张绍棋１,２,闫焉服１,２,王广欣１,２,顾天亮１
(河南科技大学 １．材料科学与工程学院;２．高纯材料研究中心,洛阳 ４７１０２３)
摘 要:采用添加质量分数分别为０,４％,８％,１２％,１６％,２０％MnO 的SJ６１２焊剂,配合SAWＧER３０８焊丝焊接了１８Ｇ８不锈钢,研究了 MnO 含量对焊接接头显微组织、拉伸性能和耐腐蚀性能的影响.结果表明:接头焊缝组织均由奥氏体和铁素体组成,铁素体含量随 MnO 含量的增加先增大后减少;随着 MnO 含量的增加,接头的抗拉强度和伸长率先快速增大后增大速率减缓,当 MnO质量分数超过１２％时趋向稳定;耐腐蚀性能则先增强后减弱,当 MnO 质量分数为１２％时,接头的腐蚀速率最小,为１．８６×１０－５g??mm－２??h－１,耐腐蚀性能最好.
关键词:１８Ｇ８不锈钢;MnO;焊接接头;显微组织;拉伸性能;耐腐蚀性能
中图分类号:TG４２３ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０８Ｇ００５４Ｇ０５
０ 引 言
１８Ｇ８铬Ｇ镍奥氏体不锈钢具有良好的耐热性能、耐腐蚀性能、焊接性能及较高的低温强度,被广泛用于食品医疗、石油化工、海洋船舶、核电、航空航天等领域.工业用１８Ｇ８不锈钢压力容器及反应釜等常采用埋弧焊焊接,目前,焊剂大都从国外进口.埋弧焊烧结焊剂一般由萤石、镁砂、铝矾土、金红石、锰粉等多种矿物粉混合后,经水玻璃黏结造粒,在
一定温度下烧结而成.作为焊剂的基本成分,锰粉除了影响焊剂的脱渣性、成型性外,在焊接时还会通过冶金反应过渡到焊缝中,从而影响焊缝的性能.张敏等[１]在 CaF２ＧMnOＧAl２O３ＧMnOＧTiＧBa２O３ 渣 系 中 添加了 MnO后对 X１００管线钢进行了焊接,发现适量的 MnO有利于焊缝中针状铁素体的形成.李继红等[２]在高韧度氟碱性渣系中添加 MnO 后对 X８０管线钢进 行 了 焊 接,发 现 在 该 系 焊 剂 中 添 加 适 量 的MnO可使焊缝获得较高的屈服强度和良好的冲击韧
度.FARRAR等[３]选用SJ１０１焊剂配合 H０８MnA焊丝焊接低合金结构钢,发现适当增加SJ１０１焊剂中的MnO 含量会提高焊缝的屈服强度和抗拉强度,显著降低焊接接头的韧脆转变温度.目前,有关焊剂中添加 MnO后对普通碳钢焊接接头性能影响的研究较多,而对不锈钢焊接接头性能影响的研究较少[４].SJ６１２焊剂专门用于焊接奥氏体不锈钢,具有良好的抗潮和脱渣能力,在压力容器、海洋船舶、化工设备等领域需求量非常大.为了给不锈钢焊接用SJ６１２焊 剂 配 方 的 优 化 提 供 参 考,作 者 在 自 制 的SJ６１２焊剂中添加了不同含量的 MnO,配合 SAWＧER３０８焊丝焊接了１８Ｇ８不锈钢,研究了 MnO 含量对接头显微组织、拉伸性能和耐腐蚀性能的影响.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验 原 料 为 CaF(纯 度 ９１％)、MgO (纯 度８７％)、Al２O３(纯度９７％)、TiO２(纯度９９％)、MnO(纯度６８％)、SiO２(纯度９７％)、CaO(纯度９２％)、钾钠水玻璃(模数为２),均为市购.SJ６１２焊剂的基础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称取原料,总质量为２kg,将粉料装入 VHＧ８V 型混合机中混合８min,再放入造粒机中喷洒钾钠水玻璃进行造粒.利用 HJＧ１０００ 型振动筛筛选出 ０．２５~０．８５ mm 的颗粒,在 烧 结 炉 中 于２００ ℃保温２０min烘干,再升温至８００ ℃保温２h烧结,在烧结期间搅拌两次防止结块.将烧结好的焊剂冷却至室温保存待用,试验焊剂的碱度见表２.
在１８Ｇ８不锈钢钢板上截取如图１所示的试样,采用 MZＧ１０００型 逆 变 埋 弧 焊 机 进 行 埋 弧 对 接 焊.焊丝为 SAWＧER３０８ 焊丝,规格为?４．０ mm;焊接电压为３２~３５V,焊接电流为３８０~４２０A,焊接速度为２２~２５m??h－１,焊丝伸出长度为２５~２８mm.
１．２ 试验方法
用 DK７７６３型线切割机床在每条焊缝处截取尺寸为?８mm×１５mm 的金相试样,用砂纸打磨、抛光,在王水中腐蚀２０s后,分别用清水和酒精清洗,吹风机吹干,利用JSMＧ５６１０LV 型扫描电镜(SEM)观察显微组织.以焊缝 为 中 心 在 焊 接 接 头 上 切 割 出 拉 伸 试样,尺寸如图２所示.根据 GB/T２６５１－２００８,在AGＧI/２５０KN 型拉伸试验机上进行拉伸试验,拉伸速度为２mm??min－１,测试温度为２５ ℃,测３个试样取平均值.
在接头焊缝处截取尺寸为１０ mm×１０ mm×１５ mm 的 试 样,用 ４００＃ ,６００＃ ,８００＃ ,１０００＃ ,１５００＃ ,２０００＃ 砂纸 逐 级 打 磨,抛 光 机 抛 光 后,根 据GB/T１０１２４－１９８８,在６％(质量分数)FeCl３ 溶液中进行浸泡腐蚀试验,腐蚀液温度为２５ ℃,腐蚀时间为２４h.用 FA２００４B型电子天平测得试样腐蚀前后的质量,计算腐蚀速率,计算公式为
２ 试验结果与讨论
２．１ MnO含量对焊缝显微组织的影响
由图３可以看出:焊缝组织均由黑色奥氏体和白色铁素体组成,在焊剂中添加 MnO 后,铁素体的比例及形状发生明显的变化;当添加的 MnO 含量(质量分数,下同)小于１２％时,焊缝组织中铁素体含量较多,铁素体呈弯曲条带状,且部分相互交联呈网状分布;当 MnO 含量大于１２％时,随着 MnO 含量的增加,铁素体含量逐渐减少,铁素体由网状分布转变为条带状分布;当 MnO 含量达到２０％时,铁素体呈条带状和点状分布,具有第二相强化的作用.由于焊接时的温度较高,焊剂中的 MnO 会和焊缝金属发生冶金反应,使焊缝中的锰含量增加;而锰是奥氏体稳定化元素,会抑制奥氏体向铁素体的转变.当 MnO 含量较少时,锰的作用并不明显,因此焊缝组织中的铁素体含量较多;而随着 MnO 含量的不断增多,焊缝中锰元素含量增多,其抑制铁素体形成的作用逐 渐 表 现 出 来,导 致 焊 缝 中 铁 素 体 含 量 的下降.
２．２ MnO含量对接头拉伸性能的影响
由图４可以看出,随着 MnO 含量的增加,焊接接头的抗拉强度和伸长率先快速增大,当 MnO 含量超过８％时,抗拉强度和伸长率的增大趋势变缓并在 MnO 含量高于１２％后趋向稳定.
在焊接过程中,熔池里发生一系列复杂的冶金反应,包括脱氧反应
烧结焊剂中 MnO 含量的增加,会阻碍熔池中脱氧反应的发生,同时锰在焊缝中的过渡系数增大,使得焊缝中锰含量增加[５].锰和 MnO 含量的增加又会促进脱硫反应的发生,导致 FeO 含量的增加,从而促进焊缝脱磷.硫、磷元素的减少有利于焊缝力学性能的改善.此外,锰是奥氏体形成元素,焊缝中的锰在一定程度上会抑制铁素体的形成[６];且锰能与铁互溶形成固溶体,特别是能与 γＧFe形成无限固溶体,锰 对 铁 素 体 和 奥 氏 体 都 有 固 溶 强 化 作用,与固溶强化铁素体相比,对奥氏体的强化作用更加显著[７].
当烧 结 焊 剂 中 MnO 含 量 小 于 ８％ 时,随 着MnO 含量的增加,熔池中脱氧反应被抑制,焊缝中的氧含量增多,但同时锰和 MnO 含量的增加促进了脱硫、脱磷反应的发生,使焊缝中硫、磷杂质减少,抵消了焊缝中氧含量增加带来的不利影响.此外,MnO 含量增加使得过渡到焊缝中的锰含量增加,增强了锰对焊缝金属的固溶强化作用.因此,接头的强度与伸长率快速增大.当 MnO 含量超过８％时,熔池中脱氧反应被严重抑制,焊缝金属中的氧含量增加,而此时焊缝中的硫磷元素大部分已被脱去,MnO 脱磷脱硫的效果不能抵消氧含量增加带来的不利影响,因此,接头抗拉强度和伸长率的增大速率变缓.
２．３ MnO含量对接头耐腐蚀性能的影响
由图５可以看出:当 MnO 含量小于 １２％ 时,随着 MnO 含 量 的 增 加,焊 接 接 头 的 腐 蚀 速 率 下降,耐腐蚀性能增强;当 MnO 含量超过１２％后,随着 MnO 含量的 增 加,接 头 的 腐 蚀 速 率 急 剧 增 大,耐腐蚀性能下降.
由图６可以看出:用没有外加 MnO 的焊剂焊接后,焊缝的腐蚀比较严重,焊缝金属呈棕黄色,部分发黑,且 存 在 少 量 的 青 色 或 褐 色 的 腐 蚀 点;当MnO 含量小于１２％时,焊缝的腐蚀较轻,焊缝金属呈浅黄色,且随 MnO 含量的增加焊缝金属颜色变浅、腐蚀点变小;当 MnO 含量超过１２％时,焊缝的腐蚀又变得严重,焊缝金属呈棕黄色甚至变黑.不锈钢的耐腐蚀性能与晶间贫铬以及铁素体和奥氏体数量比有关.在焊接时,不锈钢中的铬与碳反应形成铬的碳化物从晶间析出,晶粒内部的铬来不及扩散到晶界,造成晶间贫铬而容易被腐蚀[８Ｇ９].锰的电极电位比较高,脱硫反应后形成的硫化锰的电极电位也相对较高,在钝化膜和硫化锰之间的微区电位差较大,容易引发电池腐蚀;同时奥氏体和铁素体的电位差也比较大,两者之间构成原电池,从而造成腐蚀.在腐蚀试验时,腐蚀液中的 Cl－ 优先吸附在钝化膜上,和钝化膜中阳离子相结合形成可溶性氯化物;锰脱硫后形成 MnS,少量的 MnS出现在金属表面,在浸泡腐蚀过程中优先溶解形成黑色蚀坑[１０Ｇ１１].
结合图３分析可知:当 MnO 含量为０,４％时,其焊缝 组 织 中 铁 素 体 含 量 比 MnO 含 量 为 ８％ ~２０％时的高,且铁素体之间相互交联,呈网状分布,这种分布结构提供了大量的凸凹不平的铁素体Ｇ奥氏体边界;在焊接过程中,焊缝中 M２３C６ 碳化物倾向于在铁素体Ｇ奥氏体边界析出,使得焊缝组织中的铬分布不均,导致焊缝组织中某些区域因缺铬而被腐蚀[１２Ｇ１３];当焊剂中外加的 MnO 含量为８％~１２％时,焊缝组织中的铁素体含量明显减少,且网状结构开始消失,铁素体Ｇ奥氏体边界变得平直,这种平直结构不利于 M２３C６ 碳化物的析出,焊缝组织中的铬分布变得均匀,焊缝组织的耐腐蚀性能增强;当 MnO含量超过１２％时,焊缝组织中铁素体含量非常少,且网状结构基本消失,M２３C６ 碳化物的析出更加困难,然而,由于焊缝组织中的锰含量较高,且锰的电极电位比较高,容易引发电池腐蚀,这又导致了焊缝组织耐
腐蚀性能的降低[１４].
３ 结 论
(１)用添加了不同含量 MnO 的 SJ６１２焊剂焊接后,１８Ｇ８不锈钢接头焊缝组织均由奥氏体和铁素体组成;当 MnO 含量小于１２％时,焊缝组织中的铁素体含量较多,铁素体呈弯曲条带状,且部分相互交联呈 网 状 分 布;当 MnO 含 量 大 于 １２％ 时,随 着MnO 含量的增加,铁素体含量逐渐减少,铁素体由网状分布转变为条带状和点状分布;当 MnO 含量达到2０％时,铁素体呈条带状和点状分布,具有第二相强化的作用.
(２)随着 MnO 含量的增加,１８Ｇ８ 不锈钢焊接接头的抗拉强度和伸长率先快速增大然后缓慢增大,当 MnO 含量超过１２％时,抗拉强度和伸长率趋向平稳.
(３)随着 MnO 含量的增加,焊接接头的腐蚀速率先减小后增大,即耐腐蚀性能先增强后减弱;当MnO含量为１２％时,接头的腐蚀速率最小,为１．８６×１０－５g??mm－２??h－１,耐腐蚀性能最好.