00Cr22Ni5Mo3N超低碳双相不锈钢焊缝组织及力学性能研究

 浙江至德钢业有限公司选取00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢为研究对象，采用焊条电弧焊和钨极氩弧焊对其进行焊接，然后观察接头组织并测试接头的力学性能。依据00Cr22Ni5Mo3N的性能主要取决于接头组织中相比例的特点，对比焊接工艺方法对焊缝组织和力学性能的影响。最后，对比不同热处理温度对接头的组织和力学性能影响。结果是热输入为1.2kJ/mm的氩弧焊焊接工艺可以得到优良的焊缝组织和良好的力学性能，同时热影响区的组织在1050℃固溶处理后组织细小且分布均匀。

  双相不锈钢具有奥氏体不锈钢的优良韧性、良好的加工性、焊接性能以及铁素体不锈钢的较高强度和耐氯化物腐蚀的性能，因而被广泛用于医药、石油化工、建筑和造纸等行业中。工程上，应用最多的双相不锈钢是00Cr22Ni5Mo3N双相钢。另外，焊接是双相不锈钢的重要加工手段，但双相钢又是公认的难焊接材料。在双相不锈钢的实际使用中不仅要求母材具有优良的性能，同时对焊接接头性能也有着同样严格的要求。根据文献，双相不锈钢在焊接过程中接头中的两相比例会因为焊接热循环的影响而失调，且有金属相和氮化物析出，这会导致双相不锈钢接头的韧性和耐蚀性下降。同时在焊接热循环的作用下，热影响区处于快冷非平衡态，冷却后可能会保留更多的铁素体，导致接头的腐蚀倾向和氢致裂纹的敏感性增大。对于焊接方法，像常见的焊条电弧焊(SMAW)、钨极氩弧焊(GTAW)、药芯焊丝电弧焊(FCAW)和等离子焊(PAW)等焊接方法均可用于双相不锈钢的焊接。本试验旨在了解和掌握双相不锈钢00Cr22Ni5Mo3N的焊接工艺，组织变化和力学性能表现。

一、试验材料和方法

  本次试验使用的00Cr22Ni5Mo3N双相钢材料由张家港广大机械有限公司生产，将钢锭经过锻打、热处理和机械加工制成10 mm厚的板材进行对接焊。分别选用GTAW和SMAW两种方法焊接。为了在焊后冷却过程中有足够的奥氏体相变，焊缝中的镍含量相对母材要高出2%~7%。SMAW的焊条选择碱性焊条E2209，直径为3.2 mm；GTAW选择ER2209焊丝，直径为2.5mm。母材和填充材料的化学成分见表。

  将00Cr22Ni5Mo3N板材加工成190mm×80mm×10mm的规格。焊接前用丙酮清洗焊接坡口及两侧各50mm。为了考虑焊接热循环的影响，试验中采用多层多道焊接，并在反面清根后再焊一道。因为过高的层间温度会造成焊缝中脆性相的析出，因此层间温度应控制在150℃以下。为了保证焊透，同时考虑到焊接热输入也会影响焊缝两相比例，综合考虑，热输入的值控制在0.5~1.5kJ/mm。具体的焊接工艺和焊接坡口见表和图。其1#、2#为钨级氩弧焊试样，3#为焊条电弧焊试样。

双相不锈钢的出色性能与其组织中的相比例有密切的关系，根据双相不锈钢的等温转变曲线和双相不锈钢冷却连续转变曲线，选取3个固溶温度分别为950、1050、1150℃，并保温1小时，以大于25℃/秒的冷却速度快速水冷。

二、结果及分析

  1. 焊态组织和相比例分析

  图是利用Axio Scope.A1蔡司显微镜拍摄的3个试样的焊缝和热影响区的组织，所用的腐蚀液为5ml盐酸+1g苦味酸+100ml酒精溶液。表3是根据ASTME562《用系统人工点计数法测定体积分数的试验方法》记录的3个试样焊缝和热影响区中的奥氏体的体积分数。00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢焊缝在凝固初始时，几乎全是铁素体组织。进一步冷却过程中，奥氏体相在铁素体晶界开始生核长大。冷却到室温后形成铁素体-奥氏体双相组织。由图可知，在焊缝组织中，奥氏体相为羽毛状的铸态组织。由于采用了多层多道焊，后一层对前一层起到热处理的作用能让焊缝中的奥氏体有充足的时间从铁素体中析出，形成奥氏体占优的焊缝组织。为了保证00Cr22Ni5Mo3N双相钢接头的综合性能，所以要保证焊缝中铁素体的含量控制在30%~45%为宜。

  在焊接过程中，焊缝附近的热影响区组织经受了焊接热循环的特殊热处理。对比图，因为1#试样采用了较小的热输入使得冷却速度加快，热影响区中奥氏体来不及充分析出，所以热影响区中的铁素体含量过高。图相比较，在相同的热输入的情况下，由于SMAW对接头的保护作用差使得热影响区的组织粗大，铁素体含量也较高。所以3组试样中2#试样的接头组织最接近1:1。

 2. 拉伸试验

  根据GB/T228.1-2010《金属材料拉伸试验》，用UTM5205X型电子万能试验机对3种不同焊接工艺下的试样进行拉伸试验。图为横向拉伸试样尺寸，每个试样测2次取其平均值。

  因为1#、2#试样接头热影响区的组织和相比例接近1:1，因而其力学性能也会更好，它们的断裂位置在母材也证明了其力学性能已经接近甚至高于母材。3#试样由于接头受到多次热循环的影响，造成铁素体晶粒粗大，降低了接头的抗拉强度，因此断裂处在焊缝。同时根据雒设计等[8]研究显示，00Cr22Ni5Mo3N双相钢焊缝析出物为Fe-Cr-Mo的金属间化合物σ相。接头中有σ相的存在阻碍了奥氏体和铁素体相内的位错运动，产生位错塞积，位错聚集在σ相周围会产生应力集中，导致材料脆性开裂，从而使接头的韧性和塑性显著下降。

  3. 硬度测试

采用HXD-1000TMSC/LCD显微硬度计测试硬度，加载4.903 N，加载时间15秒。从母材、热影响区、焊缝金属依次测量，每个区域均测量3次，测量结果如图所示。由于铁素体相的强度要高于奥氏体相，所以铁素体相的显微硬度要高于奥氏体相的显微硬度。由图4可知，热影响区的硬度最高，这是由于获得接头的热影响区中的铁素体相含量增多所致。同时，在接头焊接过程中，所采用的焊丝比母材含有更多的合金元素含量。铬、钼、镍原子能置换晶格中的铁原子，扰乱晶格排列，使得位错的移动困难，从而使接头的硬度值提高。

  4. 拉伸断口扫描电镜分析

  图为采用JSM-6510LA扫描电镜拍摄的3#试样的断口。塑性断裂的韧窝大小、深浅和数量决定于材料断裂时微孔的核心数量(夹杂物或第二相质点)和材料本身的塑性。若微孔的核心数量多或材料的塑性较低，则韧窝的尺寸小、数量多且较浅。通常，韧窝越大越深，材料的塑性越好。在3#试样断口中发现出现较多的夹杂物或者第三相质点，所以使得3#试样的接头抗拉强度降低。

  5. 固溶处理

  根据文献所述，00Cr22Ni5Mo3N双相不锈钢在焊接中的主要问题不在焊缝，而是在热影响区，即对热影响区双相比例的控制。固溶处理可控制组成相中铁素体相和奥氏体相的比例。图6(a)为1#试样未经过固溶的热影响区组织，因为1#试样采用了较小的热输入使得冷却速度加快，热影响区中奥氏体来不及充分析出，热影响区中的铁素体含量过高。由图可见，奥氏体含量随着固溶温度升高先增加后减小，在1050℃时奥氏体含量最高且组织分布更加均匀。

  由表可知，热影响区在焊接过程中受热循环的作用，晶粒粗大，同时热影响区是一个母材区和焊缝区的交界处，晶粒分布不均匀，所以未经过固溶处理的热影响区的硬度较高。经过固溶处理可以使得组织分布均匀，随着固溶温度的升高铁素体含量也随着增加。因为面心立方的奥氏体塑性与韧性良好，而体心立方的铁素体在室温下具有更高的强度和硬度，所以铁素体含量增加，使得显微硬度也增加。

三、结论

  1. 钨级氩弧焊的焊接接头性能要明显好于焊条电弧焊的接头，这是因为焊条电弧焊接头保护作用差，得到的焊缝组织相比例偏差较大，晶粒分布不均匀。

  2. 线能量的大小影响焊接接头的两相比例、晶粒大小和力学性能，采用合适的热输入量可以得到晶粒细小、力学性能和抗腐蚀性优异的焊件。但是如果线能量过小，会导致冷却速度较快，最终的热影响区组织中的奥氏体含量偏小。

  3. 对焊接试件进行1150℃保温1小时后快速水冷，可以提高焊缝及热影响区的奥氏体含量，细化晶粒，提高焊接接头的韧性。