為FA模式，其室溫下顯微組織為奧氏體和少量δ鐵素體，頂部為含量較多的蠕蟲狀鐵素體，中部多為板條狀鐵素體和骨架狀鐵素體，這種凝固模式可以降低凝固裂紋的敏感性。

（3）帶極電渣堆焊層金屬碳含量低、鉻含量高，減少了鉻的碳化物在晶界的析出，使得帶極電渣堆焊層金屬具有良好的抗晶間腐蝕性能。

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