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(yáng) ４７１０２３)

摘 要:采用添加質(zhì)量分?jǐn)?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(duì)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(qiáng)度和伸長(zhǎng)率先快速增大后增大速率減緩,當(dāng) MnO質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)１２％時(shí)趨向穩(wěn)定;耐腐蝕性能則先增強(qiáng)后減弱,當(dāng) MnO 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為１２％時(shí),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(lèi)號(hào):TG４２３ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):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(qiáng)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(guó)外進(jìn)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(shí)還會(huì)通過(guò)冶金反應(yīng)過(guò)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(duì) X１００管線(xiàn)鋼進(jìn)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(duì) X８０管線(xiàn)鋼進(jìn) 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(qiáng)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(huì)提高焊縫的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(duì)普通碳鋼焊接接頭性能影響的研究較多,而對(duì)不銹鋼焊接接頭性能影響的研究較少[４].SJ６１２焊劑專(zhuān)門(mén)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(duì)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(yàn)方法

１．１ 試樣制備

試驗(yàn) 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(gòu).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(chēng)取原料,總質(zhì)量為２kg,將粉料裝入 VHＧ８V 型混合機(jī)中混合８min,再放入造粒機(jī)中噴灑鉀鈉水玻璃進(jìn)行造粒.利用 HJＧ１０００ 型振動(dòng)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(yàn)焊劑的堿度見(jiàn)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(jī) 進(jìn) 行 埋 弧 對(duì) 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(zhǎng)度為２５~２８mm.

１．２ 試驗(yàn)方法

用 DK７７６３型線(xiàn)切割機(jī)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(jī)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為２mm??min－１,測(cè)試溫度為２５ ℃,測(cè)３個(gè)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(jí) 打 磨,拋 光 機(jī) 拋 光 后,根 據(jù)GB/T１０１２４－１９８８,在６％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))FeCl３ 溶液中進(jìn)行浸泡腐蝕試驗(yàn),腐蝕液溫度為２５ ℃,腐蝕時(shí)間為２４h.用 FA２００４B型電子天平測(cè)得試樣腐蝕前后的質(zhì)量,計(jì)算腐蝕速率,計(jì)算公式為

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ MnO含量對(duì)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?jǐn)?shù),下同)小于１２％時(shí),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(shí),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(dá)到２０％時(shí),鐵素體呈條帶狀和點(diǎn)狀分布,具有第二相強(qiáng)化的作用.由于焊接時(shí)的溫度較高,焊劑中的 MnO 會(huì)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(huì)抑制奧氏體向鐵素體的轉(zhuǎn)變.當(dāng) MnO 含量較少時(shí),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(lái),導(dǎo) 致 焊 縫 中 鐵 素 體 含 量 的下降.

２．２ MnO含量對(duì)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(qiáng)度和伸長(zhǎng)率先快速增大,當(dāng) MnO 含量超過(guò)８％時(shí),抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的增大趨勢(shì)變緩并在 MnO 含量高于１２％后趨向穩(wěn)定.

在焊接過(guò)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(huì)阻礙熔池中脫氧反應(yīng)的發(fā)生,同時(shí)錳在焊縫中的過(guò)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(huì)促進(jìn)脫硫反應(yīng)的發(fā)生,導(dǎo)致 FeO 含量的增加,從而促進(jìn)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(huì)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(wú)限固溶體,錳 對(duì) 鐵 素 體 和 奧 氏 體 都 有 固 溶 強(qiáng) 化 作用,與固溶強(qiáng)化鐵素體相比,對(duì)奧氏體的強(qiáng)化作用更加顯著[７].

當(dāng)燒 結(jié) 焊 劑 中 MnO 含 量 小 于 ８％ 時(shí),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(shí)錳和 MnO 含量的增加促進(jìn)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(lái)的不利影響.此外,MnO 含量增加使得過(guò)渡到焊縫中的錳含量增加,增強(qiáng)了錳對(duì)焊縫金屬的固溶強(qiáng)化作用.因此,接頭的強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率快速增大.當(dāng) MnO 含量超過(guò)８％時(shí),熔池中脫氧反應(yīng)被嚴(yán)重抑制,焊縫金屬中的氧含量增加,而此時(shí)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(lái)的不利影響,因此,接頭抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的增大速率變緩.

２．３ MnO含量對(duì)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(shí),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(qiáng);當(dāng) MnO 含量超過(guò)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(méi)有外加 MnO 的焊劑焊接后,焊縫的腐蝕比較嚴(yán)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(diǎn);當(dāng)MnO 含量小于１２％時(shí),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(diǎn)變小;當(dāng) MnO 含量超過(guò)１２％時(shí),焊縫的腐蝕又變得嚴(yán)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(shí),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(lái)不及擴(kuò)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(duì)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(shí)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(yàn)時(shí),腐蝕液中的 Cl－ 優(yōu)先吸附在鈍化膜上,和鈍化膜中陽(yáng)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(guò)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(shí),其焊縫 組 織 中 鐵 素 體 含 量 比 MnO 含 量 為 ８％ ~２０％時(shí)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(guò)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(shí),焊縫組織中的鐵素體含量明顯減少,且網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)開(kāi)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(qiáng);當(dāng) MnO含量超過(guò)１２％時(shí),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(shí),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(shí),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(diǎn)狀分布;當(dāng) MnO 含量達(dá)到2０％時(shí),鐵素體呈條帶狀和點(diǎn)狀分布,具有第二相強(qiáng)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(qiáng)度和伸長(zhǎng)率先快速增大然后緩慢增大,當(dāng) MnO 含量超過(guò)１２％時(shí),抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)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(qiáng)后減弱;當(dāng)MnO含量為１２％時(shí),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.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-機(jī)械工程材料>2017年>8期> pp.54）