劉 陽(yáng),劉愛(ài)國(guó),張興品,趙 靜

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

Q235鋼表面堆焊310不銹鋼的組織與性能

劉 陽(yáng),劉愛(ài)國(guó),張興品,趙 靜

(沈陽(yáng)理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110159)

采用MIG焊工藝,在Q235鋼試板表面堆焊ER-310 (H12Cr26Ni21Si) 不銹鋼。通過(guò)試驗(yàn)得出,當(dāng)焊接電流為208A,焊接電壓為19.2V,擺動(dòng)寬度為12mm,擺動(dòng)速度為26mm/s,焊接速度為5mm/s,搭接量為7mm時(shí),獲得了成形美觀、致密無(wú)缺陷的不銹鋼堆焊層。對(duì)堆焊層的顯微組織、化學(xué)成分進(jìn)行了分析,測(cè)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(yīng)堆壓力容器長(zhǎng)期在高溫、高壓、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射的環(huán)境下運(yùn)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(shí)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(yùn)行帶來(lái)巨大的危險(xiǎn)性。然而滿足這些性能的材料(如鎳基合金、不銹鋼等)價(jià)格相對(duì)普通鋼材要昂貴,因此在實(shí)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(qiáng)度、耐腐蝕等性能,以至于能降低生產(chǎn)成本[3-6]。正因?yàn)檫@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(shí)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(zhǎng)零件工作區(qū)的壽命以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。所以經(jīng)濟(jì)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(fèi)用、堆焊材料的成本、設(shè)備和運(yùn)輸費(fèi)用[7]。因此本文選用焊接效率高、焊接設(shè)備成本低且簡(jiǎn)單易操作、堆焊過(guò)程易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的MIG焊方式;采用耐腐蝕性好、價(jià)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(duì)堆積層的組織和力學(xué)性能的影響,從成形工藝的角度對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用提供了依據(jù)。劉鳴宇[9]等人從反應(yīng)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(diǎn),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(huì)成為研究的一個(gè)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(dāng)合金中含有較高的Si、C、B等合金元素時(shí),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(diǎn)研究堆焊層的組織、化學(xué)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(yàn)材料與方法

試驗(yàn)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(yàn)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(wàn)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(xué)成分中標(biāo)準(zhǔn)與測(cè)得值均為江陰市萬(wàn)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(xué)成分 wt.%

表2 ER-310焊絲的化學(xué)成分 wt.%

堆焊方法采用自動(dòng)MIG焊,焊接電流為208A,焊接電壓為19.2V,擺動(dòng)寬度為12mm,擺動(dòng)速度為26mm/s,焊接速度為5mm/s,搭接量為7mm。用此參數(shù)進(jìn)行堆焊試驗(yàn),焊接過(guò)程穩(wěn)定,可以獲得無(wú)肉眼可見(jiàn)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(jī)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(duì)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(shí)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(xué)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(xué)成分。采用FM-300型顯微硬度儀對(duì)堆焊層進(jìn)行硬度測(cè)試,加載載荷98N,加載時(shí)間5s。采用型號(hào)為CHI660E的電化學(xué)工作站對(duì)堆焊層的耐腐蝕性能進(jìn)行分析。

圖1 堆焊后的樣板表面及橫截面

2 試驗(yàn)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(jiàn),堆焊層沒(méi)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(méi)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(guò)程,同一區(qū)域會(huì)受到相鄰焊道以及相鄰熔敷層的影響,會(huì)經(jīng)歷多次熱循環(huán)的作用[10]。并且在堆焊過(guò)程中,基體表面局部熔化形成的熔池主要通過(guò)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(huì)優(yōu)先結(jié)晶,而熔覆層頂部散熱主要通過(guò)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(guò)程的進(jìn)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(yīng),生成奧氏體。結(jié)晶后期奧氏體向鐵素體側(cè)長(zhǎng)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(xué)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(duì)堆焊層中化學(xué)成分的分布特征進(jìn)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(gè)位置,其對(duì)應(yīng)位置示意圖如圖3a所示,分別對(duì)應(yīng)于圖中的1、2和3三個(gè)不同位置,采用掃描電鏡附帶的能譜儀對(duì)堆焊層的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果如圖3b所示。通過(guò)測(cè)試不同區(qū)域的成分,得知整個(gè)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(guò)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(xué)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(duì)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(dǎo)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(duì)堆焊層的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)量時(shí)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(lái)自Q235鋼板基體。通過(guò)對(duì)堆焊層不同位置的化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)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(huì)導(dǎo)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(jìn)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(xué)成分計(jì)算得到Q235的鉻當(dāng)量為Creq≤0.45%,鎳當(dāng)量為3.75%≤Nieq≤6.35%;ER-310的鉻當(dāng)量Creq=26.23%,鎳當(dāng)量Nieq=23.73%。在舍夫勒組織圖圖上找到對(duì)應(yīng)的區(qū)域a、b,用直線連接ab得到一個(gè)三角形區(qū)域。根據(jù)圖3中對(duì)堆焊層化學(xué)成分的測(cè)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(dāng)量Creq和鎳當(dāng)量Nieq計(jì)算公式可得到,堆焊層滿足鉻當(dāng)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(cè)試點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,每1組測(cè)試3個(gè)點(diǎn)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(yuǎn)離熔合線處的母材硬度略高,這可能是因?yàn)榭拷酆暇€的母材受堆焊過(guò)程中熱影響較大,而遠(yuǎn)離熔合線的母材距離熱源較遠(yuǎn),受熱影響相對(duì)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(guò)測(cè)定不銹鋼堆焊層的上表面和基體Q235表面的Tafel極化曲線來(lái)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(cè)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(qiáng);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(qiáng)。通過(guò)極化曲線的測(cè)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(méi)有使得堆焊層耐腐蝕性能明顯降低。因此,通過(guò)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(dāng)焊接參數(shù)為:焊接電流208A,焊接電壓19.2V,擺動(dòng)寬度12mm,擺動(dòng)速度26mm/s,焊接速度為5mm/s,搭接量為7mm時(shí),獲得了成形美觀、無(wú)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(wú)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(xué)成分為Ni、Cr、Fe。

(3)通過(guò)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(zé)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(yáng)(1990—)，男，碩士研究生；通訊作者：劉愛(ài)國(guó)(1969—)，男，教授，博士，研究方向：表面強(qiáng)化與焊接工藝。

1003-1251(2017)05-0067-06