王承印*,陳玉林,楊子潤
(1.鹽城工學院 材料科學與工程學院,江蘇 鹽城 224051;2.江蘇大周不銹鋼管有限公司,江蘇 鹽城 224007;3.鹽城工學院,江蘇 鹽城 224051)
鐵素體不銹鋼中主要的組分就是鐵素體組織,它的強度一般比其他不銹鋼高,而它的冷加工硬化效果并不理想[1]。其韌性在低溫或者室溫情況下很差,在這種情況下它們的缺口也存在非常高的敏感度[2,3]。尤其是當存在晶間腐蝕,這種敏感度就會變得更高,脆性會變得很大。
本文就高頻焊對429不銹鋼的影響進行探討。高頻焊原理是:依靠較高的電流頻率作用下發(fā)生的集膚效應,使焊件的外表面充滿電能,然后再依靠此類電流頻率下的臨近效應,使得電流流經的線路能夠被掌握,位置和范圍都能被準確的掌握[4,5]。高頻焊其實就是依靠焊接件構成的方式,在集膚效應和鄰近效應共同作用下,讓焊接件焊接處溫度迅速上升來完成焊接[6]。
金屬材料在一定的性質變化與能量傳遞條件下,在晶界上產生的一種電化學腐蝕破壞,這種破壞即為晶間腐蝕。從電化學本身來說,在腐蝕電位下,合金的晶粒本身和晶界區(qū)兩者會有溶解差,這就是晶間腐蝕的產生原因[6]。鐵素體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕,首先會在不銹鋼表面產生局部的破壞,然后從表面向晶界破壞,再破壞到晶界以內,最后整個晶界完全被破壞[7]。雖然在表面上看不出這種晶間腐蝕,但其實晶粒與晶粒之間的粒子相互作用力已經消失了。晶間腐蝕測試方法主要分為兩大類,一種叫做化學浸蝕法,即利用浸蝕表現(xiàn)金屬組織。另一種為電化學實驗方法,即通過保護電極的方式測試[8]。本實驗采用的硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法就是屬于電化學實驗方法。
鐵素體不銹鋼晶間腐蝕主要從焊接性、耐晶間腐蝕性和韌性等性能方面入手進行探索。劉繼明等研究了鈮對不銹鋼晶間腐蝕性能的影響。腐蝕試驗表明,合金元素有一個穩(wěn)定比率(Ti+Nb)/(C+N)=9的條件下不銹鋼表現(xiàn)出優(yōu)良的抗晶間腐蝕性能[9]。Baumel根據貧鉻理論對鐵素體不銹鋼晶間腐蝕進行過研究,發(fā)現(xiàn)析出的含鉻碳化物數(shù)量大小會對腐蝕程度大小造成影響,證實了貧鉻理論。
本文通過對429鐵素體不銹鋼進行高頻焊接處理,對其焊后母材,熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域成分組織進行檢測并進行金相分析,判斷焊接組織是否存在晶粒粗大和是否存在析出物。并研究高頻焊焊接方法對鐵素體晶間腐蝕行為具有哪些影響。
實驗原材料選用山西某不銹鋼廠出產的429鐵素體不銹鋼冷軋鋼帶,厚度為1.9mm。其成分和力學性能見表1,表2。
表1 實驗所用不銹鋼成分表(wt.%)
表2 實驗所用不銹鋼力學性能表
采用高頻焊工藝,高頻焊選擇使用的電流頻率范圍為300KHz~450KHz,在焊接管焊接面處施加高頻電流使焊接處溫度上升至1350℃后,利用擠壓輥來擠壓焊件實現(xiàn)高頻焊接。
將429鐵素體不銹鋼的母材,高頻焊樣品的母材、熱影響區(qū)與焊縫區(qū)利用電火花線切割機分別進行切割處理。其中429鐵素體不銹鋼母材切割大小約為10mm×10mm,其余樣品大小為7mm×7mm。將樣品放入金相鑲嵌機中進行鑲嵌,再經砂紙打磨后,將試樣進行拋光。然后選用10mlHCl-5mlHNO3-100mlH2O的腐蝕劑對試樣腐蝕后進行金相觀察,并且采集圖像進行組織分析。
使用型號為HBE-3000A的電子布氏硬度計對高頻焊焊縫樣品進行硬度測試,載荷125kg,保壓10s~15s。對距焊縫中心不同位置進行測試。
本實驗采用的是GBT4334.5-2000不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法,將試樣和銅粒加入硫酸-硫酸銅溶液,在微沸狀態(tài)下持續(xù)16h后,取出試樣清洗,并將試樣進行干燥處理。將腐蝕過后干燥的試樣壓平到180°。對彎曲后的試樣,在體視顯微鏡下觀察,放大倍率為10×。
圖1 實驗材料金相組織圖
從圖1(a)中可以看出,原材料中存在鐵素體組織和碳化物。通過查閱晶粒度評級圖,可以得到原材料的晶粒度級別為2級。
從圖1(b)中可以看出,高頻焊熱影響區(qū)存在鐵素體組織,奧氏體組織和碳化物相,其晶粒度級別為1級。奧氏體組織是鐵素體組織經過高溫奧氏體化轉變而成的。由于熱影響區(qū)靠近熔合線,而且從圖中也可以看出有明顯的晶粒粗大現(xiàn)象。產生這種晶粒粗大現(xiàn)象的原因以焊接時的熱循環(huán)為主。
從圖1(c)中可以看出,高頻焊焊縫存在鐵素體組織和碳化物相,還含有奧氏體組織,其晶粒度級別為3級。說明鐵素體組織經過高頻焊焊接而達到共析溫度發(fā)生了奧氏體化。
本實驗中采用的高頻焊接,在實驗過程中發(fā)現(xiàn)高頻焊接接頭會發(fā)生壓斷斷裂。說明高頻焊接的焊后成型性不好,會產生裂紋,抗裂紋敏感性不強。而又根據金相組織圖分析可知,鐵素體不銹鋼高溫焊接會使鐵素體組織發(fā)生奧氏體化形成奧氏體組織,并且焊接后都會有碳化物顆粒析出。
根據該鐵素體不銹鋼成分表知道該不銹鋼含鉻量很高,熱影響區(qū)晶粒粗大也因此比較明顯嚴重。這種粗晶組織的存在,導致了該不銹鋼焊接接頭的脆化。而由于這種接頭脆化的存在,又會使得焊接接頭對腐蝕破壞極為敏感,間接加強晶間腐蝕的趨勢。
圖2 高頻焊硬度折線圖
從圖2可以看出,焊縫中心的硬度最高,距焊縫中心距離從大到小呈先下降再上升的趨勢。由此可知焊接過程中會出現(xiàn)晶粒粗大,所以晶粒粗大的區(qū)域硬度會降低。另一方面由于奧氏體化的發(fā)生,也會引起硬度降低。而由于焊縫處鐵素體組織細小分散從而起到強化作用,所以焊縫位置的硬度最高。
圖3 晶間腐蝕后形貌圖
由圖3(b)可知,原材在晶間腐蝕后表面腐蝕深度參差不齊,腐蝕程度較深。與圖3(a)進行對比發(fā)現(xiàn)高頻焊焊縫在晶間腐蝕后表面很平整,腐蝕深度較小且過渡也比較平緩。
根據圖3可以明顯看出,未經焊接的429鐵素體不銹鋼腐蝕程度較大,而高頻焊接后的焊接區(qū)域中,母材和熱影響區(qū)腐蝕程度也較大,但焊縫區(qū)域的腐蝕程度很小。即焊接接頭的耐晶間腐蝕能力比原材強。
貧鉻機理提出發(fā)生晶間腐蝕很主要的原因是鉻元素的擴散,而C會沿著晶粒的邊界進行擴散且速度比Cr要快,這樣晶界和附近的區(qū)域就會有一些包含Cr的碳化物析出。結合本實驗的晶間腐蝕后形貌圖中可以看出經由晶間腐蝕之后,腐蝕表面呈現(xiàn)出凹凸不平,還帶有因巨大的腐蝕程度差異而產生的分層剝離的現(xiàn)象。這些都是歸因于碳化物析出沉淀貧鉻,這種含鉻析出物讓Cr從母相中分離出去,使得晶界產生貧鉻區(qū)。證明了C的含量會嚴重危害鐵素體不銹鋼,使其晶間腐蝕的程度增大。同樣地,Cr的含量越高,鐵素體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能也就越強。
由本實驗采用的429鐵素體不銹鋼成分表可知,材料含鉻量為15%左右,含鉻量較高,因此該不銹鋼晶間腐蝕后焊縫區(qū)的晶間腐蝕程度不大,腐蝕表面也較為平整,符合本實驗晶間腐蝕的形貌圖。通過對焊接后熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的金相組織圖分析,發(fā)現(xiàn)沒有因晶間腐蝕而產生的溝槽,證明該不銹鋼焊接接頭的耐晶間腐蝕性能好。根據成分表可知429鐵素體不銹鋼中含有一定量的穩(wěn)定性元素Nb,這種元素高溫不溶解,會形成穩(wěn)定的碳化物,使得貧鉻區(qū)減少,因此也會加強該不銹鋼的抗晶間腐蝕性能。也表明焊縫區(qū)的晶粒細小和均勻,從而在表面形成了致密的鈍化膜,對焊縫起到了保護作用,提高了該鐵素體不銹鋼的穩(wěn)定性。
(1)429鐵素體不銹鋼焊接熱影響區(qū)在焊接過程中會出現(xiàn)晶粒粗大的情況,引起脆化現(xiàn)象。其焊接可以提高焊接接頭的穩(wěn)定性,提高耐晶間腐蝕性能。
(2)429鐵素體不銹鋼焊接后由于析出碳化物所以會存在晶間腐蝕的傾向。其晶間腐蝕符合貧鉻理論的觀點,C含量會對鐵素體不銹鋼晶間腐蝕造成嚴重影響。