熱處理工藝對雙相鋼帶極埋弧堆焊層組織及性能的影響

高成龍 李憲爽

摘要：為研究熱處理時間對雙相不銹鋼堆焊層的影響規(guī)律，采用雙相不銹鋼焊帶EQ2209及匹配焊劑進(jìn)行埋弧堆焊試驗，對堆焊層試樣在665 ℃下進(jìn)行不同保溫時間的熱處理。通過對堆焊層進(jìn)行彎曲、硬度及沖擊等力學(xué)性能測試，加之堆焊層微觀組織觀察以及對沖擊斷口進(jìn)行分析，探討不同熱處理時間下σ相的分布情況及其對力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過665 ℃熱處理后，在鐵素體/奧氏體晶界附近析出σ相，導(dǎo)致堆焊層試樣彎曲不合格、硬度升高、沖擊吸收能量大幅下降，已不滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，同時隨著熱處理時間延長，σ相析出量逐漸增多。

關(guān)鍵詞：雙相不銹鋼; 堆焊; 熱處理; σ相; 微觀組織; 力學(xué)性能

中圖分類號：TG 455

Abstract：To study the effect of heat treatment time on the surfacing layer of duplex stainless steel， the submerged arc surfacing test was carried out with duplex stainless steel strip EQ2209 and matching flux. The samples of the surfacing layer were heat treated at 665 ℃ for different holding time. Through the mechanical properties of surfacing of bending， hardness and impact， as well as microstructure and impact fracture analysis， σ phase distribution and its effect on mechanical properties under different heat treatment time were discussed. The results showed that after 665 ℃ heat treatment， σ phase precipitated at nearby ferrite/austenite boundaries， and led to bending result unacceptable， the hardness increased and impact absorbing energy decreased greatly. At the same time， with the heat time increased， the amount of σ phase increased.

Key words：duplex stainless steel; surfacing; heat treatment; σ phase; microstructure; mechanical properties

0 前言

雙相不銹鋼在室溫下其顯微組織中鐵素體與奧氏體相大約各占一半且兼有兩相組織特征[1-2]。奧氏體相的存在，降低了高Cr鐵素體不銹鋼的脆性，提高了韌性和可焊性。鐵素體相的存在，提高了奧氏體不銹鋼的室溫強(qiáng)度[3]。雙相不銹鋼一方面保留了鐵素體不銹鋼耐點(diǎn)蝕、縫蝕及氯化物應(yīng)力腐蝕等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時也存在475 ℃脆化及σ相脆化等缺點(diǎn);另一方面又具備奧氏體不銹鋼韌性好、抗晶間腐蝕、力學(xué)性能及焊接性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，基于上述特性，使其廣泛應(yīng)用于造紙、核電、建筑、海水淡化及石油化工等行業(yè)[4-9]。

隨著國內(nèi)外石油化工、煤化工用壓力容器向著大型化、高效化的方向發(fā)展，雙相不銹鋼大面積帶極堆焊的需求日益增加[10]，因此對雙相鋼帶極堆焊的研究顯得尤為重要。由于雙相鋼在經(jīng)歷600～900 ℃加熱時會析出第二相[11-13]，因此選取665 ℃熱處理溫度作為研究對象，通過對EQ2209埋弧帶極堆焊層焊態(tài)及熱處理態(tài)試樣分別進(jìn)行力學(xué)性能試驗及微觀組織分析等試驗，總結(jié)出665 ℃熱處理對雙相鋼堆焊層組織及性能的影響規(guī)律。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗中使用的材料為15CrMoR，規(guī)格500 mm×300 mm×60 mm，其化學(xué)成分詳見表1。焊接材料使用焊帶EQ2209，規(guī)格60 mm×0.5 mm及與其匹配的埋弧焊劑，焊帶化學(xué)成分詳見表1。

1.2 焊接工藝

采用埋弧堆焊方式在15CrMoR上堆焊2209，首層堆焊前母材預(yù)熱150 ℃，焊道間的清理采用不銹鋼刷及專用不銹鋼砂輪打磨，焊劑堆高25～30 mm，壓道量6～8 mm，最大層道間溫度200 ℃，其余焊接工藝參數(shù)詳見表2。

對堆焊試樣進(jìn)行665 ℃熱處理，保溫時間分別為0.5 h，1.0 h，2.0 h。

1.3 試驗方法

研究2209堆焊層的力學(xué)性能及微觀組織。使用WE-60液壓萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行彎曲試驗，使用NI500金屬擺錘沖擊試驗機(jī)進(jìn)行堆焊層的沖擊試驗，使用AXIOVERT 200MAT金相顯微鏡對堆焊層的微觀組織進(jìn)行觀察。采用MP30E-S鐵素體檢測儀測量堆焊層鐵素體數(shù)，采用HVS維式硬度計進(jìn)行堆焊層的硬度試驗，采用Apollo300掃描電鏡觀察沖擊試樣斷口及堆焊層表面形貌。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 力學(xué)性能

根據(jù)NB/T 47014—2011《承壓設(shè)備焊接工藝評定》，對堆焊層進(jìn)行彎曲試驗，結(jié)果詳見表3。

由表3可看出，只有焊態(tài)下的試樣是完全合格的，未出現(xiàn)裂紋。經(jīng)過665 ℃熱處理后的彎曲試樣均在堆焊層出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。根據(jù)ASTM A923-14中方法B，對堆焊層進(jìn)行-40 ℃沖擊試驗，試樣尺寸為5 mm×10 mm×55 mm，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可看出，焊態(tài)試樣的平均沖擊吸收能量超過32.5 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求（AKV（-40 ℃）≥27 J），而經(jīng)過665 ℃熱處理后的試樣平均沖擊吸收能量均低于5.0 J，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)要求。

對焊態(tài)及熱處理態(tài)的試樣進(jìn)行硬度試驗。結(jié)果表明，焊態(tài)下堆焊層的硬度平均值最低（263.0 HV10），隨著熱處理保溫時間的延長，硬度值逐漸升高，保溫2 h后堆焊層硬度值最高（290.3 HV10），相比焊態(tài)下堆焊層的硬度，其增大約10%。

2.2 微觀組織

采用50%鹽酸酒精溶液分別對堆焊層試樣進(jìn)行腐蝕，對堆焊層進(jìn)行金相觀察，如圖2所示。

從圖2可看出：焊態(tài)試樣的組織為奧氏體+條狀鐵素體，熱處理態(tài)試樣在鐵素體/奧氏體邊界附近存在析出物。由圖2b～2d試樣的組織表明，析出物在鐵素體/奧氏體邊界析出，同時隨著熱處理時間延長，析出物數(shù)量增多。

為確定析出物的形貌及成分，采用掃描電鏡及EDS能譜分析分別對焊態(tài)及熱處理態(tài)（665 ℃/2 h）堆焊層金相試樣進(jìn)行分析，如圖3所示。

從圖3可看出，經(jīng)歷熱處理后的堆焊層在鐵素體/奧氏體晶界附近存在析出物，通過對鐵素體及析出物分別進(jìn)行能譜分析，得出析出物中富含Cr，Mo，Si等元素。由于晶界處的結(jié)構(gòu)缺陷較多，界面能高，有利于σ相的形核[14]，因此可推斷出該析出物為σ相。

2.3 斷口分析

采用掃描電鏡對沖擊試樣斷口進(jìn)行觀察分析，如圖4所示。

由圖4可看出，焊態(tài)下的沖擊試樣斷口含有大量的韌窩，是典型的韌性斷裂，如圖4a所示。經(jīng)過665 ℃熱處理后，試樣沖擊試樣斷口呈現(xiàn)準(zhǔn)解理平面，屬于脆性斷裂，如圖4b～4d所示。

綜上所述，經(jīng)歷665 ℃熱處理后，堆焊層沖擊試樣的斷裂類型由韌性斷裂向脆性斷裂轉(zhuǎn)變。

2.4 鐵素體數(shù)

根據(jù)GB/T1954—2008《鉻鎳奧氏體不銹鋼焊縫鐵素體含量的測量方法》，分別對堆焊層試樣進(jìn)行鐵素體數(shù)測量，結(jié)果詳見表4。

通過表4可看出，焊態(tài)下的堆焊層平均鐵素體數(shù)最高，具有最好的相比例。隨著熱處理時間的延長，堆焊層鐵素體數(shù)逐漸下降。

3 結(jié)論

（1）EQ2209堆焊層在經(jīng)歷665 ℃熱處理后，在鐵素體/奧氏體晶界附近會析出σ相。

（2）隨著665 ℃熱處理時間的增加，σ相的析出量增多。

（3）由于σ相的析出，導(dǎo)致EQ2209堆焊層的彎曲試樣不合格，沖擊韌性降低，同時堆焊層的硬度升高。

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