雙相不銹鋼用燒結(jié)焊劑的研制

和歡

（鄭州市國防科技學(xué)校，河南 鄭州 450041）

雙相不銹鋼用燒結(jié)焊劑的研制

和歡

（鄭州市國防科技學(xué)校，河南 鄭州 450041）

根據(jù)2205雙相不銹鋼的焊接特點(diǎn)，結(jié)合埋弧焊劑應(yīng)達(dá)到的性能要求，研制一種2205用燒結(jié)焊劑，與ER2209焊絲進(jìn)行配合，獲得優(yōu)良的機(jī)械性和耐蝕性。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，焊劑中添加適量的CrN,可以有效改善焊縫的力學(xué)性能和耐蝕性能。

雙相不銹鋼；燒結(jié)焊劑；力學(xué)性能；耐蝕性能

傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼抗局部腐蝕性能不好，尤其抗應(yīng)力腐蝕性能很差，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生裂紋甚至斷裂，;雙相不銹鋼采取特殊技術(shù)，使其具有一般不銹鋼難以比擬的抗腐蝕性能。雙相不銹鋼一般是指在其微觀組織中鐵素體相與奧氏體相大約各占50%，其中最少相的含量大于等于30%的鋼種。2205是使用最廣泛的雙相不銹鋼材料，2205最常見的應(yīng)用形式是管件，在有較強(qiáng)的均勻腐蝕和應(yīng)力腐蝕的情況下，板材應(yīng)用也很廣泛。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

（1）試驗(yàn)用焊接材料及設(shè)備。試驗(yàn)采用軋制的2205型雙相不銹鋼鋼板做為母材；試樣尺寸：300mm×150mm×20mm；埋弧焊機(jī)：山大奧太MZ-1000型；焊絲：ER2209，含Ni量比母材高出3～4%，直徑Φ3.2mm。利用新研制的焊劑與焊絲ER2209配合，。埋弧焊焊接工藝參數(shù)為：焊接電壓30V～32V，焊接電流500A～600A，焊速55cm/min，制備出焊接接頭待用。

（2）拉伸試驗(yàn)。按照TB4708-2000標(biāo)準(zhǔn)，制作拉棒，測定接頭的抗拉強(qiáng)度和延伸率。不同的焊接工藝取3～5個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，取其平均值作為接頭的抗拉強(qiáng)度，并測量接頭試樣拉伸后的延伸長度。力學(xué)性能在AG-1/250KN電子拉伸機(jī)進(jìn)行，可以獲得焊縫的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。

（3）焊接接頭耐蝕性測定。試樣的腐蝕條件：采用化學(xué)浸泡法，用三氯化鐵鹽酸水溶液測定焊接接頭的耐腐蝕性能，研究不同焊劑和焊接熱輸入量對接頭耐腐蝕性能影響，觀察試樣腐蝕形貌。

采用金屬失重法來衡量點(diǎn)蝕的腐蝕程度。所謂失重法就是根據(jù)腐蝕后試樣質(zhì)量的減小程度來判斷材料的耐蝕性能，可用下式來表征腐蝕速率：

式中：v為腐蝕速率，g/（m2·h）；M0為試樣腐蝕前的質(zhì)量，g；M1為試樣腐蝕后的質(zhì)量，g；s為試樣表面積，m2；t為腐蝕時(shí)間，h。

（4）微觀分析。從待測焊縫取10mm×8mm×5mm試樣，沿著焊縫截面進(jìn)行分別采用100#、200#、400#、800#砂紙打磨、拋光，然后采用腐蝕劑（10%鉻酸水溶液電解腐蝕，t=10～20，V=7.5V）腐蝕以后，在光學(xué)顯微鏡下觀察焊縫、熔合區(qū)和焊接熱影響區(qū)的微觀組織形態(tài)。采用掃描電鏡對拉伸試樣的斷口形貌進(jìn)行掃描觀察。為了得到精確相比例，采用網(wǎng)格交點(diǎn)計(jì)數(shù)法對2205焊接接頭進(jìn)行相含量測定。試樣選取500倍SEM圖測定相含量。

2 試樣結(jié)果與分析

2.1 燒結(jié)焊配方確定

在埋弧焊焊接中，影響焊劑工藝性能的因素主要有熔渣自身的性質(zhì)及線膨脹系數(shù)、熔點(diǎn)、表面張力、粘度等。確定焊劑堿度和渣系后，通過對焊劑物理性能和結(jié)晶狀況，參考焊劑堿度范圍及一些相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，擬定焊劑各組分成分范圍。綜合考慮，文章焊劑配方確定為：螢石24%、鎂砂26%、氧化鋁27%、硅灰石4%、冰晶石3%、鋯英砂8%、金紅石3%、脫氧劑3%、合金劑2%。

2.2 CrN含量對燒結(jié)焊劑的影響

CrN是雙相不銹鋼中重要的合金成分，是保證焊縫相組成關(guān)鍵，因此，添加適量的CrN在雙相不銹鋼焊劑中具有十分重要的意義。文章著重研究CrN對焊縫區(qū)氣孔、熔金機(jī)械性能及焊縫耐蝕性的影響，從而確定CrN在焊劑中的含量。

（1）CrN含量對焊縫氣孔的影響。研究表明：N元素能維持相平衡，增強(qiáng)了焊接接頭的抗蝕性，具有其他合金元素不可替代的作用。雙相不銹鋼焊接材料一般都會在配方中添加稍高于母材含量的N。研究表明：只需加入0.1%的N，就可以較大幅度提高焊接接頭的力學(xué)性能。以N元素對焊縫金屬的合金化程度估測，或?qū)⑵涑煞种蠳質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高10%左右，可獲得奧氏體體積分?jǐn)?shù)大于等于60%的雙相不銹鋼組織。眾所周知，Cr是不銹鋼的重要組成元素，對耐腐蝕性起著決定性作用，在2205雙相不銹鋼中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為21.5～23.5%。

CrN是一種便宜而且被廣泛使用的合金，氮化鉻中含鉻較高，在焊劑中加入CrN具有增N和補(bǔ)充Cr雙重作用，而且CrN的熔點(diǎn)只有700℃左右，相對于TiN、NbN、VN等氮化物，其熔點(diǎn)低，在電弧熱作用下能夠充分的完全熔化過渡到熔池中。可見，選擇CrN作為增氮合金，能夠滿足2205進(jìn)行氮合金化要求。在焊劑基礎(chǔ)配方內(nèi)添加不同含量氮化鉻，焊接電流300～340A，焊接電壓29～31V，焊接速度410cm/min。焊劑內(nèi)CrN由0～4%的坡口焊縫金屬，焊絲中CrN含量不大于1%時(shí)，焊縫的氣孔很少且變化不大；當(dāng)CrN含量大于2%時(shí)，出現(xiàn)了氮?dú)饪?，且隨著焊劑中CrN含量增加，氣孔率增大；當(dāng)CrN增加到4%時(shí)，呈現(xiàn)大量氣孔。但CrN含量低，則珠光體與鐵素體比例無法保證，因此CrN添加量選用2%為宜。

（2）CrN含量對焊縫金屬抗拉強(qiáng)度和延伸率影響。焊劑中氮化鉻含量對焊縫金屬拉伸強(qiáng)度和延伸率的影響：焊縫接頭的抗拉強(qiáng)度符合要求，隨著CrN含量的增加，焊縫抗拉強(qiáng)度降低并不明顯，焊縫延伸率卻有大幅度增加。這是因?yàn)榈獙W氏體具有強(qiáng)化作用。隨著焊劑中氮含量增加，接頭中氮元素含量增大，氮是一種強(qiáng)烈的奧氏體化元素，所以組織中鐵素體相含量下降，導(dǎo)致接頭抗拉強(qiáng)度降低，而接頭延伸率卻明顯增加。而從拉伸試樣斷裂位置看，除了4%CrN試樣外，其余試樣均在母材斷裂，即焊縫金屬抗拉強(qiáng)度均比母材高。焊劑中添加CrN可以有效提高焊縫力學(xué)性能，且隨著CrN含量，力學(xué)性能逐漸提高。但考慮成本因素及性價(jià)比，CrN添加量在2%左右為宜。

（3）CrN含量對焊縫耐點(diǎn)蝕性能的影響。通過腐蝕法測定得到：焊劑CrN含量逐漸增加，試樣腐蝕速率下降明顯。這是因?yàn)樵诤竸┲刑砑覥rN可以有效減小Cr和Ni的燒損，可以合金化［N］，保證鐵素體和奧氏體比例合適，當(dāng)CrN含量小于2%時(shí)，CrN的添加可以顯著改善焊縫金屬的耐蝕性；當(dāng)CrN含量大于2%時(shí)，CrN含量再增加，焊縫耐蝕性提高很少。這是因?yàn)樵诤竸┲刑砑覥rN到一定量時(shí)，過多的CrN對Cr、Ni及Mo等元素?zé)龘p貢獻(xiàn)有限，而［N］在焊縫金屬中具有一定飽和度，過多的［N］無法合金化進(jìn)入焊縫金屬中，因此當(dāng)CrN含量大于2%時(shí)，繼續(xù)添加CrN對焊縫金屬耐蝕性貢獻(xiàn)不大。

3 結(jié)語

根據(jù)2205 DSS埋弧焊特點(diǎn)，結(jié)合焊劑要求，將焊劑堿度控制在2.0左右；根據(jù)2205 DSS焊接中熔渣的物理性質(zhì)，將焊劑成分范圍調(diào)整為：MgO：20%～30%；CaO：5%～20%；CrN：1.0～3.0%；Al2O3：20%～30%；SiO2：15%～20；ZrO2：5%～10%；CrN對焊劑雙相不銹鋼［N］含量有一定影響,實(shí)驗(yàn)條件下CrN最佳添加量為2%左右；增加焊劑中的氮化鉻含量，可在一定程度上提高接頭組織中的奧氏體相含量，盡管獲得接頭的抗拉強(qiáng)度有所降低，但卻大幅度提高了接頭的延伸率。采用2%CrN焊劑進(jìn)行的焊接接頭焊縫金屬的奧氏體含量為47.4%，鐵素體含量為52.6%，達(dá)到了雙相不銹鋼相比例要求。隨著焊劑CrN含量增加，試樣點(diǎn)蝕速率明顯下降。當(dāng)CrN含量小于2%時(shí)，CrN的添加可以顯著改善焊縫金屬的耐蝕性；但當(dāng)CrN含量大于2%時(shí)，隨著CrN含量增加，耐蝕性提高不十分明顯。

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Development of Sintered Flux for Duplex Stainless Steel

HE Huan
（Zhengzhou National Defense Science and Technology School，Zhengzhou，Henan 450041，China）

Based on the welding characteristics of 2205 duplex stainless steel and the performance requirements of submerged arc welding,a 2205 sintered flux was used to cooperate with ER2209 wire to obtain excellent mechanical and corrosion resistance.It was found that the addition of CrN in the flux could improve the mechanical properties and corrosion resistance of the weld.

duplex stainless steel；sintered flux；mechanical properties；corrosion resistance

TG423

A

2095-980X（2017）02-0058-02

2017-02-07

和歡，主要研究方向：機(jī)械加工。