12%cr铁素体不锈钢的焊接性试验

12%cr铁素体不锈钢的焊接性试验

12%cr铁素体的不锈钢具有良好的耐腐蚀性和高效率，在建筑结构、车辆结构、化工等领域得到了广泛应用。各不锈钢生产厂家相继开发了主要应用于货车车辆及采矿设备制造领域的12%Cr铁素体不锈钢。这类不锈钢的主要牌号有:南非哥伦布公司的3CR12,蒂森克虏伯的Nirosta4003,美国AKsteel的41003和409Ni、中国的TCS345及T4003、Sandvik的5Cr12Ti和JFE生产的410RW等。铁素体不锈钢焊接时存在的主要问题是:1)焊接接头的晶间腐蚀,2)焊接接头的脆化。铁素体不锈钢焊接接头的脆化主要包括:高温脆化、σ相脆化、475°脆化和局部马氏体引起的脆化。TCS不锈钢一般采用奥氏体焊料焊接,因此,焊缝的腐蚀性能和韧性均很优越,焊接接头的薄弱环节是焊接热影响区。尤其是靠近熔合线的粗晶区由于经历的热循环峰值温度高(接近于熔点)、高温停留时间长,晶粒严重粗化,韧性较母材急剧下降,即产生严重的高温脆化。低铬铁素体不锈钢的铬含量较低,焊接时不会发生σ相脆化和475°脆化。本文对四种不同成分的12%Cr铁素体不锈钢做了焊接性试验,分析焊接接头的组织,测量了焊接接头的冲击功。1试验材料和方法1.1锻坯保温系统用150kg的真空感应炉冶炼四种不同碳含量的钢锭,然后热锻成50mm的锻坯,具体成分(质量分数,%)如表1所示。将锻坯加热到1100℃保温2h,7道次热轧到6mm厚,空冷到室温。再加热到740℃保温7h进行退火,450℃以下出炉空冷到室温。1.2试验材料和试样加工每种试验钢沿轧向取长为350mm宽为150mm的钢板各两块,开单边30°坡口不留钝边。用熔化极气体保护焊焊接,焊接工艺参数如表2所示。制备金相试样,用光学显微镜观察显微组织。在Instronwilson-wolpertTurkon2100B维氏硬度计上用1kg的载荷测量由焊缝中心到母材的硬度分布。将焊接接头按照GB2649-89《焊接接头机械性能试验取样方法》和GB2650-89《焊接接头冲击试验方法》进行取样和加工,冲击试样尺寸为5mm×10mm×55mm。分别在熔合线处和熔合线+1mm处(热影响区)开夏比V型缺口。在Instron9250HV示波冲击仪上测量夏比冲击试样在-20℃的冲击功。用Thermocalc热力学软件计算试验钢的相图。2试验结果与讨论2.1试验材料的度和晶粒度焊缝显微组织如图1所示,为奥氏体加少量的铁素体,少量铁素体的存在有效的防止了焊接热裂纹的产生。焊接粗晶区组织如图2所示,钢A粗晶区均为粗大的铁素体。钢B为马氏体加40%~50%的铁素体,钢C和D为马氏体加10%~20%的铁素体。粗晶区宽度和晶粒度如表3所示,钢C和钢D的粗晶区宽度和晶粒大小明显小于钢A和钢B。焊接细晶区组织如图3所示,细晶区组织均以马氏体为主,钢A相比其它三种钢铁素体比例明显较多。焊接熔合线处和热影响区在-20℃的冲击功如图4所示,熔合线及热影响区的冲击功均较母材显著降低。钢C熔合线和热影响区的冲击功均都在15J以上,钢D熔合线处和热影响区的冲击功也均在10J以上,钢B在这两个位置的冲击功低于钢D,钢A的冲击功最低,均小于10J。焊接接头硬度分布如图5所示:钢A热影响区的硬度比母材略有升高,由于碳含量极低,相应马氏体的硬度也不高,因此,尽管细晶区组织含有大量的马氏体,其硬度也没有显著增加。钢B、C和D焊接热影响区的硬度显著提高,最大硬度接近350HV。这是由于这三种试验钢含碳量较高,热影响区组织中含有大量的马氏体的结果。2.2材料材料的设计由Thermocalc计算的Fe-C相图(其他元素为,N0.01%、Si0.3%、Mn1.6%、C11.5%和Ni0.78%)如图6所示:随着碳含量的增高,奥氏体单相区扩大,铁素体单相区变窄。由文献可知,在两相区中奥氏体的存在有效的抑制了铁素体的长大,峰值温度处于两相区的组织不会异常粗大,而粗晶区所经历热循环的峰值温度高于单相铁素体区的下限温度。相同焊接工艺条件下,焊接粗晶区宽度由钢的铁素体单相区的宽窄决定。当碳含量低时,高温铁素体区间很宽,热影响区组织在此区间停留时间也相应增加,因此,焊接粗晶区宽度较宽,晶粒粗大,如钢A和B的粗晶区。而碳含量增加时,单相铁素体区变窄,热影响区峰值温度处在此温度区间的范围也变窄,粗晶区组织在此温度区间停留的时间也相应缩短。因此,粗晶区宽度变窄,晶粒变细,如钢C和钢D。碳为强奥氏体化元素,因此,随着碳含量的增加粗晶区高温时形成的铁素体组织更易于在随后的冷却过程中转变为奥氏体,最终转变为室温的马氏体组织。钢A的碳含量极低,焊接热循环的冷却速度较快,因此,高温时形成的粗大铁素体组织,来不及转变为奥氏体,保留到室温。而随着碳含量的增加,促进了高温铁素体在冷却过程中转变为奥氏体,因此,钢B、C和D中马氏体含量逐渐增加。冷却过程中的δ→γ相变和γ→M相变过程进一步细化了粗晶区的晶粒。试验钢A和B的平衡相图如图7所示,钢A在1000℃左右奥氏体的摩尔分数最大,约为90%,而钢B存在一个奥氏体单相区。因此,在峰值温度低于高温铁素体单相区的细晶区,钢A细晶区含有较多的铁素体,而钢B细晶区组织以马氏体为主,仅含有少量的铁素体。钢C和D的碳含量更高,因此,奥氏体单相区扩大,细晶区组织也仅含极少量的铁素体。图8为钢A和钢C熔合线处冲击试样残样截面的金相照片,试样A的断裂过程并不是垂直于缺口,而是沿着粗晶区断裂,而试样C的断裂路径包括了近1/2的焊缝区和少量的细晶区。焊接材料使用的是奥氏体不锈钢,具有极为优良的低温韧性,因此,提高了熔合线处的低温冲击功。对比钢A和钢C的焊接接头组织特征可知,粗晶区宽度和晶粒大小显著影响了冲击试样的断裂路径,尤其是粗晶区宽度。随着粗晶区宽度的增加和晶粒粗化,钢D、钢B和钢A的冲击功逐渐降低。因此,为提高焊接接头的冲击韧性,应控制粗晶区宽度和晶粒大小。在材料设计时,考虑元素对高温铁素体单相区的影响,尽量缩小高温铁素体单相区的范围。在选择焊接工艺时,尽量采用小的热输入。3试验钢及设备1)随着碳含量的增加,粗晶区组织由单相铁素体转变成以马氏体为主。粗晶区宽度变窄晶粒尺寸减小。细晶区组织以马氏体为主,钢A铁素体含量高于其它三种试验钢。2)焊接熔合线及热影响区-20℃冲击功相对母材明显降低,且钢C和钢D的冲击功优于钢B和钢A。粗晶区宽度和晶粒大小显著影