Q235鋼表面堆焊310不銹鋼的組織與性能

劉 陽,劉愛國,張興品,趙 靜

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院,沈陽 110159)

Q235鋼表面堆焊310不銹鋼的組織與性能

劉 陽,劉愛國,張興品,趙 靜

(沈陽理工大學 材料科學與工程學院,沈陽 110159)

采用MIG焊工藝,在Q235鋼試板表面堆焊ER-310 (H12Cr26Ni21Si) 不銹鋼。通過試驗得出,當焊接電流為208A,焊接電壓為19.2V,擺動寬度為12mm,擺動速度為26mm/s,焊接速度為5mm/s,搭接量為7mm時,獲得了成形美觀、致密無缺陷的不銹鋼堆焊層。對堆焊層的顯微組織、化學成分進行了分析,測試了堆焊層的顯微硬度及不銹鋼堆焊層的耐蝕性。結(jié)果表明,堆焊層組織為奧氏體樹枝晶和等軸晶;Ni、Cr、Fe是組成堆焊層的主要元素;堆焊層硬度高于基體;堆焊后材料表面的耐腐蝕性能明顯提高。

堆焊;不銹鋼;組織;性能

隨著石油、化工工業(yè)的迅速發(fā)展,許多設(shè)備以及其關(guān)鍵零部件通常在高溫、高壓和帶腐蝕性介質(zhì)的環(huán)境下服役[1]。例如,核電站反應堆壓力容器長期在高溫、高壓、強腐蝕、強輻射的環(huán)境下運行,其要求容器內(nèi)壁的腐蝕速率每月小于10mg/cm2[2];鍋爐水冷壁在實際使用中也極易產(chǎn)生沖蝕磨損和高溫腐蝕,使得管壁減薄甚至爆管,給鍋爐的安全運行帶來巨大的危險性。然而滿足這些性能的材料(如鎳基合金、不銹鋼等)價格相對普通鋼材要昂貴,因此在實際生產(chǎn)中常常采用碳鋼作為基體,在其表面堆焊一層滿足性能的合金以滿足強度、耐腐蝕等性能,以至于能降低生產(chǎn)成本[3-6]。正因為這種將具有一定使用性能的合金材料堆焊在材料表面,以賦予母材特殊使用性能的堆焊工藝方法,不僅能夠降低生產(chǎn)成本,還可以使零件同時具有母材和堆焊層合金的綜合性能,使得堆焊方法在壓力容器、船舶等領(lǐng)域起著舉足輕重的作用。

堆焊的目的是延長零件工作區(qū)的壽命以獲得最大的經(jīng)濟效益。所以經(jīng)濟的合理性是選擇堆焊方法和堆焊層合金的決定性因素。堆焊成本包括人工費用、堆焊材料的成本、設(shè)備和運輸費用[7]。因此本文選用焊接效率高、焊接設(shè)備成本低且簡單易操作、堆焊過程易于實現(xiàn)自動化的MIG焊方式;采用耐腐蝕性好、價格較便宜的ER-310(H12Cr26Ni21Si)奧氏體不銹鋼焊絲作為堆焊材料。劉奮成[8]等人研究了316L不銹鋼MIG堆焊快速成形工藝,探討了熱量的累積對堆積層的組織和力學性能的影響,從成形工藝的角度對該技術(shù)的應用提供了依據(jù)。劉鳴宇[9]等人從反應堆壓力容器大面積不銹鋼堆焊焊接工藝方面,分析表明帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊兩種工藝各有優(yōu)缺點,并指出隨著大面積堆焊技術(shù)的日漸成熟,因多層堆焊技術(shù)效率低、成本高,單層堆焊技術(shù)將會成為研究的一個重要方向。

ER-310(H12Cr26Ni21Si)屬于鉻鎳奧氏體鋼。鉻鎳奧氏體堆焊金屬具有良好的耐腐蝕性和抗高溫氧化性能,尤其當合金中含有較高的Si、C、B等合金元素時,還兼有良好的耐磨性,耐冷熱疲勞性能、耐氣蝕性能,以及抗中、高溫擦傷能力[7]。本文嘗試采用MIG焊方法,將H12Cr26Ni21Si合金堆焊在Q235鋼板表面,重點研究堆焊層的組織、化學成分、硬度、以及耐蝕性能。從組織及性能的角度,探索ER-310合金堆焊在Q235鋼表面以提高耐腐蝕性的可行性。

1 試驗材料與方法

試驗用基體板材為普通低碳結(jié)構(gòu)鋼Q235,其尺寸為200mm×100mm×4mm。試驗前用角磨砂輪和砂紙將基材表面的氧化皮、油污等雜質(zhì)打磨掉,使基體表面光滑并呈現(xiàn)出金屬光澤。焊絲采用江陰市萬榮金屬制品有限公司生產(chǎn)的ER-310(H12Cr26Ni21Si)奧氏體不銹鋼焊絲,直徑為1.2mm?；錛235與ER-310焊絲主要合金成分如表1和表2所示(焊絲化學成分中標準與測得值均為江陰市萬榮金屬制品有限公司質(zhì)量保證書提供)。

表1 Q235鋼板的化學成分 wt.%

表2 ER-310焊絲的化學成分 wt.%

堆焊方法采用自動MIG焊,焊接電流為208A,焊接電壓為19.2V,擺動寬度為12mm,擺動速度為26mm/s,焊接速度為5mm/s,搭接量為7mm。用此參數(shù)進行堆焊試驗,焊接過程穩(wěn)定,可以獲得無肉眼可見氣孔、裂紋等缺陷的多道連續(xù)的堆焊層。堆焊后的樣板如圖1所示。

用DK7740電火花數(shù)控線切割機在樣板上截取試樣。由于ER-310(H12Cr26Ni21Si)不銹鋼具有較高耐腐蝕性能,因此對試樣采用電解腐蝕的方法,腐蝕液為濃度為40%的稀釋HNO3,腐蝕時間為15s;基體組織的觀察采用4%硝酸酒精腐蝕。采用Axioverl 200光學顯微鏡觀察其組織。采用SSX-550掃描電鏡附帶的能譜儀分析堆焊層化學成分。采用FM-300型顯微硬度儀對堆焊層進行硬度測試,加載載荷98N,加載時間5s。采用型號為CHI660E的電化學工作站對堆焊層的耐腐蝕性能進行分析。

圖1 堆焊后的樣板表面及橫截面

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 堆焊層顯微組織

圖2為ER-310堆焊層與基體的組織形貌。由圖可見,堆焊層沒有氣孔、裂紋等缺陷;堆焊層搭接位置以及堆焊層與基體在熔合區(qū)處沒有產(chǎn)生分離及未熔合現(xiàn)象,堆焊層與基體結(jié)合良好。

圖2a為不銹鋼堆焊層近表面的組織形貌,由圖可知,堆焊層近表面處主要為等軸晶;圖2b為不銹鋼堆焊層中部及焊縫搭接位置的組織形貌,由圖可知,堆焊層中部為粗大的柱狀晶區(qū);圖2c為不銹鋼堆焊層與基體熔合區(qū)位置的組織形貌,由圖可知,該位置主要為柱狀晶區(qū)。這可能是由于堆焊成形是焊縫金屬多次熔敷的過程,同一區(qū)域會受到相鄰焊道以及相鄰熔敷層的影響,會經(jīng)歷多次熱循環(huán)的作用[10]。并且在堆焊過程中,基體表面局部熔化形成的熔池主要通過結(jié)合面處的基體散熱,基體作為冷卻源,此處溫度梯度極大會優(yōu)先結(jié)晶,而熔覆層頂部散熱主要通過大氣散熱,固液界面溫度梯度較小所致。結(jié)合不銹鋼焊縫金屬的結(jié)晶類型可知,堆焊層中白色為奧氏體,黑色為鐵素體(結(jié)合圖2,堆焊層中主要為奧氏體和少量的鐵素體)。其熔合區(qū)結(jié)晶組織類型為F-A型(鐵素體-奧氏體結(jié)晶),結(jié)晶初期先形成鐵素體,伴隨結(jié)晶過程的進行,由于鎳等奧氏體形成元素的偏析濃化,而生成包-共晶反應,生成奧氏體。結(jié)晶后期奧氏體向鐵素體側(cè)長大,使初晶鐵素體逐漸縮小,最終處于晶粒中心蠕蟲狀或骨骼狀[11]。由圖2d可知Q235基體的組織為鐵素體和珠光體。

圖2 堆焊層與基體的顯微組織

2.2 堆焊層化學成分及相組成分析

圖3為堆焊層成分分析位置及結(jié)果。為了對堆焊層中化學成分的分布特征進行分析,從堆焊層頂部向著基體的方向選取堆焊層頂部、堆焊層中部和近熔合區(qū)三個位置,其對應位置示意圖如圖3a所示,分別對應于圖中的1、2和3三個不同位置,采用掃描電鏡附帶的能譜儀對堆焊層的化學成分進行測量,結(jié)果如圖3b所示。通過測試不同區(qū)域的成分,得知整個堆焊層中主要元素為Fe、Cr、Ni,其中Fe元素的含量在55%～62%、Cr元素的含量在18%～24%、Ni元素含量在16%～19%。通過圖3b可以看出,在堆焊層中間位置處的成份與焊絲中的成份含量較為接近,堆焊層頂部及靠近熔合區(qū)的位置Fe元素含量增加,Cr、Ni等元素含量下降。此外,由于Q235基體與不銹鋼焊接材料的化學成分相差懸殊,在靠近Q235基體一側(cè)熔池邊緣,熔化的基體母材金屬和填充金屬不能充分混合,且其相對于堆焊層中部的熔池中心其填充金屬的稀釋率影響較大[11],最終導致堆焊層從熔合區(qū)到堆焊層頂部出現(xiàn)Fe元素先降低后增加,Cr、Ni等元素出現(xiàn)先增加再降低的現(xiàn)象。

圖3 成份分析位置及結(jié)果

在對堆焊層的化學成分進行測量時發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)附近的堆焊層中有部分塊狀母材金屬熔入,如圖3c所示,得到的Fe、Cr、Ni三種元素的含量如圖3d所示。從Fe元素含量可以判斷出,該部分主要來自Q235鋼板基體。通過對堆焊層不同位置的化學成分進行測量分析表明,堆焊層的近表面層和熔合區(qū)附近有少量的Fe熔入。Fe的熔入會導致焊縫金屬發(fā)生稀釋,從而使堆焊層的耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能有所降低[5]。

從堆焊層向Q235基體方向?qū)e、Cr、Ni三種元素進行線掃描,如圖3e所示,各元素掃描結(jié)果如圖3f所示。由圖3f可知,堆焊層中的這些元素在堆焊層與基體熔合區(qū)上發(fā)生了突變。其中Ni、Cr兩種元素在界面處快速下降,在基體中的含量為零;由于Fe是Q235基體中主要元素,在堆焊層到基體的熔合界面處顯著增加。

圖4為舍夫勒組織圖,根據(jù)表1和表2中Q235鋼板基體與ER-310(H12Cr26Ni21Si)焊絲的化學成分計算得到Q235的鉻當量為Creq≤0.45%,鎳當量為3.75%≤Nieq≤6.35%;ER-310的鉻當量Creq=26.23%,鎳當量Nieq=23.73%。在舍夫勒組織圖圖上找到對應的區(qū)域a、b,用直線連接ab得到一個三角形區(qū)域。根據(jù)圖3中對堆焊層化學成分的測量結(jié)果,其Cr元素的含量在18%～24%、Ni元素含量在16%～19%,根據(jù)鉻當量Creq和鎳當量Nieq計算公式可得到,堆焊層滿足鉻當量取值范圍有:18%

圖4 舍夫勒組織圖

2.3 堆焊層顯微硬度

從堆焊層頂部向著基體的方向,每隔0.2mm取1組測試點進行顯微硬度測試,每1組測試3個點取平均值,其硬度分布如圖5所示,圖中虛線表示熔合線所在位置。可以看出堆焊層的硬度在190～225HV之間。母材的硬度值約為155～180HV,其平均值比堆焊層硬度小40HV,并且可以看出靠近熔合線處的母材硬度比遠離熔合線處的母材硬度略高,這可能是因為靠近熔合線的母材受堆焊過程中熱影響較大,而遠離熔合線的母材距離熱源較遠,受熱影響相對較小。

圖5 焊層硬度分布曲線

2.4 堆焊層耐腐蝕性

將不銹鋼堆焊層上表面用砂紙打磨成平面,通過測定不銹鋼堆焊層的上表面和基體Q235表面的Tafel極化曲線來比較耐蝕性,結(jié)果如圖6所示。

圖6 MIG堆焊層與Q235基體的Tafel極化曲線

極化曲線測試結(jié)果表明,MIG不銹鋼堆焊層在3.5%NaCl溶液中表現(xiàn)出一定的鈍性。 MIG堆焊的不銹鋼堆焊層的腐蝕電位比Q235鋼板基體要高,腐蝕電位越高,則材料表面的抗腐蝕能力也越強;另外,MIG堆焊的不銹鋼堆焊層的腐蝕電流(1.440μA·cm-2)比Q235鋼板基體的(8.997μA·cm-2)要小得多,而腐蝕電流越小,表明材料表面的抗腐蝕能力也越強。通過極化曲線的測試結(jié)果可以看出MIG堆焊層的耐腐蝕性能比Q235基體明顯提高。采用MIG焊方法,在Q235鋼板上堆焊不銹鋼層,雖然其堆焊層的近表面和熔合區(qū)附近有少量的Fe混入堆焊層,但由于Fe的混入并沒有使得堆焊層耐腐蝕性能明顯降低。因此,通過MIG堆焊ER-310奧氏體不銹鋼的方式的方法可以有效提高耐蝕性能。

3 結(jié)論

(1)在Q235鋼表面上使用MIG堆焊技術(shù),當焊接參數(shù)為:焊接電流208A,焊接電壓19.2V,擺動寬度12mm,擺動速度26mm/s,焊接速度為5mm/s,搭接量為7mm時,獲得了成形美觀、無宏觀缺陷的奧氏體不銹鋼合金堆焊層。

(2)堆焊層與堆焊層搭接位置以及堆焊層與基體結(jié)合界面處均無氣孔、熔合不良、裂紋等焊接缺陷,堆焊層組織為奧氏體樹枝晶和奧氏體等軸晶。堆焊層主要化學成分為Ni、Cr、Fe。

(3)通過MIG堆焊ER-310奧氏體不銹鋼的方式,可以有效提高材料表面的硬度以及耐腐蝕性能。

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(責任編輯：王子君)

MicrostructureandPropertiesofSurfacing310StainlessSteelonQ235Steel

LIU Yang,LIU Aiguo,ZHANG Xingpin,ZHAO Jing

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

ER-310 (H12Cr26Ni21Si) stainless steel is deposited on the surface of Q235 steel test plate,using the MIG welding process.In the experiments,when the welding current is 208A,the welding voltage is 19.2V,the swing width is 12mm,the swing speed is 26mm/s,the welding speed is 5mm/s and the amount of overlap is 7mm and well-shaped,dense and defect-free stainless steel surfacing layer can be obtained.The microstructure and chemical composition of the surfacing layer were analyzed and the microhardness of the surfacing layer and the corrosion resistance of the stainless steel surfacing layer were tested.The results show that the microstructure of the surfacing layer is austenitic dendrite and equinoxes crystal.Ni,Cr and Fe are the main elements of the surfacing layer.The hardness of the surfacing layer is higher than that of the matrix.The corrosion resistance of the surface of material is obviously increased after surfacing on the matrix.

surfacing;stainless steel;microstructure;properties

TG455

A

2016-10-18

劉陽(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：劉愛國(1969—)，男，教授，博士，研究方向：表面強化與焊接工藝。

1003-1251(2017)05-0067-06