張紹棋１,２,閆焉服１,２,王廣欣１,２,顧天亮１
(河南科技大學(xué) １．材料科學(xué)與工程學(xué)院;２．高純材料研究中心,洛陽 ４７１０２３)
摘 要:采用添加質(zhì)量分數(shù)分別為０,４％,８％,１２％,１６％,２０％MnO 的SJ６１２焊劑,配合SAWＧER３０８焊絲焊接了１８Ｇ８不銹鋼,研究了 MnO 含量對焊接接頭顯微組織、拉伸性能和耐腐蝕性能的影響.結(jié)果表明:接頭焊縫組織均由奧氏體和鐵素體組成,鐵素體含量隨 MnO 含量的增加先增大后減少;隨著 MnO 含量的增加,接頭的抗拉強度和伸長率先快速增大后增大速率減緩,當(dāng) MnO質(zhì)量分數(shù)超過１２％時趨向穩(wěn)定;耐腐蝕性能則先增強后減弱,當(dāng) MnO 質(zhì)量分數(shù)為１２％時,接頭的腐蝕速率最小,為１．８６×１０－５g??mm－２??h－１,耐腐蝕性能最好.
關(guān)鍵詞:１８Ｇ８不銹鋼;MnO;焊接接頭;顯微組織;拉伸性能;耐腐蝕性能
中圖分類號:TG４２３ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００５４Ｇ０５
０ 引 言
１８Ｇ８鉻Ｇ鎳奧氏體不銹鋼具有良好的耐熱性能、耐腐蝕性能、焊接性能及較高的低溫強度,被廣泛用于食品醫(yī)療、石油化工、海洋船舶、核電、航空航天等領(lǐng)域.工業(yè)用１８Ｇ８不銹鋼壓力容器及反應(yīng)釜等常采用埋弧焊焊接,目前,焊劑大都從國外進口.埋弧焊燒結(jié)焊劑一般由螢石、鎂砂、鋁礬土、金紅石、錳粉等多種礦物粉混合后,經(jīng)水玻璃黏結(jié)造粒,在
一定溫度下燒結(jié)而成.作為焊劑的基本成分,錳粉除了影響焊劑的脫渣性、成型性外,在焊接時還會通過冶金反應(yīng)過渡到焊縫中,從而影響焊縫的性能.張敏等[１]在 CaF２ＧMnOＧAl２O３ＧMnOＧTiＧBa２O３ 渣 系 中 添加了 MnO后對 X１００管線鋼進行了焊接,發(fā)現(xiàn)適量的 MnO有利于焊縫中針狀鐵素體的形成.李繼紅等[２]在高韌度氟堿性渣系中添加 MnO 后對 X８０管線鋼進 行 了 焊 接,發(fā) 現(xiàn) 在 該 系 焊 劑 中 添 加 適 量 的MnO可使焊縫獲得較高的屈服強度和良好的沖擊韌
度.FARRAR等[３]選用SJ１０１焊劑配合 H０８MnA焊絲焊接低合金結(jié)構(gòu)鋼,發(fā)現(xiàn)適當(dāng)增加SJ１０１焊劑中的MnO 含量會提高焊縫的屈服強度和抗拉強度,顯著降低焊接接頭的韌脆轉(zhuǎn)變溫度.目前,有關(guān)焊劑中添加 MnO后對普通碳鋼焊接接頭性能影響的研究較多,而對不銹鋼焊接接頭性能影響的研究較少[４].SJ６１２焊劑專門用于焊接奧氏體不銹鋼,具有良好的抗潮和脫渣能力,在壓力容器、海洋船舶、化工設(shè)備等領(lǐng)域需求量非常大.為了給不銹鋼焊接用SJ６１２焊 劑 配 方 的 優(yōu) 化 提 供 參 考,作 者 在 自 制 的SJ６１２焊劑中添加了不同含量的 MnO,配合 SAWＧER３０８焊絲焊接了１８Ｇ８不銹鋼,研究了 MnO 含量對接頭顯微組織、拉伸性能和耐腐蝕性能的影響.
１ 試樣制備與試驗方法
１．１ 試樣制備
試驗 原 料 為 CaF(純 度 ９１％)、MgO (純 度８７％)、Al２O３(純度９７％)、TiO２(純度９９％)、MnO(純度６８％)、SiO２(純度９７％)、CaO(純度９２％)、鉀鈉水玻璃(模數(shù)為２),均為市購.SJ６１２焊劑的基礎(chǔ)配方由河南固的焊材有限公司提供,如表１所示.按照表１和表２稱取原料,總質(zhì)量為２kg,將粉料裝入 VHＧ８V 型混合機中混合８min,再放入造粒機中噴灑鉀鈉水玻璃進行造粒.利用 HJＧ１０００ 型振動篩篩選出 ０．２５~０．８５ mm 的顆粒,在 燒 結(jié) 爐 中 于２００ ℃保溫２０min烘干,再升溫至８００ ℃保溫２h燒結(jié),在燒結(jié)期間攪拌兩次防止結(jié)塊.將燒結(jié)好的焊劑冷卻至室溫保存待用,試驗焊劑的堿度見表２.
在１８Ｇ８不銹鋼鋼板上截取如圖１所示的試樣,采用 MZＧ１０００型 逆 變 埋 弧 焊 機 進 行 埋 弧 對 接 焊.焊絲為 SAWＧER３０８ 焊絲,規(guī)格為?４．０ mm;焊接電壓為３２~３５V,焊接電流為３８０~４２０A,焊接速度為２２~２５m??h－１,焊絲伸出長度為２５~２８mm.
１．２ 試驗方法
用 DK７７６３型線切割機床在每條焊縫處截取尺寸為?８mm×１５mm 的金相試樣,用砂紙打磨、拋光,在王水中腐蝕２０s后,分別用清水和酒精清洗,吹風(fēng)機吹干,利用JSMＧ５６１０LV 型掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織.以焊縫 為 中 心 在 焊 接 接 頭 上 切 割 出 拉 伸 試樣,尺寸如圖２所示.根據(jù) GB/T２６５１－２００８,在AGＧI/２５０KN 型拉伸試驗機上進行拉伸試驗,拉伸速度為２mm??min－１,測試溫度為２５ ℃,測３個試樣取平均值.
在接頭焊縫處截取尺寸為１０ mm×１０ mm×１５ mm 的 試 樣,用 ４００＃ ,６００＃ ,８００＃ ,１０００＃ ,１５００＃ ,２０００＃ 砂紙 逐 級 打 磨,拋 光 機 拋 光 后,根 據(jù)GB/T１０１２４－１９８８,在６％(質(zhì)量分數(shù))FeCl３ 溶液中進行浸泡腐蝕試驗,腐蝕液溫度為２５ ℃,腐蝕時間為２４h.用 FA２００４B型電子天平測得試樣腐蝕前后的質(zhì)量,計算腐蝕速率,計算公式為
２ 試驗結(jié)果與討論
２．１ MnO含量對焊縫顯微組織的影響
由圖３可以看出:焊縫組織均由黑色奧氏體和白色鐵素體組成,在焊劑中添加 MnO 后,鐵素體的比例及形狀發(fā)生明顯的變化;當(dāng)添加的 MnO 含量(質(zhì)量分數(shù),下同)小于１２％時,焊縫組織中鐵素體含量較多,鐵素體呈彎曲條帶狀,且部分相互交聯(lián)呈網(wǎng)狀分布;當(dāng) MnO 含量大于１２％時,隨著 MnO 含量的增加,鐵素體含量逐漸減少,鐵素體由網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)闂l帶狀分布;當(dāng) MnO 含量達到２０％時,鐵素體呈條帶狀和點狀分布,具有第二相強化的作用.由于焊接時的溫度較高,焊劑中的 MnO 會和焊縫金屬發(fā)生冶金反應(yīng),使焊縫中的錳含量增加;而錳是奧氏體穩(wěn)定化元素,會抑制奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變.當(dāng) MnO 含量較少時,錳的作用并不明顯,因此焊縫組織中的鐵素體含量較多;而隨著 MnO 含量的不斷增多,焊縫中錳元素含量增多,其抑制鐵素體形成的作用逐 漸 表 現(xiàn) 出 來,導(dǎo) 致 焊 縫 中 鐵 素 體 含 量 的下降.
２．２ MnO含量對接頭拉伸性能的影響
由圖４可以看出,隨著 MnO 含量的增加,焊接接頭的抗拉強度和伸長率先快速增大,當(dāng) MnO 含量超過８％時,抗拉強度和伸長率的增大趨勢變緩并在 MnO 含量高于１２％后趨向穩(wěn)定.
在焊接過程中,熔池里發(fā)生一系列復(fù)雜的冶金反應(yīng),包括脫氧反應(yīng)
燒結(jié)焊劑中 MnO 含量的增加,會阻礙熔池中脫氧反應(yīng)的發(fā)生,同時錳在焊縫中的過渡系數(shù)增大,使得焊縫中錳含量增加[５].錳和 MnO 含量的增加又會促進脫硫反應(yīng)的發(fā)生,導(dǎo)致 FeO 含量的增加,從而促進焊縫脫磷.硫、磷元素的減少有利于焊縫力學(xué)性能的改善.此外,錳是奧氏體形成元素,焊縫中的錳在一定程度上會抑制鐵素體的形成[６];且錳能與鐵互溶形成固溶體,特別是能與 γＧFe形成無限固溶體,錳 對 鐵 素 體 和 奧 氏 體 都 有 固 溶 強 化 作用,與固溶強化鐵素體相比,對奧氏體的強化作用更加顯著[７].
當(dāng)燒 結(jié) 焊 劑 中 MnO 含 量 小 于 ８％ 時,隨 著MnO 含量的增加,熔池中脫氧反應(yīng)被抑制,焊縫中的氧含量增多,但同時錳和 MnO 含量的增加促進了脫硫、脫磷反應(yīng)的發(fā)生,使焊縫中硫、磷雜質(zhì)減少,抵消了焊縫中氧含量增加帶來的不利影響.此外,MnO 含量增加使得過渡到焊縫中的錳含量增加,增強了錳對焊縫金屬的固溶強化作用.因此,接頭的強度與伸長率快速增大.當(dāng) MnO 含量超過８％時,熔池中脫氧反應(yīng)被嚴重抑制,焊縫金屬中的氧含量增加,而此時焊縫中的硫磷元素大部分已被脫去,MnO 脫磷脫硫的效果不能抵消氧含量增加帶來的不利影響,因此,接頭抗拉強度和伸長率的增大速率變緩.
２．３ MnO含量對接頭耐腐蝕性能的影響
由圖５可以看出:當(dāng) MnO 含量小于 １２％ 時,隨著 MnO 含 量 的 增 加,焊 接 接 頭 的 腐 蝕 速 率 下降,耐腐蝕性能增強;當(dāng) MnO 含量超過１２％后,隨著 MnO 含量的 增 加,接 頭 的 腐 蝕 速 率 急 劇 增 大,耐腐蝕性能下降.
由圖６可以看出:用沒有外加 MnO 的焊劑焊接后,焊縫的腐蝕比較嚴重,焊縫金屬呈棕黃色,部分發(fā)黑,且 存 在 少 量 的 青 色 或 褐 色 的 腐 蝕 點;當(dāng)MnO 含量小于１２％時,焊縫的腐蝕較輕,焊縫金屬呈淺黃色,且隨 MnO 含量的增加焊縫金屬顏色變淺、腐蝕點變小;當(dāng) MnO 含量超過１２％時,焊縫的腐蝕又變得嚴重,焊縫金屬呈棕黃色甚至變黑.不銹鋼的耐腐蝕性能與晶間貧鉻以及鐵素體和奧氏體數(shù)量比有關(guān).在焊接時,不銹鋼中的鉻與碳反應(yīng)形成鉻的碳化物從晶間析出,晶粒內(nèi)部的鉻來不及擴散到晶界,造成晶間貧鉻而容易被腐蝕[８Ｇ９].錳的電極電位比較高,脫硫反應(yīng)后形成的硫化錳的電極電位也相對較高,在鈍化膜和硫化錳之間的微區(qū)電位差較大,容易引發(fā)電池腐蝕;同時奧氏體和鐵素體的電位差也比較大,兩者之間構(gòu)成原電池,從而造成腐蝕.在腐蝕試驗時,腐蝕液中的 Cl－ 優(yōu)先吸附在鈍化膜上,和鈍化膜中陽離子相結(jié)合形成可溶性氯化物;錳脫硫后形成 MnS,少量的 MnS出現(xiàn)在金屬表面,在浸泡腐蝕過程中優(yōu)先溶解形成黑色蝕坑[１０Ｇ１１].
結(jié)合圖３分析可知:當(dāng) MnO 含量為０,４％時,其焊縫 組 織 中 鐵 素 體 含 量 比 MnO 含 量 為 ８％ ~２０％時的高,且鐵素體之間相互交聯(lián),呈網(wǎng)狀分布,這種分布結(jié)構(gòu)提供了大量的凸凹不平的鐵素體Ｇ奧氏體邊界;在焊接過程中,焊縫中 M２３C６ 碳化物傾向于在鐵素體Ｇ奧氏體邊界析出,使得焊縫組織中的鉻分布不均,導(dǎo)致焊縫組織中某些區(qū)域因缺鉻而被腐蝕[１２Ｇ１３];當(dāng)焊劑中外加的 MnO 含量為８％~１２％時,焊縫組織中的鐵素體含量明顯減少,且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開始消失,鐵素體Ｇ奧氏體邊界變得平直,這種平直結(jié)構(gòu)不利于 M２３C６ 碳化物的析出,焊縫組織中的鉻分布變得均勻,焊縫組織的耐腐蝕性能增強;當(dāng) MnO含量超過１２％時,焊縫組織中鐵素體含量非常少,且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)基本消失,M２３C６ 碳化物的析出更加困難,然而,由于焊縫組織中的錳含量較高,且錳的電極電位比較高,容易引發(fā)電池腐蝕,這又導(dǎo)致了焊縫組織耐
腐蝕性能的降低[１４].
３ 結(jié) 論
(１)用添加了不同含量 MnO 的 SJ６１２焊劑焊接后,１８Ｇ８不銹鋼接頭焊縫組織均由奧氏體和鐵素體組成;當(dāng) MnO 含量小于１２％時,焊縫組織中的鐵素體含量較多,鐵素體呈彎曲條帶狀,且部分相互交聯(lián)呈 網(wǎng) 狀 分 布;當(dāng) MnO 含 量 大 于 １２％ 時,隨 著MnO 含量的增加,鐵素體含量逐漸減少,鐵素體由網(wǎng)狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)闂l帶狀和點狀分布;當(dāng) MnO 含量達到2０％時,鐵素體呈條帶狀和點狀分布,具有第二相強化的作用.
(２)隨著 MnO 含量的增加,１８Ｇ８ 不銹鋼焊接接頭的抗拉強度和伸長率先快速增大然后緩慢增大,當(dāng) MnO 含量超過１２％時,抗拉強度和伸長率趨向平穩(wěn).
(３)隨著 MnO 含量的增加,焊接接頭的腐蝕速率先減小后增大,即耐腐蝕性能先增強后減弱;當(dāng)MnO含量為１２％時,接頭的腐蝕速率最小,為１．８６×１０－５g??mm－２??h－１,耐腐蝕性能最好.