范銀東，蔣 勇，羅昌森，陳 慧，阮詩憶

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643010；2.四川輕化工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

海洋平臺屬于超大型焊接鋼結(jié)構(gòu)，隨著科技的不斷發(fā)展，正在向復(fù)雜化、大型化、高參數(shù)、嚴(yán)工況的方向發(fā)展[1]。由于海洋工程裝備及結(jié)構(gòu)件是在苛刻的腐蝕性環(huán)境下工作，其水下結(jié)構(gòu)長期受到海水及生物的侵蝕，因此對其耐蝕性提出了較高的要求，在焊接材料選用上必須滿足海洋工程的特殊要求，如焊接效率高、焊接質(zhì)量穩(wěn)定、擴(kuò)散氫含量極低、強(qiáng)度要求高、低溫沖擊韌性要求高，具有良好的抗裂性能和良好的耐腐蝕性[2-4]。海洋工程用CHE607RH焊條是無裂紋鋼使用的超低氫鈉型船用焊條，擁有良好的缺口沖擊韌性和抗裂性能，可進(jìn)行全位置焊接。該焊條適于焊接普通強(qiáng)度的船用鋼材建造的壓力容器、橋梁、水電站下降管及海洋工程等關(guān)鍵結(jié)構(gòu)[5-6]。由于焊后冷卻速度與熱處理工藝的不同，其熔敷金屬的顯微組織會發(fā)生變化，本文結(jié)合顯微組織與力學(xué)性能對熔敷金屬的耐蝕性進(jìn)行了研究，以此為海洋工程用CHE607RH焊條的應(yīng)用提供理論參考。模擬海洋環(huán)境，對熱處理前后的熔敷金屬進(jìn)行浸泡實驗和鹽霧實驗，研究熱處理溫度和保溫時間對熔敷金屬耐蝕性的影響。

1 實驗材料及方法

實驗材料為海洋工程用CHE607RH焊條，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：0.08 C ， 1.5Mn ，0.30Si ，0.010S ，0.015P，1.03 Ni ，0.10Cr，0.24 Mo；應(yīng)用手工電弧焊進(jìn)行焊接實驗，焊接采用直流反接，焊接電流160A。將熔敷金屬試樣置于陶瓷纖維馬沸爐，分別進(jìn)行250℃、600℃加熱，保溫30min、60min后，出爐空冷。應(yīng)用尼康EPIPHOT200金相顯微鏡觀察分析樣品的顯微組織，HV-1000顯微維氏硬度計測量熔敷金屬的硬度值。經(jīng)過熱處理的熔敷金屬樣品打磨拋光后模擬海水環(huán)境(3.5% NaCl鹽水)，進(jìn)行浸泡實驗和鹽霧試驗。

2 結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

2.1.1 熔敷金屬顯微組織

未經(jīng)熱處理的CHE607RH焊條熔敷金屬顯微組織見圖1。

(a) 200×；(b) 500×

由圖1可見，焊條CHE607RH熔敷金屬顯微組織由鐵素體+珠光體+貝氏體構(gòu)成。貝氏體是一種由含碳過飽和的鐵素體與碳化物組成的混合組織，圖中貝氏體為粒狀貝氏體。粒狀貝氏體是在低、中碳合金鋼奧氏體化后，以一定速度連續(xù)冷卻或在上貝氏體相變區(qū)高溫范圍等溫而形成的一種復(fù)相組織，由板條鐵素體作為基體，且在上面分布著富碳奧氏體島和它的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。一個粒狀貝氏體晶粒的形成，并不是貝氏體-鐵素體界面簡單地向未轉(zhuǎn)變的奧氏體中推移的結(jié)果，在其生長的前方可能有幾個或多個小晶體，而后匯結(jié)于一個晶粒，其生長也可能是不連續(xù)的[7]。

2.1.2 250℃熱處理后的顯微組織

CHE607RH熔敷金屬樣品于250℃下保溫30min、60min的顯微組織見圖2。

(a)30min 200×；(b)30min 500×；(c)60min 200×；(d)60min 500×

由圖2可見，250℃保溫30min、60min的熔敷金屬顯微組織都由鐵素體+珠光體+少量貝氏體構(gòu)成。經(jīng)過加熱保溫后，隨著保溫時間延長，鐵素體條略為長大，見圖2c、圖2d。圖2中的鐵素體為針狀鐵素體，針狀鐵素體能夠形成具有良好穩(wěn)定性、高位錯密度、相互交錯的聯(lián)鎖組織，提高了組織的韌性。隨著保溫時間的增加，鐵素體變粗，組織的韌性與塑性能得到提高，但是硬度會降低[8]。

2.1.3 600℃熱處理后的顯微組織

CHE607RH熔敷金屬樣品于600℃下保溫30min、60min的顯微組織見圖3。

圖3a、圖3b可見，600℃下保溫30min后，CHE607RH熔敷金屬樣品顯微組織由鐵素體+珠光體+少量貝氏體構(gòu)成。鐵素體呈樹枝狀，個別鐵素體條發(fā)生了聚集長大。圖3c、圖3d可見，600℃下保溫60min后，CHE607RH熔敷金屬樣品顯微組織是由鐵素體+珠光體構(gòu)成，白色部分為鐵素體，深色部分為珠光體。圖3中的鐵素體均為針狀鐵素體，大量針狀鐵素體組織的存在能夠顯著提高熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，以及良好的伸長率和較低的屈強(qiáng)比，綜合力學(xué)性能比較好[9]。

(a)30min 200×；(b)30min 500×；(c)60min 200×；(d)60min 500×

2.2 硬度

應(yīng)用HV-1000顯微維氏硬度計，測量熱處理前后CHE607RH熔敷金屬樣品的維氏硬度值，硬度值數(shù)據(jù)見表1。

表1 CHE607RH熔敷金屬樣品維氏硬度

由表1可見，CHE607RH熔敷金屬硬度值最高，達(dá)到了296HV0.2，經(jīng)過600℃加熱保溫60min后，樣品硬度值降低至183HV0.2。由于CHE607RH熔敷金屬的顯微組織是鐵素體+珠光體+貝氏體，其中粒狀貝氏體對基體產(chǎn)生了強(qiáng)化作用，從而提高了熔敷金屬的硬度、強(qiáng)度。隨著樣品熱處理加熱溫度的提高和保溫時間的延長，熔敷金屬中的貝氏體組織分解成為鐵素體與碳化物，粒狀貝氏體的強(qiáng)化作用消失，硬度值發(fā)生明顯下降。樣品經(jīng)過600℃加熱保溫60min后，顯微組織變?yōu)殍F素體+珠光體，硬度值降低至183HV0.2。

2.3 耐蝕性

2.3.1 海水模擬實驗

應(yīng)用3.5%NaCl鹽水溶液模擬海洋環(huán)境進(jìn)行耐蝕性浸泡試驗，將熔敷金屬樣品浸泡于3.5%NaCl溶液中放置1天、3天、8天、10天、12天，測量樣品的增重，用增重法公式計算樣品單位面積、單位時間的增重腐蝕速度。將試樣質(zhì)量隨腐蝕時間的變化數(shù)據(jù)，繪制于圖4中。

圖4 樣品腐蝕增重(Δm)與浸泡時間關(guān)系曲線

熔敷金屬樣品經(jīng)過十二天的浸泡腐蝕后，平均增重腐蝕速度見表2。

表2 12天平均增重腐蝕速度

綜合圖4與表2，經(jīng)過十二天的浸泡腐蝕后，由600℃保溫60min處理的熔敷金屬樣品的耐蝕性最好，耐蝕性最差的是未處理的熔敷金屬原始樣品。經(jīng)過600℃保溫60min處理后，熔敷金屬樣品顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體，樣品內(nèi)部缺陷減少，耐蝕性提高。未處理的熔敷金屬原始樣品顯微組織是鐵素體+珠光體+貝氏體，樣品內(nèi)部缺陷多，耐蝕性較差。

2.3.2 鹽霧實驗

熱處理前后CHE607RH熔敷金屬樣品鹽霧試驗后的腐蝕形貌見圖5。

圖5 鹽霧腐蝕形貌(a)原始樣；(b) 250℃×30min；(c) 250℃×60min；(d) 600℃×30min(e)600℃×60min

圖5可見，通過鹽霧試驗腐蝕形貌圖分析，由600℃×60min處理的CHE607RH熔敷金屬的腐蝕最小，即耐蝕性最好。隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長，熔敷金屬中的貝氏體組織分解，樣品內(nèi)部缺陷減少，耐蝕性逐漸提高。圖5a，可見明顯的的鐵銹，還能觀察到河流狀溝壑。形成溝壑狀形貌的原因有兩方面，內(nèi)因是NaCl溶液能夠促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物顆粒的快速生長，使得表層腐蝕產(chǎn)物疏松，容易脫落，外因是試樣在鹽霧試驗箱中的放置與垂直方向呈15～30°的角，沉降在試樣表面的鹽霧凝結(jié)，沿著試樣表面向下流動，沖刷表層疏松的腐蝕物質(zhì)，形成溝壑形貌[10]。

試樣表面由于焊接缺陷的大量存在，加速了腐蝕速度。腐蝕反應(yīng)原理是：陽極反應(yīng)為鐵基體的溶解，并分解形成鐵離子Fe2+，陰極反應(yīng)為電解質(zhì)中的水及氧氣反應(yīng)形成氫氧根離子OH-，總反應(yīng)式形成鐵的氫氧化物Fe(OH)2，具體反應(yīng)式如下：

陽極反應(yīng)式：Fe→ Fe2+

陰極反應(yīng)式：O2+ 2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)式：2Fe+O2+2H2O→ 2Fe(OH)2

由于Fe(OH)2為暫態(tài)產(chǎn)物，極易轉(zhuǎn)化為FeOOH(羥基氧化鐵)，F(xiàn)eOOH在不同的腐蝕時間、腐蝕環(huán)境下呈現(xiàn)不同的晶體類型。因此，腐蝕產(chǎn)物檢測到α- FeOOH和γ- FeOOH兩種類型。隨著腐蝕時間的增加，F(xiàn)eOOH會進(jìn)一步分解為含鐵的氧化物，因此會看到試樣上生成紅棕色的Fe2O3和黑色的Fe3O4。

焊縫缺陷也產(chǎn)生明顯的腐蝕，如焊縫中產(chǎn)生的氣孔。氣孔不僅加速腐蝕，而且影響焊縫的致密性，產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低焊縫的韌性、強(qiáng)度和承載能力等。

3 結(jié)論

(1)CHE607RH焊條熔敷金屬顯微組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，鐵素體為針狀鐵素體。經(jīng)250℃×60min加熱保溫的熔敷金屬顯微組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體； 600℃×60min加熱保溫后，熔敷金屬樣品顯微組織為鐵素體+珠光體。

(2)CHE607RH熔敷金屬顯微組織中的粒狀貝氏體對基體產(chǎn)生了強(qiáng)化作用，從而提高了熔敷金屬的硬度，達(dá)到了296HV0.2。經(jīng)過加熱保溫后，熔敷金屬中貝氏體組織分解，粒狀貝氏體的強(qiáng)化作用消失，硬度值發(fā)生明顯下降。經(jīng)過600℃加熱保溫60min后，硬度值降低至183HV0.2。

(3)海水模擬實驗中，經(jīng)過600℃×60min處理的熔敷金屬樣品的耐蝕性最好，耐蝕性最差的是未處理的熔敷金屬原始樣品。經(jīng)過600℃保溫60min處理后，熔敷金屬樣品顯微組織轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體+珠光體，樣品內(nèi)部缺陷減少，耐蝕性提高。

(4)鹽霧實驗顯示，由600℃×60min處理CHE607RH熔敷金屬的腐蝕最小，即耐蝕性最好。樣品表面的大量鐵銹是由焊接缺陷引起。