奧氏體不銹鋼焊條焊縫成分對組織的影響規(guī)律

張婉云，鄧火生，龍昌茂，肖　勇，蔣成剛，文鐵生

（1.廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007；2.桂林市宇力工程機械有限公司，廣西桂林541002）

奧氏體不銹鋼焊條焊縫成分對組織的影響規(guī)律

張婉云1，鄧火生1，龍昌茂1，肖勇1，蔣成剛2，文鐵生2

（1.廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西南寧530007；2.桂林市宇力工程機械有限公司，廣西桂林541002）

介紹了由鉻鎳當量（Creq、Nieq）關(guān)系式?jīng)Q定的奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬的4種金相組織圖，即Schaeffler、Delong、WRC-1988和WRC-1992組織圖的特點和適用條件。其中Schaeffler組織圖是應(yīng)用最多的一種相圖，而利用WRC-1988和WRC-1992組織圖是通過成分預(yù)測雙相組織的不銹鋼焊條焊縫金屬中的鐵素體數(shù)（FN）是最精確的。同時還介紹Cr、Ni和C、N等主要成分對組織影響規(guī)律的研究成果：Cr、Ni對組織起決定性影響，合金元素總量為50％～65％，Ni/Cr略大于0.8和Creq>（0.93Nieq+6.7）時，焊縫為純奧氏體組織；合金元素總量為35～45％，Cr/Ni約大于1.4和Creq>（0.93Nieq+6.7）時，焊縫為雙相組織；通過控制Cr、Ni、C、N等合金元素含量和Creq、Nieq在一定范圍內(nèi)的變化，可使鐵素體含量達到所需要的最佳值；強力的奧氏體形成元素C和N，可大大提高Nieq值，明顯影響組織。對奧氏體不銹鋼焊條的研究，特別是對焊絲化學(xué)成分的設(shè)計，具有實際意義和參考價值。

奧氏體不銹鋼焊條；焊縫成分；焊縫組織

0　前言

具有單相奧氏體組織或奧氏體+鐵素體雙相組織的焊縫金屬不產(chǎn)生相變，故奧氏體不銹鋼焊條化學(xué)成分決定焊縫金屬的金相組織，即取決于鐵素體形成元素（Cr、Si、Mo、V、Nb、Ti等）和奧氏體形成元素（Ni、Mn、N、C等）的含量，即鉻當量（Creq）和鎳當量（Nieq）。

然而，奧氏體不銹鋼焊條的主要性能如力學(xué)性能、抗裂性能和耐腐蝕性能等，不僅取決于成分，還取決于組織對其產(chǎn)生的重要影響。因此，研究和掌握成分對組織的影響規(guī)律以及成分和組織對性能的影響規(guī)律，對奧氏體不銹鋼焊條的研究，特別是對其焊絲（焊縫）化學(xué)成分的設(shè)計具有重要意義。

1　Creq和Nieq關(guān)系式?jīng)Q定的金相組織圖

金相組織圖是研究奧氏體不銹鋼焊條的有力工具。而金相組織圖則是依據(jù)Creq和Nieq的計算結(jié)果及無數(shù)次焊縫中鐵素體含量等的實測結(jié)果繪制而成。由于Creq和Nieq關(guān)系式不同，故有不同式樣的組織圖。目前應(yīng)用較多的有Schaeffler組織圖、Delong組織圖及WRC-1988和WRC-1992組織圖等，它們都可用于電弧焊方法（如焊條電弧焊SMAW、鎢極氬弧焊GTAW、熔化極氣體保護焊GMAW和埋弧焊SAW）中對成分、組織和性能的研究。為了正確應(yīng)用相圖，特對它們的基本特點和適用條件等進行分析總結(jié)。

1.1Creq和Nieq關(guān)系式與Schaeffler組織圖

Schaeffler（舍弗勒爾）1949年版本的Schaeffler組織如圖1所示。決定其組織圖的鉻鎳當量關(guān)系式，即Creq、Nieq關(guān)系式[1]為

圖1　Schaeffler組織

上述公式中的元素符號僅代表其質(zhì)量分數(shù)的分子部分，而不是百分數(shù)的全部（以下同），如：Cr的質(zhì)量分數(shù)為21％時，則在式（1）中的Cr取21，而不是0.21；Ni的質(zhì)量分數(shù)為10％時，則在式（2）中的Ni取10，而不是0.10。

根據(jù)文獻[2]，決定Schaeffler組織圖的Creq和Nieq關(guān)系式為

鑒于此，在應(yīng)用Schaeffler組織圖時，當焊縫金屬不含氮時，就用式（1）、式（2）計算Creq和Nieq；當含氮時，就采用式（3）、式（4）計算Creq和Nieq。不難看出，式（3）和式（4）包括了奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬中所有可能有的合金元素項，故更具實用性。因此，在我國應(yīng)用最多的是Schaeffler組織圖。

1.2Creq和Nieq關(guān)系式與Delong組織圖

Delong（德龍）等人于1973年在Schaeffler組織圖基礎(chǔ)上確定了Delong組織圖，如圖2所示。其Creq表達式不變，即為式（1）。因研究發(fā)現(xiàn)氮對鐵素體影響較大，所以在Nieq關(guān)系式中加進了氮元素項，其鎳當量關(guān)系式[1]為

因此，Delong組織圖和Scheaffer組織圖有如下區(qū)別：

（1）在鉻當量不變的情況下，在鎳當量關(guān)系式中增加了氮元素項，使相區(qū)界線位置發(fā)生了變化，即增大了鐵素體線的斜率。

（2）前者的鐵素體線間距離相對是恒定的，而后者是變化的。

（3）增加了表示鐵素體含量的“鐵素體數(shù)”（FN）的標度。雖然FN單位與鐵素體百分數(shù)含量沒有直接關(guān)系，但在圖內(nèi)雙相組織區(qū)域中在小于10的范圍內(nèi)時，兩者基本相近或相同。

1.3Creq和Nieq關(guān)系式與WRC-1988和WRC -1992組織圖

WRC（美國焊接研究會不銹鋼委員會的簡稱）分別于1988年和1992年提出了WRC-1988組織圖（見圖3）和WRC-1992組織圖（見圖4）。而決定WRC-1988組織圖的鉻鎳當量關(guān)系式[1]分別為

WRC-1992組織圖與WRC-1988組織圖基本相同，鉻當量關(guān)系式也相同，即為式（6），只是鎳當量關(guān)系式中增加了系數(shù)為0.25的銅元素項，故鎳當量關(guān)系式為

圖2　Delong組織

圖3　WRC-1988組織

圖4　WRC-1992組織

WRC-1988和WRC-1992組織圖與Delong組織圖相比較，其鐵素體數(shù)由0～18擴展到了0～100；而與Schaeffler組織圖相比較，0～100之間的鐵素體線更多。WRC-1998和WRC-1992組織圖廣泛應(yīng)用于預(yù)測雙相組織不銹鋼焊縫金屬中的鐵素體數(shù)，且較其他組織圖會更可靠和更精確。

2　化學(xué)成分對金相組織的影響

與低中合金鋼（焊縫）不同的是，奧氏體不銹鋼焊縫金屬的組織，僅取決于其化學(xué)成分，因不發(fā)生相變，與焊接工藝參數(shù)和熱處理制度基本無關(guān)。因此，在研究成分對組織的影響時，就顯得更直接和簡單。

2.1合金元素對組織的影響

合金元素Cr、Ni、Mn、Si、Mo、C、N等對焊縫組織都會產(chǎn)生影響，其中影響最大的是Cr、Ni和C、N等元素。

（1）Cr、Ni對組織的影響。

根據(jù)對50多種國產(chǎn)奧氏體不銹鋼焊條的統(tǒng)計得知，其熔敷金屬中Cr、Ni之和約占合金元素總量的85％，最高達90％以上。并且鉻和鎳分別是形成鐵素體和奧氏體的基本元素，故Cr和Ni對組織起到?jīng)Q定性作用。

（2）C、N對組織的影響。

C和N都是奧氏體形成元素，其作用分別為Ni的30倍或35倍和20倍或25倍或30倍（指在不同Nieq公式中的作用），故可大大提高Nieq值。

由于C對抗裂性能和耐晶間腐蝕性能等的影響極為不利，故焊縫金屬中C含量通常均為0.10％的低C和小于等于0.04％的超低C。在這種情況下，C對其組織的影響較小。然而，在研究鑄鐵型不銹鋼堆焊焊條時，為提高焊縫金屬硬度，就含有大于1％的C，其組織就成了純奧氏體組織。

焊縫金屬中N含量一般為0.10％～0.25％（也有0.30～0.50％），且其溶解度是隨著Cr、Mn、Mo等元素含量增加和Ni含量降低而提高[3-4]。因此，通過控制焊縫金屬中的N含量，即可調(diào)整奧氏體相區(qū)的變化和微觀組織的平衡。

（3）Mn和Mo、Si對組織的影響。

Mn是奧氏體形成元素，而Mo、Si是鐵素體形成元素。在通常情況下，雖然它們都是奧氏體不銹鋼焊縫金屬中基本元素，但含量一般都較低，特別是Si一般控制在1.00％以下，故對組織的影響有限。如果為了提高氮的溶解度，即主要為了提高焊縫強度，焊縫金屬中的Mn和Mo的含量可達到5％甚至更高。在這種情況下，Mn和Mo對組織會產(chǎn)生較大影響。

此外，Nb、Ti、V、W等鐵素體形成元素和Cu、Co等奧氏體形成元素，在焊縫金屬中含量更低或不存在，對組織的影響很小。

2.2成分對組織影響的試驗及結(jié)果

2.2.1試樣制備

（1）試驗用焊條有：A557[3]、A807[4]焊條及資料[5]中具有代表性的16種焊條（參見表1），規(guī)格均為φ4.0 mm。使用前焊條均經(jīng)250℃×2 h烘焙。

（2）試驗用鋼板為1Cr18Ni9不銹鋼，試板尺寸為12 mm×50 mm×100 mm（厚×寬×長）。

（3）堆焊試驗在不銹鋼權(quán)上進行，焊接電流155A，共堆焊6層，層間溫度140℃。

（4）分別在18塊試板上取鐵屑樣和加工金相試樣。

2.2.2試驗結(jié)果

18種焊條熔敷金屬的主要化學(xué)成分（Cr、Ni、C、N和Mn、Mo）的分析結(jié)果及金相組織試驗結(jié)果如表1所示。

表1　奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬成分對組織的影響

鐵素體含量由三種方法獲得：表中①為按式（9）的計算值；②是按Creq和Nieq的計算值在Sheffler組織圖上讀出的結(jié)果；③為采用磁性法測定的結(jié)果（平均值）。

2.3化學(xué)成分對金相組織的影響規(guī)律

（1）當合金元素總量為50％～65％時，焊縫金屬為純奧氏體組織；當合金元素總量約為35％～45％時，焊縫金屬為雙相組織。

（2）當Ni/Cr大于0.8時（一般都大于1），焊縫金屬為純奧氏體組織；當Cr/Ni大于1.4時，焊縫金屬為雙相組織。

（3）根據(jù)文獻[1]提出的無氮的奧氏體焊縫金屬中鐵素體含量的表達式為

當Creq<（0.93Nieq+6.7）時，焊縫金屬為純奧氏體組織；當Creq>（0.93Nieq+6.7）時，焊縫金屬為雙相組織，且Creq的值越大，鐵素體含量越高。

（4）在雙相組織的相區(qū)中，當Creq值增大和Nieq值減少時，其鐵素體百分數(shù)（或鐵素體數(shù)）增加；反之則減少。而當Creq>30以上時，組織中的鐵素體含量可達到30％以上，如表1中的E312和E2209焊條等。但雙相組織焊縫金屬中的鐵素體含量，一般為3％～9％或3％～10％。鑒此，通過化學(xué)成分的設(shè)計和控制Creq和Nieq在一定范圍內(nèi)變化，可獲得所需要的金相組織（含鐵素體含量）。

3　結(jié)論

（1）由鉻鎳當量（Creq、Nieq）關(guān)系式?jīng)Q定的奧氏體不銹鋼焊條金相組織圖有Schaeffler組織圖、Delong組織圖、WRC-1988和WRC-1992組織圖共四種，以用來研究其成分對組織的影響及成分和組織對性能的影響。其中Schaeffler組織圖是應(yīng)用最多的相圖，而WRC-1988和WRC-1992組織圖用來預(yù)測雙相組織不銹鋼焊縫金屬中的鐵素數(shù)（FN）是最精確的。

（2）奧氏體不銹鋼焊條焊縫金屬中的合金元素總量約35％～65％，而Cr、Ni之和約占合金元素總量的85％，且Cr和Ni分別為鐵素體和奧氏體的形成元素，故Cr和Ni對組織起著決定性作用。即合金元素總量為50％～65％、Ni/Cr略大于0.8（一般大于1）和Creq<（0.93Nieq+6.7）時，焊縫金屬為純奧氏體組織；合金元素總量約為35％～45％、Cr/Ni略大于1.4和Creq>（0.93Nieq+6.7）時,焊縫金屬為雙相組織。

（3）C和N是強力的奧氏體形成元素，分別為Ni的30倍或35倍和20倍或25倍或30倍，可大大提高Nieq值。因此，焊縫金屬中的C、N含量對調(diào)整奧氏體相區(qū)的變化和微觀組織的平衡起重要作用。

（4）在雙相組織的相區(qū)中，當Creq的值增大和Nieq值減少時，其鐵素體百分數(shù)或鐵素體數(shù)增加；反之則減少?？赏ㄟ^化學(xué)成分的設(shè)計和控制Creq和Nieq值在一定范圍內(nèi)變化，使雙相組織中的鐵素體百分數(shù)達到所需要的最佳值。

[1]John C.Lipold，Damian J.Kotecki.不銹鋼焊接治金學(xué)及焊接性[M].陳劍虹，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[2]R.W.R霍尼庫姆.鋼的顯微組織和性能[M].付俊，等譯.北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

[3]蔣成剛.氮強化奧氏體不銹鋼焊條的研究[J].船舶工程，1986（4）：6，55-59.

[4]蔣成剛.784MPa級奧氏體不銹鋼焊條的研究[J].焊接技術(shù)，1992（5）：11-15.

[5]GB/T983-2012《不銹鋼焊條》[S].

Influencing rule of austenitic stainless steel welds to organization

ZHANG Wanyun1，DENG Huosheng1，LONG Changmao1，XIAO Yong1，JIANG Chenggang2，WEN Tiesheng2
（1.Guangxi Electomechanical Institute of Vocation and Technology，Nanning 530007，China；2.Guilin Construction MachineryCo.，Ltd.，Guilin 541002，China）

The thesis introduces the 4 kinds of metallograph of Austenitic stainless steel weld metal decided by chromium nickel equivalent relationship，i.e.the characteristics and applications of Schaeffler，Delong，WRC-1988 and WRC-1992 organization graphs. Schaeffler organization graph is the most commonly used phase diagram，WRC-1988 and WRC-1992 are the most abstract graphs used to predict the FN of stainless steel weld of metal duplex stainless steels.At the same time introduces Cr，Ni and the main effect regular of the main constituent of C，N to the steel:Cr，Ni have a decisive effect on the organization，when the amount of alloy elements is about 50％～65％，Nr/Cr is about more than 0.8 and Creq(0.93 Nieq+6.7)，the weld is pure austenite;when the amount of alloy elements is about 35％～45％，Cr/N is more than 1.4 and Creq>(0.93 Nieq+6.7)，weld is dual phase microstructure;by controlling the content of Cr，Ni，C，N and other alloy elements and the change of Creq，Nieq in a certain scope，the ferrite content could reach the best;as the strong Austenite formation elements，C and N can improve the Nieq value greatly，impact on the organization clearly. All of the above points have practical significance and reference value on the study of austenitic stainless steel electrode，especially to the design of the chemical composition of welding wire.

austenitic stainless steel electrode；weld constituent；weld organization

TG422.1

A

1001-2303（2015）11-0136-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.29

2015-04-09

張婉云（1971—），女，廣西全州人，副教授，學(xué)士，主要從事機械基礎(chǔ)、金屬材料及熱處理等課程的教學(xué)及金屬材料方面的研究工作。