焊前熱處理對440C 不銹鋼電子束焊接接頭組織與性能的影響

代一博，房衛(wèi)萍，彭翰林，胡永俊，易耀勇，易朋

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州， 510006；2.廣東省科學(xué)院中烏焊接研究所，廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點實驗室，廣州， 510650)

0 序言

440C 不銹鋼是一種高碳高鉻型馬氏體不銹鋼，含有Cr，Mo，Ni 等多種合金元素，在馬氏體不銹鋼中具有較高的機械強度，廣泛的應(yīng)用于船舶、建筑、電力等諸多工業(yè)領(lǐng)域[1-5].然而，440C 不銹鋼的供貨狀態(tài)通常為退火狀態(tài)，在實際應(yīng)用中需要先通過調(diào)質(zhì)熱處理硬化，然后再焊接形成結(jié)構(gòu)件，以滿足使用性能要求[6-8]，因此，要求焊接后接頭不再進(jìn)行大量機加工，仍然能滿足裝配要求.電子束焊接作為一種高能束焊接方法，具有能量密度高、焊接變形小、可控精度高等優(yōu)勢，在精密構(gòu)件焊接中獲得廣泛應(yīng)用[9-11].

鑒于440C 不銹鋼含有較高的碳元素與合金元素，碳化物是其中重要的第二相.碳化物的種類、數(shù)量、尺寸、形態(tài)和分布對鋼的性能有重要影響[12].焊前調(diào)質(zhì)熱處理的方式可以改變碳化物的溶解和沉淀，達(dá)到固溶強化和沉淀強化的效果[13-16]，同時，碳化物中的合金元素分布也影響熱處理過程中馬氏體轉(zhuǎn)變溫度[17]，因此調(diào)質(zhì)態(tài)的440C 母材與退火態(tài)母材具有截然不同的組織和性能，其焊接性如何變化，尚未見到相關(guān)報道.通過對退火和調(diào)質(zhì)2 種焊前熱處理狀態(tài)的440C 不銹鋼進(jìn)行電子束焊接，揭示2 種熱處理狀態(tài)下，母材、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的組織特征，并且進(jìn)一步分析不同熱處理工藝的母材對于焊接接頭硬度、抗拉強度的影響，為440C 不銹鋼電子束焊接加工提供參考.

1 試驗方法

試驗材料采用尺寸為150 mm × 100 mm × 5 mm的440C 不銹鋼板材，化學(xué)成分組成如表1 所示.對440C 不銹鋼板材進(jìn)行不同的焊前熱處理，其中退火工藝(板材供貨時的狀態(tài)) 為899 ℃下保溫1 h，爐冷至593 ℃，隨后空冷；調(diào)質(zhì)熱處理工藝為退火后的板材加熱到1 020 ℃保溫1.3 h，深冷處理2 h，隨后進(jìn)行590 ℃的高溫回火處理.板材經(jīng)消磁處理后采用360 目SiC 砂紙研磨并用酒精清理表面污染物，然后采用真空電子束焊機對板材進(jìn)行對接焊接.焊接工藝參數(shù)為：加速電壓150 kV，電子束流17 mA，焊接速度850 mm/min，采用表面聚焦，同時添加三角波掃描焊接以較少咬邊.在焊接過程中，沒有填充金屬或預(yù)熱處理.

表1 440C 不銹鋼化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of 440C stainless steel

用于微觀組織觀察的試樣使用SiC 砂紙研磨和金剛石膏拋光后使用王水(濃鹽酸與濃硝酸體積比3∶1) 進(jìn)行腐蝕.通過蔡司Axio Imager M2m 光學(xué)顯微鏡和Quanta 250 鎢燈絲掃描電子顯微鏡(SEM)和附帶能譜分析(EDS) 觀察母材、熱影響區(qū)(HAZ)、熔合線(FL)和焊縫(FZ)區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)與成分變化.使用透射電子顯微鏡(TEM,Tecnai G2 F20 S-TWIN 200kv)觀察其熱影響區(qū)微觀結(jié)構(gòu).采用FISCHIONE 雙射流電解拋光裝置，在室溫下以35 mA 電流，用10%高氯酸在冰醋酸中組成的溶液制備TEM 箔片.用Image-Pro-plus6.0 分析了碳化物的特征.顯微硬度測試在美國威爾遜Wilson公司BUEHLER VH1202 維氏顯微硬度上進(jìn)行，負(fù)載500 g，持續(xù)10 s.根據(jù)GB/T 228.1—2010《焊接接頭拉伸測試方法》標(biāo)準(zhǔn)，在室溫下使用GPTS2000 M/300 KN 試驗機測試了接頭的拉伸性能，拉伸試樣的尺寸如圖1 所示.

圖1 拉伸試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile test specimens

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理對母材和焊縫金屬組織的影響

圖2a 和圖2b 分別為退火熱處理及調(diào)質(zhì)熱處理后母材的掃描電鏡圖片，從圖中可以看出兩種熱處理狀態(tài)的基體上均勻分布著兩種類型的碳化物，即粗大不規(guī)則形狀的一次碳化物，及細(xì)小的球狀碳化物(也被稱為二次碳化物).根據(jù)Jalaja 等的研究可知，440C 不銹鋼在淬火和回火條件下存在的一次和二次碳化物，分別為正交結(jié)構(gòu)的M7C3碳化物和面心立方結(jié)構(gòu)的M23C6碳化物[18].Puli 等人[19]在對440C 馬氏體不銹鋼表面涂層組織與性能的研究過程中，檢測得出退火狀態(tài)下基體為鐵素體，經(jīng)1 050℃奧氏體化，油淬后又經(jīng)200℃回火，空冷至室溫，基體由回火馬氏體和殘留奧氏體組成.對不同熱處理試樣碳化物的統(tǒng)計與擬合結(jié)果如圖2c 所示，定量分析結(jié)果如表2 所示，退火母材中碳化物的尺寸主要分布在0.8～1.0 μm，分布頻率約為27%，平均尺寸為（0.86 ± 0.03）μm；調(diào)質(zhì)母材碳化物的顆粒尺寸主要分布在0.8～1.0 μm，分布頻率約為31%，平均尺寸為（0.94 ± 0.02）μm.在退火母材中，碳化物體積分?jǐn)?shù)約為27%；而調(diào)質(zhì)態(tài)母材中碳化物體積分?jǐn)?shù)約為20%.

表2 母材中碳化物顆粒定量分析Table 2 Quantitative analysis of carbide particles in base materials

圖2 不同熱處理狀態(tài)下母材的SEM 圖片F(xiàn)ig.2 SEM pictures of base metal under different heat treatment conditions (a) Annealing heat treatments;(b) Quenching and tempering heat treatments;(c) Distribution of carbide particles in different heat treated base metal samples

上述結(jié)果表明退火母材經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，碳化物顆粒部分固溶在馬氏體基體中，同時，未溶解的碳化物顆粒由于熱激活作用有所長大.440C 鋼的力學(xué)性能取決于基體強度與碳化物沉淀強化共同作用：基體強度則取決于過飽和固溶的C 含量；碳化物沉淀強化效果與其體積分?jǐn)?shù)成正比，與平均尺寸成反比.退火態(tài)母材在淬火熱處理過程中，碳化物顆粒逐漸發(fā)生溶解，使基體中碳含量增加，達(dá)到固溶強化的效果，而未溶解的碳化物顆粒阻礙了奧氏體晶粒的生長[20].在440C 回火過程中，過飽和固溶在馬氏體基體中的碳化物析出并長大[21].

圖3 顯示了一個典型的真空電子束焊接接頭在顯微鏡下焊縫形貌的圖片，焊縫成形良好，形成典型鐘罩形電子束焊縫形狀，焊縫表面較為平整，焊縫熔融金屬在重力作用下自然下沉，焊縫背部形成一定的余高，3 條白線為硬度測試位置.無論焊前狀態(tài)如何，焊縫區(qū)域的金屬都會經(jīng)歷熔化和凝固的過程，因此焊縫金屬的金相組織與焊前狀態(tài)無關(guān).圖4 為碳含量為1% 的Fe-C-Cr 三元合金相圖，焊接過程中，焊縫區(qū)域金屬經(jīng)歷快速加熱而熔化，在隨后的冷卻過程中，由于存在較大的過冷度，焊縫區(qū)域金屬快速冷卻，轉(zhuǎn)化形成馬氏體組織.在含碳量為1% 的440C 不銹鋼中，固溶在基體中的Cr、Mo、Mn 元素均使馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms和馬氏體終止轉(zhuǎn)變溫度Mf降低，并且使Mf低于室溫，導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變并不能完全進(jìn)行，部分未能發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體將保留下來，形成殘留奧氏體[22].如圖5所示，焊縫區(qū)域分布著長條狀的一次枝晶和二次枝晶，最終在焊縫區(qū)域形成馬氏體和殘余奧氏體組織[23].在含碳量為0.1%～0.6%的鋼中，馬氏體是呈板條狀，高于0.6% 的鋼中，馬氏體則呈現(xiàn)針狀(見圖5).而碳化物顆粒熔解后，在快速冷卻的條件下來不及析出，過飽和的固溶在了馬氏體和殘留奧氏體中.

圖3 電子束焊縫的截面形貌Fig.3 Cross-section morphology of electron beam weld

圖4 碳含量為1%的Fe-C-Cr 三元合金相圖Fig.4 Phase diagram of Fe-C-Cr ternary alloy with 1%carbon content

圖5 不同熱處理條件下焊縫區(qū)域的SEM 照片F(xiàn)ig.5 SEM pictures of weld area under different heat treatment conditions.(a) annealed state weld;(b) quenched and tempered state weld

2.2 熱處理對熱影響區(qū)組織的影響

在焊接熱循環(huán)作用下，焊縫兩側(cè)母材中碳化物顆粒和基體組織發(fā)生變化，形成焊接熱影響區(qū).不同焊前熱處理條件下樣品熱影響區(qū)組織SEM 圖片如圖6a 與圖6b 所示.對焊接熱影響區(qū)碳化物顆粒的統(tǒng)計與擬合結(jié)果如圖6c 所示，定量分析結(jié)果如表3 所示，退火態(tài)焊接HAZ 中碳化物尺寸主要分布在0.8～1.0 μm，分布頻率約為20%，平均尺寸為1.07 ± 0.06 μm；調(diào)質(zhì)焊縫HAZ 碳化物顆粒尺寸主要分布在0.7～0.9 μm，分布頻率約為29%，平均尺寸為0.92 ± 0.04 μm.這表明，熔合線附近的熱影響區(qū)中，焊接熱影響區(qū)碳化物顆粒在焊接熱循環(huán)的作用下發(fā)生溶解并長大，基體中的Cr，Mo，Mn 等合金元素也隨著碳化物顆粒的析出而減少.由Capdevila 等人[24]研究合金元素對鋼的馬氏體起始溫度的影響可知，合金元素的含量對于馬氏體起始轉(zhuǎn)變溫度Ms有著重要的影響，在基體中Cr，Mo，Mn 元素析出時，會提高馬氏體起始轉(zhuǎn)變溫度Ms，促使奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致焊接熱影響區(qū)中的殘留奧氏體在焊接熱循環(huán)作用下進(jìn)一步轉(zhuǎn)變成為馬氏體.

圖6 不同熱處理狀態(tài)下HAZ 的SEM 圖片F(xiàn)ig.6 SEM pictures of metallographic structure in different heat treatment states.(a) microstructure of HAZ in base metal annealed;(b) microstructure of HAZ in base metal quenched and tempered;(c) distribution of carbide particles in HAZ with different heat treatment states

表3 HAZ 中碳化物顆粒定量分析Table 3 Quantitative analysis of carbide particles in HAZ

圖7 為調(diào)質(zhì)態(tài)焊縫HAZ 的TEM圖，并對該區(qū)域進(jìn)行選區(qū)電子衍射分析，結(jié)果如圖8 所示.由明場和暗場下的TEM 圖和基體的多晶環(huán)衍射結(jié)果(圖8c)可以得出基體為馬氏體和殘余奧氏體的混合組織.圖8b 為對碳化物顆粒的電子衍射結(jié)果，并對碳化物顆粒進(jìn)行線掃描，如圖9 所示，由圖可知，碳化物顆粒的化學(xué)成分為Cr49.2Mn7.22Fe33.8Mo0.714C9.13(原子分?jǐn)?shù)，%)，因此也可說明為M23C6型碳化物.

圖7 母材調(diào)質(zhì)態(tài)HAZ 的TEM 圖像Fig.7 TEM image of base metal quenched and tempered HAZ.(a) bright field image;(b) dark field image

圖8 母材調(diào)質(zhì)態(tài)HAZ 的TEM 圖像和衍射圖像Fig.8 TEM and diffraction images of base metal quenched and tempered HAZ

圖9 母材調(diào)質(zhì)態(tài)HAZ 碳化物顆粒線掃描能譜Fig.9 Line scan energy spectrum of HAZ carbide particles in quenched and tempered base metal

兩種不同焊前熱處理條件下試樣的硬度分布曲線如圖10 所示，圖10a、10b、10c 分別代表焊縫上、中、下3 個位置的硬度分布，圖10d 表示硬度分布的平均值.3 個位置上硬度分布整體上呈“M”型分布，焊接熱影響區(qū)的硬度最高.在退火態(tài)焊接接頭上，焊接熱影響區(qū)硬度為(455 ± 67) HV，最高可達(dá)588 HV；在調(diào)質(zhì)態(tài)焊接接頭上，焊接熱影響區(qū)熔合線附近的硬度為(616 ± 86) HV，最高可達(dá)780 HV，比退火態(tài)下提高了35%.2 種熱處理狀態(tài)下，在熱影響區(qū)隨著離熔合線距離的增加，都呈現(xiàn)出硬度逐漸減小現(xiàn)象，這是由于在靠近熔合線的地方，在焊接熱循環(huán)的作用下碳化物發(fā)生了明顯的溶解和長大.如圖10d 所示，兩種熱處理狀態(tài)下的焊縫區(qū)域硬度和調(diào)質(zhì)母材硬度相當(dāng)，這是由于焊縫區(qū)域組織和調(diào)質(zhì)態(tài)下的母材均由馬氏體和殘留奧氏體組成.退火態(tài)母材的硬度最低，平均為(241 ± 15) HV，經(jīng)調(diào)質(zhì)熱處理后，母材硬度提高了60%，達(dá)到(386 ± 17) HV，這是由于退火態(tài)的鐵素體組織經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后轉(zhuǎn)變成回火馬氏體和少量的殘余奧氏體，硬度得到很大的提高.

2.3 拉伸性能和斷口形貌

兩種焊接接頭與母材的抗拉強度和伸長率如圖11 所示.退火態(tài)母材和調(diào)質(zhì)態(tài)母材抗拉強度分別為718 MPa 和1268 MPa，退火態(tài)焊接接頭和調(diào)質(zhì)態(tài)焊接接頭的抗拉強度分別為698 MPa 和839 MPa，焊接接頭的抗拉強度均不如母材高，但是調(diào)質(zhì)態(tài)下的焊接接頭抗拉強度比退火態(tài)下焊接接頭提高20%.對于退火態(tài)母材，在進(jìn)行電子束焊接后，為母材(強度系數(shù))的97%，斷后伸長率由焊前的18%降到5%，為脆性斷裂.調(diào)質(zhì)態(tài)母材電子束焊接后，強度系數(shù)為66%，斷后伸長率由母材的2%降低到完全脆性斷裂.

圖11 拉伸性能測試Fig.11 Tensile property test

結(jié)合“熱處理對母材和焊縫金屬組織的影響”與“熱處理對熱影響區(qū)組織的影響”部分的組織分析可知，焊縫金屬熔化過程中，碳化物溶解到基體，在快速冷卻的條件下，焊縫區(qū)域的組織由鐵素體轉(zhuǎn)變成馬氏體，快速冷卻導(dǎo)致碳化物不能從馬氏體中析出，進(jìn)一步強化了焊縫的硬度，使焊縫的塑性變形能力下降.試樣斷口的位置在熱影響區(qū)，這是因為焊接熱影響區(qū)在焊接熱循環(huán)的作用下，碳化物從基體上析出并聚集長大，使碳化物的彌散強化作用減弱，距離熔合線越近，這種影響越明顯，所以斷裂發(fā)生在熱影響區(qū).焊接接頭的脆性斷裂，這是由于調(diào)質(zhì)后的母材和焊縫區(qū)域組織都為馬氏體和殘余奧氏體的混合組織，可以有效的提高材料的抗拉強度，但是會大大降低材料的塑性.在焊接熱循環(huán)的作用下，焊接熱影響區(qū)分布的小顆粒碳化物發(fā)生溶解，并且會聚集在塊狀的碳化物上，使熱影響區(qū)的塑性變形能力下降，導(dǎo)致脆性斷裂的發(fā)生.

圖12 為掃描電鏡下2 種焊接接頭試樣拉伸斷口的微觀形貌，均為脆性斷裂.在退火態(tài)拉伸試樣斷口上，可以看到大量由拉伸形成的小型孔洞，碳化物顆粒分布在孔洞中，并且存在少量的解理斷裂面.這些小型孔洞是由小而分布的碳化物顆粒從基體中分離而形成的[25].調(diào)質(zhì)態(tài)拉伸試樣上呈現(xiàn)出少量由碳化物顆粒形成的孔洞，形成明顯的解理斷裂面，在解理斷裂面和碳化物的界面上有明顯的裂紋.根據(jù)Manwatkar 等人[26]研究可知，解理斷裂面為碳化物與基體結(jié)合較弱的界面，拉伸過程中，這些弱界面在應(yīng)力的作用下易導(dǎo)致裂紋的萌生和擴展.在HAZ 的斷口處觀察到碳化物顆粒數(shù)量減少，碳化物固溶到基體組織中，使基體中碳元素含量升高，導(dǎo)致調(diào)質(zhì)態(tài)焊接接頭塑性嚴(yán)重下降.

圖12 拉伸試樣斷口SEM 圖像Fig.12 SEM image of fracture surface of tensile sample(a) Annealed base metal joint specimen;(b)Quenched and tempered base metal joint specimen

3 結(jié) 論

(1) 焊前經(jīng)過退火和調(diào)質(zhì)熱處理的440C 板材均可以進(jìn)行電子束焊接，焊縫成形良好，無明顯缺陷，可以獲得典型鐘罩形電子束接頭形狀.

(2) 退火和調(diào)質(zhì)2 種不同的焊前熱處理工藝對440C 不銹鋼電子束焊接焊縫顯微組織沒有明顯影響.母材在退火態(tài)下，組織為鐵素體基體上彌散分布碳化物顆粒；經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后，基體由回火馬氏體及殘留奧氏體組成，碳化物顆粒發(fā)生部分的固溶，顆粒數(shù)量減少，但尺寸增大，硬度也由退火態(tài)的241 HV 提高了60%，達(dá)到了386 HV.經(jīng)過電子束焊接后，焊縫區(qū)域組織均由馬氏體與殘留奧氏體構(gòu)成，碳及合金元素以過飽和固溶的形式存在于焊縫組織中，硬度達(dá)到398 HV.

(3) 2 種不同的焊前熱處理工藝對焊接熱影響區(qū)的顯微組織和力學(xué)性能產(chǎn)生了明顯影響.在經(jīng)歷焊接熱循環(huán)后，HAZ 部分碳化物顆粒發(fā)生溶解，固溶到基體組織中，引起組織的固溶強化，未溶解碳化物顆粒分布在基體上并且尺寸得到進(jìn)一步的長大，固溶強化與彌散強化的綜合效果使焊接接頭的強度和硬度都有所提高.與退火態(tài)相比，采用焊前調(diào)質(zhì)熱處理可以使焊縫接頭熱影響區(qū)硬度由588 HV 提高到 780 HV，提高了35%，接頭抗拉強度由698 MPa 提高到了839 MPa，提高了20%.