摘 要:采用真空擴(kuò)散焊接對０６Cr１９Ni１０不銹鋼和 A２８３低碳鋼進(jìn)行了擴(kuò)散連接,并對焊接接 頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:０６Cr１９Ni１０不銹鋼和 A２８３低碳鋼擴(kuò)散焊接接 頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度隨著焊接溫度的升高有增大的趨勢;當(dāng)焊接溫度為８５０℃時(shí),焊接接頭的 斷后伸長率和沖擊吸收能量達(dá)到最大.當(dāng) Cr２３C６ 析出相的尺寸較大時(shí),將降低擴(kuò)散焊接接頭的韌 性,成為導(dǎo)致該焊接接頭斷裂失效的裂紋源.

關(guān)鍵詞:不銹鋼;低碳鋼;真空擴(kuò)散焊接;顯微組織;力學(xué)性能

中圖分類號:TG４５６．３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６０７Ｇ０４

隨著新材料、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn),異種金屬復(fù)合 而成的零部件在機(jī)械工程領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣 泛.異種材料零件不僅能充分利用不同材料的優(yōu)異 性能,而且節(jié)約成本,提高經(jīng)濟(jì)效益[１].焊接是異種 金屬材料連接的主要手段.因此,針對提高異種材 料焊接接頭性能的研究成為當(dāng)前熱點(diǎn)[２].奧氏體不 銹鋼具有強(qiáng)度高、韌性好、耐腐蝕等優(yōu)異的性能,在 水電、石油化工、交通運(yùn)輸、食品等行業(yè)中有著廣泛 的應(yīng)用[３].近年來,核電、風(fēng)電等新能源行業(yè)飛速發(fā) 展,奧氏體不銹鋼越來越多地應(yīng)用在核電、風(fēng)電設(shè)備 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)當(dāng)中[４].隨著奧氏體不銹鋼應(yīng)用范圍的 擴(kuò)大,奧氏體不銹鋼與低碳鋼異種材料焊接的場合 越來越多,對焊接接頭質(zhì)量的要求也越來越高.傳 統(tǒng)的熔化焊和釬焊工藝已經(jīng)無法滿足新能源裝備對 奧氏體不銹鋼與低碳鋼焊接接頭的質(zhì)量要求[５].近 年來隨著工業(yè)生產(chǎn)的需求,真空擴(kuò)散焊接技術(shù)從航 空、航 天 領(lǐng) 域 逐 漸 擴(kuò) 展 應(yīng) 用 到 普 通 機(jī) 械 加 工 行 業(yè)[６Ｇ７].真空擴(kuò)散焊接技術(shù)的特點(diǎn)是在真空環(huán)境下, 將焊件緊密貼合,在一定溫度和壓力下保持一段時(shí)間,使接觸面之間的原子相互擴(kuò)散形成連接,這種焊 接方 法 連 接 面 積 大、結(jié) 合 強(qiáng) 度 高[８Ｇ９]. 筆 者 對 ０６Cr１９Ni１０奧氏體不銹鋼和 A２８３ 低碳鋼擴(kuò)散焊 接接頭的顯微組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究,為奧氏 體不銹鋼與低碳鋼異種材料焊接結(jié)構(gòu)在工程中的應(yīng) 用提供理論和實(shí)踐基礎(chǔ).

１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用０６Cr１９Ni１０不銹鋼和 A２８３低碳鋼 作為待焊材料,其化學(xué)成分見表１

１．２ 試驗(yàn)方法

試樣均為直徑２００mm,長５０mm 的棒材,將兩 種材料試樣端面疊合在一起進(jìn)行焊接.焊前將兩個(gè) 試樣接觸表面先采用磨削方式進(jìn)行平整、拋光,再進(jìn) 行清洗和脫脂.A２８３低碳鋼采用５％~１０％(質(zhì)量分 數(shù))的 H２SO４溶液＋２％~１０％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的 HCl水 溶液進(jìn)行酸洗,酸洗溫度２０℃,酸洗時(shí)間５~１０min. ０６Cr１９Ni１０不銹鋼采用１５％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的 HNO３溶 液＋５０g??L－１ NaF水溶液在室溫下浸蝕５~１０s,然 后用熱水清洗,再在１００~１２０ ℃溫度下烘干.兩種 材料的脫脂均采用丙酮超聲波清洗５min.清理后的 試樣立即裝入真空擴(kuò)散焊接爐中進(jìn)行焊接,避免試樣 長時(shí)間暴露在空氣中發(fā)生氧化.

擴(kuò)散焊接設(shè)備為 ZK/LY２００ 型真空擴(kuò)散焊接 爐,工作真空度１×１０－３Pa,焊接壓力１０MPa,升溫速率３５０℃??h－１,保溫時(shí)間６０min.分別采用８００, ８５０,９００ ℃的焊接溫度進(jìn)行擴(kuò)散焊接.

用線切割機(jī)制備金相試樣,采用電解拋光和化學(xué) 浸蝕的方式處理金相試樣觀察面.電解拋光液為 １∶１５(體積比)的高氯酸和乙醇混合液,拋光電壓為 ３５V,拋光時(shí)間約３０s.將電解拋光后的試樣用王水 溶液擦拭腐蝕.采用 GSX５００型金相顯微鏡(OM)和 SIGMA３００型掃描電鏡(SEM)觀察界面結(jié)合區(qū)域的 組織 特 征.采 用 EPMAＧ１７２０Series 型 電 子 探 針 (EPMA)測定界面兩側(cè)元素?cái)U(kuò)散含量.采用 XRDＧ ６０００型 X射線衍射儀(XRD)對擴(kuò)散焊界面進(jìn)行物相 分析,工作電壓４０kV,工作電流５０ mA,掃描范圍 ３０°~１００°,掃描速度２°??min－１.按照 GB/T２６５１－ ２００８«焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法»和 GB/T２２９－２００７ «金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法»對０６Cr１９Ni１０不 銹鋼和 A２８３低碳鋼擴(kuò)散焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能試 驗(yàn).拉伸與沖擊試樣沿軸向取樣,界面在試樣中間位 置,沖擊試樣在界面處開 V型缺口.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 顯微組織

圖１為不同焊接溫度條件下０６Cr１９Ni１０不銹 鋼和 A２８３低碳鋼擴(kuò)散焊接接頭界面的微觀形貌. 可見隨著焊接溫度的升 高,０６Cr１９Ni１０ 不 銹 鋼 基 體內(nèi) 出 現(xiàn) 碳 化 物 的 析 出 相,當(dāng) 焊 接 溫 度 升 高 到 ８５０ ℃時(shí)碳化物逐漸溶解消失,而當(dāng)焊接溫度繼續(xù) 升高至９００ ℃時(shí),０６Cr１９Ni１０不銹鋼基體內(nèi)又出 現(xiàn)大量的碳 化 物 析 出 相,并 且 這 些 析 出 相 主 要 集 中在晶界交叉處.這是由于擴(kuò)散焊界面兩側(cè)碳的 含量和碳的 化 學(xué) 勢 隨 焊 接 溫 度 變 化 而 逐 漸 失 衡, 導(dǎo)致 A２８３低碳鋼中的碳擴(kuò)散到了０６Cr１９Ni１０不 銹鋼基體一側(cè).

圖２a)為０６Cr１９Ni１０不銹鋼和 A２８３低碳鋼擴(kuò) 散焊接接頭的高倍 SEM 形貌,可見在靠近擴(kuò)散焊 界面區(qū)域的０６Cr１９Ni１０不銹鋼基體中存在較多數(shù) 量的黑色顆粒.對這一區(qū)域進(jìn)行 XRD 分析,結(jié)果 表明黑色顆粒為富鉻的碳化物Cr２３C６.這類碳化物 特點(diǎn)是硬度高、脆性強(qiáng)[１０],會給擴(kuò)散焊接頭的韌性 帶來負(fù)面影響.圖３為擴(kuò)散焊接接頭內(nèi)碳、鉻和鐵 元素的 EPMA 線掃描分析結(jié)果,可見隨著焊接溫度 的升高,碳原子自 A２８３低碳鋼側(cè)向０６Cr１９Ni１０不 銹鋼側(cè)擴(kuò)散的數(shù)量增加,０６Cr１９Ni１０不銹鋼基體中 碳含量升高導(dǎo)致碳化物相增多.同 時(shí),A２８３ 低 碳 鋼側(cè)碳含量降低,導(dǎo)致珠光體脫碳形成鐵素體,鐵 素體層的厚度隨焊接溫度的升高而增加.鐵和鉻 原子半徑相 近,兩 者 以 置 換 擴(kuò) 散 形 式 在 界 面 附 近 形成擴(kuò)散 層.隨 著 焊 接 溫 度 的 升 高,鉻 的 擴(kuò) 散 距 離有所增加.

２．２ 力學(xué)性能

表２和 表３分 別 為０６Cr１９Ni１０不 銹 鋼 和A２８３低碳鋼擴(kuò)散焊接接頭的拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn) 結(jié)果.可見在不同焊接溫度下,０６Cr１９Ni１０不銹鋼和 A２８３低碳鋼擴(kuò)散焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng) 度位于兩種母材之間,且隨著焊接溫度的升高有增 大的趨勢;當(dāng)焊接溫度為８５０℃時(shí),焊接接頭的斷后 伸長率和沖擊吸收能量達(dá)到最大.

圖４為０６Cr１９Ni１０不銹鋼和 A２８３低碳鋼擴(kuò) 散焊接接頭在不同焊接溫度下的界面處沖擊斷口形 貌.由圖４a),b)可知,焊接溫度８００ ℃和８５０ ℃接 頭的界面沖擊斷口有明顯的韌窩,屬于韌性斷裂,兩 者的區(qū)別是８００℃焊接條件下的擴(kuò)散焊接接頭沖擊 斷口韌窩尺寸較大且韌窩內(nèi)有明顯的硬質(zhì)化合物, 化合物成分經(jīng) EDS 測試判定為富鉻的碳化物,如 圖５所示.這些碳化物所在的位置即是導(dǎo)致接頭斷 裂失效的裂紋源,因?yàn)榻宇^發(fā)生塑性變形時(shí)這些硬 質(zhì)的碳化物與周圍塑性較好的基體組織分離,大量 的裂紋源匯集到一起形成擴(kuò)展裂紋,并最終導(dǎo)致了 接頭斷裂失效.８５０ ℃焊接溫度下的界面沖擊斷口 表面沒 有 明 顯 的 碳 化 物 存 在,因 而 其 韌 性 最 好. 圖４c)為焊接溫度９００ ℃下的擴(kuò)散焊接接頭界面處 斷口形貌,其斷口呈韌性斷裂與局部脆性斷裂的混 合斷裂形式,局部脆性斷裂面呈解理斷裂的河流圖 樣;韌性斷裂區(qū)可以看到存在較大尺寸的碳化物顆 粒,這些 脆 硬 的 碳 化 物 在 界 面 區(qū) 域 析 出,導(dǎo) 致 了 ０６Cr１９Ni１０不銹鋼和 A２８３ 低碳鋼擴(kuò)散焊接接頭 韌性的下降.

３ 結(jié)論

(１)采用真空擴(kuò)散焊接實(shí)現(xiàn)了０６Cr１９Ni１０不 銹鋼和 A２８３低碳鋼的固相擴(kuò)散連接.０６Cr１９Ni１０ 不銹鋼和 A２８３低碳鋼擴(kuò)散焊接接頭的抗拉強(qiáng)度和 屈服強(qiáng)度隨著焊接溫度的升高有增大的趨勢;當(dāng)焊 接溫度為８５０ ℃時(shí),焊接接頭的斷后伸長率和沖擊 吸收能量達(dá)到最大.

(２)當(dāng) Cr２３C６ 析出相的尺寸較大時(shí),將降低擴(kuò) 散焊接接頭的韌性,并成為導(dǎo)致該焊接接頭斷裂失效的裂紋源.

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>55卷>9期(pp:607-610)>