韓美，張熹，馬青軍，魏玉順，韋晨，王澤軍，賈云海

(1.鋼鐵研究總院,北京,100081；2.國(guó)家特種設(shè)備焊接材料產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心(天津),天津,300350；3.天津市特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院,天津,300350；4.天津大橋焊材集團(tuán)有限公司,天津,300381)

0 序言

隨著海上浮式生產(chǎn)儲(chǔ)卸油船、集裝箱船等高性能船舶大型化趨勢(shì)不斷發(fā)展，為了提高船用中厚鋼板的焊接制造效率，氣電立焊、電渣焊、多絲埋弧焊等大線能量高效焊接方法需求日益迫切[1-4].而船舶大線能量焊接，其熱輸入通常大于100 kJ/cm，甚至超過(guò)300 kJ/cm超大線能量規(guī)范，如此巨大的熱輸入會(huì)導(dǎo)致熱影響區(qū)粗晶區(qū)晶粒顯著長(zhǎng)大，并在冷卻過(guò)程中形成魏氏體、上貝氏體等低韌性組織，使得CGHAZ韌性急劇惡化[5-9]，為此日本率先提出了氧化物冶金的概念，分別由新日本制鐵株式會(huì)社、日本鋼鐵工程控股公司等提出了以鋼中Ca氧化物、Mg氧化物和硫化物的納米級(jí)粒子為有效夾雜物核心細(xì)化奧氏體晶粒、大熱輸入焊接熱影響區(qū)高韌化技術(shù)等技術(shù)，通過(guò)獲得并控制Ti元素、Mg元素和Ca元素的氧化物，以及TiN和BN等氧化物的組態(tài)，起到抑制晶粒長(zhǎng)大和晶界鐵素體形核，并誘導(dǎo)晶內(nèi)針狀鐵素體形核長(zhǎng)大的作用，從而實(shí)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)增韌的目的[7-9].由于大線能量船板技術(shù)的差距，國(guó)內(nèi)建造集裝箱船所耗工時(shí)遠(yuǎn)超日本，因此高焊接性能鋼已成為制約國(guó)內(nèi)鋼鐵行業(yè)、船舶行業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的卡脖子技術(shù)之一，而微量元素對(duì)焊接熱影響區(qū)韌性的影響規(guī)律研究是解決高強(qiáng)船板超大線能量焊接韌化的關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題[10-21].

Yamamoto 等人[21]的研究表明Ti脫氧鋼中Ti2O3粒子具有彌散分布的特點(diǎn),在一定程度上吸收基體中的錳離子，降低奧氏體穩(wěn)定性，起到促進(jìn)針狀鐵素體形核的作用.而新日本制鐵株式會(huì)社研究結(jié)果表明Ca元素和Mg元素脫氧得到的氧化物對(duì)熱影響區(qū)韌化效果更好，Mg元素易與鋼中Ti元素結(jié)合形成Ti-Mg復(fù)合型氧化物粒子[22].而Ti元素和Mg元素復(fù)合添加時(shí)，各元素比例對(duì)氧化物類型、尺寸和分布的影響規(guī)律及作用效果尚不明確.

1 試驗(yàn)方法

共設(shè)計(jì)了5種試驗(yàn)鋼，化學(xué)成分如表1所示，試驗(yàn)鋼采用50 kg真空感應(yīng)爐進(jìn)行冶煉，冶煉后采用控扎控冷工藝軋制成20 mm規(guī)格鋼板，試驗(yàn)鋼板性能如表2所示.將5種試驗(yàn)鋼板加工成11 mm ×11 mm × 80 mm熱模擬毛坯件，采用Gleeble 3800試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行焊接熱模擬，熱模擬工藝參數(shù)如表3所示.

表1 試驗(yàn)鋼板化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of test steels

表2 試驗(yàn)鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of test steel

表3 焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)熱模擬參數(shù)Table 3 Thermal simulation parameters of coarse grain heat affected zone

通過(guò)對(duì)焊接熱模擬試樣進(jìn)行-20 ℃沖擊試驗(yàn)，其中母材得到-40 ℃的沖擊吸收能量，焊后得到-20 ℃的沖擊吸收能量.觀察微觀組織，并結(jié)合掃描電鏡和X射線能譜分析，以及Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果，揭示Al元素，Mg元素和Ti元素等微量元素對(duì)鋼板中氧化物組態(tài)及熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織、性能的影響規(guī)律.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 熱模擬試樣微觀組織及力學(xué)性能

大線能量焊接工藝下，粗晶區(qū)是焊接熱影響區(qū)最薄弱的環(huán)境，通常表現(xiàn)為該區(qū)域低溫韌性顯著劣化.而熱輸入達(dá)到超大線能量后，該區(qū)域焊接熱循環(huán)重要參數(shù)冷卻時(shí)間t8/5都會(huì)大于200 s，因此該試驗(yàn)采用100～ 300 s范圍內(nèi)焊接熱模擬方式來(lái)研究冷卻時(shí)間t8/5對(duì)不同成分EH36鋼板焊接熱影響區(qū)粗晶區(qū)組織及韌性的影響規(guī)律.將熱模擬后的試樣加工成10 mm × 10 mm × 55 mm沖擊試樣和10 mm × 10 mm的金相試樣進(jìn)行相關(guān)測(cè)試，沖擊試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，1號(hào)鋼、2號(hào)鋼和3號(hào)鋼采用Mg元素、Ti元素聯(lián)合添加，冷卻時(shí)間t8/5在100 s到300 s范圍內(nèi)變化，-20 ℃的沖擊吸收能量AkV均隨冷卻時(shí)間t8/5提高呈下降趨勢(shì)，但均高于27 J.其中3號(hào)鋼即使當(dāng)冷卻時(shí)間t8/5達(dá)到300 s時(shí)，粗晶區(qū)熱模擬試樣沖擊吸收能量仍保持在100 J以上.

圖1 焊接熱模擬試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果Fig.1 Impact test results of thermal simulation samples

沖擊試樣的焊接熱模擬顯微組織如圖2所示，即使當(dāng)冷卻時(shí)間t8/5為300 s時(shí)，3號(hào)鋼仍然以針狀鐵素體為主，而1號(hào)鋼出現(xiàn)了較多晶界鐵素體和部分魏氏體組織，且Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.004 2%降低為0.001 3%后，在t8/5=300 s時(shí)，粗晶區(qū)熱模擬試樣的-20 ℃沖擊吸收能量由43 J提高到124 J；4號(hào)鋼單獨(dú)添加Ti元素，當(dāng)冷卻時(shí)間t8/5超過(guò)150 s時(shí)，粗晶區(qū)熱模擬試樣沖擊吸收能量顯著劣化，低于27 J；如圖2所示顯微組織在冷卻時(shí)間t8/5為300 s時(shí)，粗晶區(qū)針狀鐵素體含量很低，主要形成了大量塊狀鐵素體和上貝氏體組織，對(duì)韌性不利；而Al元素、Ti元素聯(lián)合添加的5號(hào)鋼，冷卻時(shí)間t8/5在100～ 300 s范圍內(nèi)熱模擬試樣沖擊吸收能量均處于較低水平，無(wú)法適應(yīng)大熱輸入焊接，由圖2微觀組織可知，5號(hào)鋼在大熱輸入下形成了魏氏體、粒狀貝氏體組織，沒有形成有利于韌性的針狀鐵素體組織.

圖2 焊接熱模擬試樣顯微組織Fig.2 Microstructure of thermal simulation sample.(a) No.1 steel;(b) No.2 steel;(c) No.3 steel;(d) No.4 steel;(e)No.5 steel

2.2 熱力學(xué)計(jì)算及第二相分析

冷卻時(shí)間t8/5為300s的焊接熱模擬試樣的SEM如圖3所示，1號(hào)鋼、2號(hào)鋼、3號(hào)鋼和4號(hào)鋼鋼熱模擬試樣中都存在以氧化物為核心的針狀鐵素體轉(zhuǎn)變，也存在依附1次針狀鐵素體界面形核而生成的2次針狀鐵素體，形成的針狀鐵素體互鎖結(jié)構(gòu)增加了粗晶區(qū)中界面的數(shù)量，從而增加了沖擊試驗(yàn)過(guò)程中裂紋擴(kuò)展路徑的長(zhǎng)度，進(jìn)而起到增韌的作用.而5號(hào)試驗(yàn)鋼中的氧化物未起到誘導(dǎo)針狀鐵素體相變的作用，在相同模擬參數(shù)下粗晶區(qū)的相變主要由合金成分決定，因此大熱輸入下只能得到魏氏體、粒狀貝氏體等高溫組織，不利于韌化.為了確定Al元素，Mg元素和Ti元素等微量元素配比對(duì)鋼中氧化物類型的影響，采用Thermo-calc熱力學(xué)軟件進(jìn)行了計(jì)算，圖4為1 450 ℃下的等溫截面圖.圖4計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)Al元素和Ti元素聯(lián)合添加時(shí)，兩者與氧的結(jié)合有競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系；當(dāng)不添加Al元素時(shí)，易于形成Ti2O3、Ti3O5的氧化物如圖4(a)所示，如果Ti元素含量過(guò)高在形成Ti的氧化物外，那么也會(huì)形成TiN；如圖4(b)和圖4(c)所示，當(dāng)Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)處于通常的0.01%～ 0.02%之間時(shí)，Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.005%，較易得到Ti的氧化物或Ti元素與Al元素復(fù)合氧化物M2O3；當(dāng)Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.01%時(shí)，較難得到Ti的氧化物或Ti元素與Al元素復(fù)合氧化物M2O3，Ti元素主要以TiN的形式存在.

圖3 焊接熱模擬試樣SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM of thermal simulation sample.(a) No.1 steel;(b) No.2 steel;(c) No.3 steel;(d) No.4 steel;(e) No.5 steel

圖4 Al元素含量對(duì)氧化物類型影響的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果Fig.4 Thermodynamic calculation results of Al content influence on oxide type.(a) 0%;(b) 0.005%;(c) 0.01%

Mg元素與Ti元素聯(lián)合添加熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果如圖5所示，其初始計(jì)算條件為Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)固定為0.015%，隨著Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，氧化物類型發(fā)生改變；當(dāng)Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.002%時(shí)，以MgO，Mg2TiO4和Ti(C,N)均有熱力學(xué)形成可能；當(dāng)Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到0.005%時(shí)，氧化物只能形成MgO，Ti元素以Ti(C,N)形式存在.圖6為采用SEM對(duì)試驗(yàn)鋼中氧化物的能譜面掃分析結(jié)果，試驗(yàn)結(jié)果與Thermo-calc熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果基本吻合.結(jié)果表明，1號(hào)鋼、3號(hào)鋼和4號(hào)鋼由于Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在0.005%以下，均得到了Ti氧化物、Mg氧化物或其復(fù)合氧化物；Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.004 2%的1號(hào)鋼中氧化物基本不含Ti元素，以Mg元素和Al元素為主；Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.001 3%的3號(hào)鋼中氧化物基本以Mg元素，Ti元素和Al元素復(fù)合氧化物為主；4號(hào)鋼通過(guò)降低Al元素含量，并添加Ti元素，使得基體中形成了Ti的氧化物和氮化物；因?yàn)?號(hào)鋼中Al元素、Ti元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)均超過(guò)了0.01%，所以形成了Al的氧化物和Ti的氮化物；能譜掃描過(guò)程中在Mg的氧化物、Ti的氧化物及其復(fù)合氧化物表面均發(fā)現(xiàn)了MnS的存在，由于MnS析出而在氧化物近表面形成的貧Mn區(qū)是促進(jìn)針狀鐵素體相變的重要原因[23].為進(jìn)一步確定氧化物組態(tài)對(duì)粗晶區(qū)韌性的影響規(guī)律，對(duì)1號(hào)鋼、2號(hào)鋼、3號(hào)鋼、4號(hào)鋼和5號(hào)鋼進(jìn)行了氧化物尺寸和數(shù)量的測(cè)定.利用SEM，隨機(jī)選取500倍下20個(gè)視場(chǎng)的電鏡照片進(jìn)行測(cè)量統(tǒng)計(jì)，測(cè)試結(jié)果如表4所示.

圖5 Mg元素含量對(duì)氧化物類型影響的熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果Fig.5 Thermodynamic calculation results of Mg content influence on oxide type.(a) 0%;(b) 0.002%;(c) 0.005%

圖6 試驗(yàn)鋼中氧化物EDS面掃分析結(jié)果Fig.6 EDS analysis results of oxide in samples (a) No.1 steel;(b) No.3 steel;(c) No.4 steel;(d) No.5 steel

表4 試驗(yàn)鋼中氧化物數(shù)量及尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 4 Quantity and grain size results of oxide in samples

由1號(hào)鋼到4號(hào)鋼氧化物數(shù)量及尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果的對(duì)比可知，Mg元素的添加可以使氧化物數(shù)量顯著提高；Mg元素含量對(duì)氧化物尺寸和尺寸分布標(biāo)準(zhǔn)差有較大影響，適當(dāng)控制Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，即在0.01%～ 0.02%范圍內(nèi)，可以同時(shí)起到增加氧化物數(shù)量，細(xì)化氧化物尺寸的作用；單一添加Ti元素，與Mg元素和Ti元素聯(lián)合添加相比，試樣中形成的氧化物數(shù)量減少較多，而且其尺寸離散性提高；Al元素和Ti元素聯(lián)合添加形成的氧化物尺寸大、數(shù)量少，無(wú)法發(fā)揮誘導(dǎo)針狀鐵素體相變的作用.

3 結(jié)論

(1) Thermo-Calc熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果表明Al元素的含量顯著影響Ti氧化物和Mg氧化物的形成.只有Al元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.005%時(shí)，才能形成Mg氧化物、Ti氧化物及其復(fù)合氧化物；Ti元素與Mg元素聯(lián)合添加時(shí)，當(dāng)Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.004 2%降低為0.001 3%時(shí)，氧化物類型由MgO轉(zhuǎn)變?yōu)镸g2TiO4，氧化物數(shù)量提高，平均尺寸降低到1.10 μm，顯著提高了非均勻形核的比表面積.

(2) 粗晶區(qū)熱模擬試樣的沖擊吸收能量結(jié)果表明，單獨(dú)添加Al元素或單獨(dú)添加Mg元素的EH36鋼，無(wú)法適應(yīng)超大線能量焊接，當(dāng)Mg元素和Ti元素聯(lián)合添加時(shí)，超大線能量下粗晶區(qū)韌性良好，且在Mg元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.004 2%降低為0.001 3%后，當(dāng)t8/5=300 s時(shí)，粗晶區(qū)熱模擬試樣的-20 ℃沖擊吸收能量由43 J提高到124 J.

(3) Al2O3無(wú)法誘導(dǎo)粗晶區(qū)針狀鐵素體相變，Ti2O3，Mg2TiO4和MgO均能促進(jìn)針狀鐵素體形成，Mg元素和Ti元素聯(lián)合添加更容易得到彌散、細(xì)小的復(fù)合氧化物顆粒，對(duì)粗晶區(qū)韌化更有利.