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铁素体不锈钢高温热影响区组织及焊接性能分析

作者:admin 来源: 日期:2018/12/15 20:09:01 人气:36

分析了T4003410L410S409L43030Cr1320Cr13不锈钢高温热影响区(HTHAZ)的显微组织和焊接性能。结果表明,T4003不锈钢的HTHAZ组织为70%M+F,铁素体晶粒大小为30μm409L不锈钢的HTHAZ为全铁素体粗大组织。410L410S430不锈钢的HTHAZ为铁素体晶界连续分布马氏体的双相组织,马氏体含量较少,铁素体晶粒粗大。20Cr1330Cr13HTHAZ基体为马氏体,并且在20Cr13中孤立分布有高温铁素体,在30Cr13中存在未溶解的碳化物。根据成分计算各钢种KF值,其在Kaltenhauser相图的位置基本与实际相符。弯曲试验表明只有KF小于一定程度的T4003钢具有良好的焊接性能,这不仅与低含量的CN有关,更重要是由奥氏体元素MnNi诱导HTHAZ中产生大量低碳马氏体,从而阻碍铁素体晶粒长大所致。

铁素体不锈钢不仅具有成本优势,而且耐蚀性能优异,在很多领域将逐渐代替奥氏体不锈钢。随着VOD冶炼技术的发展,C+N总含量小于150×10-6的成分设计变得容易实现[1],这使铁素体不锈钢在成形和耐蚀方面应用领域进一步扩大。然而,焊接性能是限制铁素体不锈钢应用的最大障碍,其高温热影响区(HTHAZ)仅有少量甚至没有γ相变,晶粒剧烈长大,力学、冲击和耐晶间腐蚀性能将极大降低[2-4]。引入奥氏体形成元素将扩大α+γ两相区,形成更多奥氏体阻碍铁素体长大,但却需要考虑奥氏体冷却过程中转变为马氏体所导致的焊接接头脆化问题。KaltenhauserLippold在预测焊缝组织方面做了大量工作。其中,Kaltenhauser研究了铁素体/马氏体不锈钢的组分相图,提出了铁素体因子(KF),用来确定铁素体不锈钢焊缝形成马氏体的倾向[5],而LippoldKaltenhauser因子开发出铁素体不锈钢相图[6]。此外,合适的焊丝材质可以保证焊缝具有良好的力学性能,然而铁素体不锈钢HTHAZ对焊接接头性能影响却很难消除。本文对酒钢生产的T4003410L410S409L43030Cr1320Cr13钢种焊接接头HTHAZ组织转变进行了研究,借鉴铁素体焊缝组织预测研究成果,分析了(C+N)含量、KF值对HTHAZ组织变化和性能的影响。

1试验方法

取厚度为4mm的热轧退火态T4003410L410S409L43030Cr1320Cr13钢种,化学成分如表1所示。T4003410L410S409L11%~12%的低Cr铁素体不锈钢,430为中Cr铁素体不锈钢,30Cr1320Cr13为马氏体不锈钢。T4003410L409L属于低碳不锈钢,T4003TiNb双稳定化不锈钢,且MnNi等奥氏体形成元素较高,409LTi稳定化钢。

采用直流氩弧焊机进行焊接,焊丝为准1.2mmER309L-SiI型坡口对接焊,间隙为1.6mm,工艺如表2所示。不进行预热和焊后热处理。利用显微镜观察母材和HTHAZ组织,按照GB/T15825.5-2008进行焊接接头正反面的折弯试验(MTSBHT5505,α=180°,D=2a)

2结果与分析

1为实验钢热轧退火态母材组织。可以看出,T4003410L410S430均沿着轧制方向呈现出竹节状或条带组织。409L和马氏体钢均为等轴晶粒,马氏体钢组织为F+Cr23C6,并且Cr23C6沿晶界和晶内析出。409L只在晶内析出少数碳化物。

2给出了实验钢HTHAZ的金相组织。可以看出,T4003不锈钢的HTHAZ形成了大量马氏体,含量在70%左右,铁素体晶粒尺寸在30μm以内,如图2(a)所示。410L410S409L430不锈钢的HTHAZ晶粒剧烈长大,尺寸均在150μm以上,如图2(b)~2(e)所示。410L410S430铁素体晶界连续分布马氏体组织,430不锈钢晶内存在大量点状Cr23C6析出物,410S410L则较少。409L不锈钢的HTHAZ为全铁素体组织,除了晶内弥散析出碳化物,还出现碳化物在晶界聚集析出的现象,如图2(d)所示。马氏体钢的HTHAZ组织基体是马氏体,组织细小。30Cr13含有少量碳化物,20Cr13在晶界分布有孤立的高温铁素体,如图2(f)和图2(g)所示。

3Kaltenhauser相图。可以看到,409L在全铁素体相区,30Cr13在全马氏体相区,其余钢种均在F+M双相区,Kaltenhauser相图预测结果基本符合HTHAZ实际组织,见图2。不同的是,Kaltenhauser预测30Cr13焊缝为全马氏体组织,而HTHAZ存在未溶解碳化物。这说明Kaltenhauser相图对预测马氏体不锈钢HTHAZ组织不十分精确,这是因为焊缝组织变化是从液态开始,而HTHAZ组织是从母材(退火态)开始转变的。30Cr13在焊接过程快速冷却抑制焊缝碳化物析出,却使HTHAZ中碳化物来不及溶解,因此保留部分碳化物。铁素体不锈钢的HTHAZ组织预测十分精确。对比图3和图2可看出,T4003成分最接近马氏体相界,马氏体含量最多。相反,越是接近铁素体相区的钢种,马氏体含量就越少。

4为不同钢种对应的KF值、(C+N)含量和折弯试验结果。可以看出,只有T4003铁素体不锈钢180°弯曲结果为合格,其余均出现裂纹。T4003具有和其他钢种不同的成分特点,相对30Cr1320Cr13马氏体不锈钢,其CN含量较低。相对其他铁素体不锈钢,T4003KF值最小,为7.34409L虽然(C+N)含量最低,但是其KF值却是最高,为14.45

3讨论

为了揭示成分对实验钢HTHAZ组织的影响,对焊接后的HTHAZ组织形成过程和性能进行了如下分析。T4003不锈钢由于高的Nieq当量,奥氏体相区非常宽,高温铁素体相区区间被极大压缩,焊接过程铁素体晶粒来不及长大就发生相变,有效阻碍晶粒长大,晶粒大小仅为30μm,如图2(a)所示。根据T4003成分计算TiNTiCNbNNbC在不同相区的固溶度积和形成热力学可知,Ti在液相几乎就和所有的N反应析出TiN,焊接过程中并不溶解,C则会在奥氏体相偏析冷却时保留在马氏体中或者在铁素体晶内形成NbTi的碳化物,这样避免CN化合物在晶界析出敏化。同时马氏体板条状束位向各不相同,这对提高焊接接头折弯性能和冲击韧性十分有效。410L410S430弯曲性能之所以不良,是有HTHAZ晶粒剧烈长大导致的,如图2所示。Cr13Cr17铁素体不锈钢相图表明[7],接近固相线温度时,铁素体中碳的溶解度在较高的水平,降至1000℃时溶解度已经几乎为零,因此HTHAZ铁素体中碳化物发生重新溶解和析出过程。同时焊接加热过程铁素体晶界最先发生奥氏体相变,C元素有更大的固溶度,碳化物在溶解过程一直向晶界奥氏体扩散,致使冷却转变的晶界马氏体周围基体没有析出物,晶内则存在点状Cr23C6析出,这在碳氮含量高的430最为明显,如图2(e)所示。虽然避免了晶界碳化物析出敏化,但是马氏体相溶解了更多的碳,且没有抑制铁素体剧烈长大,较T4003有较大的脆性。相对410S430410L有更低的CreqKF值,马氏体最易形成。对照图3和图2还可以看出,更高的Cr含量将促使形成更多的碳化物而不是马氏体,马氏体含量430<410S<410L,析出碳化物含量则相反。409L处于全铁素体相区,整个固相温度范围不存在相转变,如图3所示。焊接过程主要发生晶粒剧烈长大,这是导致折弯性能不良的重要原因。409LTi稳定化不锈钢,由于CTi相对Cr有更大的化学亲和势,优先形成TiCHTHAZ晶界中TiCCr23C6的析出则说明409L在焊接过程中就已经发生晶间敏化。JeongKilKim[8-11]等对409L进行固溶和时效处理发现晶界和晶内析出物均为TiC,焊接过程已经形成的TiC被重新溶解,并在晶界聚集析出,导致Cr在晶界TiC颗粒处偏析引起贫化,最终引起晶间腐蚀。JeongKilKim认为要避免409L敏化,碳含量要低于0.0023wt%Ti/(C+N)大于48.18。试验用钢Ti/(C+N)10.34,存在焊接敏化行为。30Cr13由于较高的碳含量,KF2.78Kaltenhauser相图预测为全马氏体组织,如图3所示。但是HTHAZ碳化物却没有完全溶解,如图2(f)所示。这是因为碳化物溶解速度与温度和时间都有关系,随着HTHAZ区域远离熔合线温度降低,碳化物溶解受到限制,只能聚集粗化。熔合线附近的碳化物也因为高温停留时间太短而未能完全溶解。20Cr13马氏体钢KF值较高为5.93,如图4所示。固相线温度以下不全为奥氏体,还存在高温铁素体,冷却过程中铁素体保留至室温,奥氏体则转变为马氏体[12,13],如图2(g)所示。

对比分析了各钢种HTHAZ组织和Kaltenhauser相图位置,HTHAZ紧挨着熔合线,具有和焊缝类似的相转变过程,Kaltenhauser相图基本可以准确预测铁素体不锈钢HTHAZ组织。和焊缝组织转变不同的是,HTHAZ中马氏体含量的多少与焊接参数和输入热有直接关系,这影响HTHAZ在奥氏体区停留的时间,最终影响马氏体形成数量,因此Kaltenhauser相图对HTHAZ组织的预测只能定性,它给出了铁素体不锈钢HTHAZ马氏体形成能力。对不同KF值铁素体不锈钢焊接组织和性能进行分析发现,低的碳氮和低的KF值设计有助于形成低碳马氏体,对改善焊接性能有很大作用,试验结果表明只有较低KF设计的T4003折弯试验为完好。低CN设计的铁素体不锈钢HTHAZ中具有更多的低碳马氏体,会有效制约铁素体晶粒长大和避免晶间析出物导致敏化。HTHAZ形成低碳马氏体的成分设计是有益的,因为铁素体晶粒长大可明显增加韧脆转变温度,而HTHAZ为低碳马氏体的焊接接头依然具有良好的弯曲性能和冲击韧度。已经对T4003不锈钢HTHAZ低温冲击韧度进行了研究,发现其-40℃冲击功仍大于10J,一般铁素体不锈钢却不能达到。

4结论

(1)T4003不锈钢HTHAZ70%M+F的双相组织,铁素体晶粒在30μm以内。而409L为粗大晶粒的全铁素体组织,410L410S430不锈钢存在少量晶界马氏体,铁素体基体仍然粗大。马氏体钢的HTHAZ主要为马氏体,20Cr13分布有高温铁素体,30Cr13含有未溶碳化物。

(2)Kaltenhauser相图基本可以预测铁素体不锈钢的HTHAZ组织,HTHAZ具有和焊缝类似的相转变过程。

(3)409L不锈钢处于全铁素体相区,不可避免晶粒长大。T4003添加NiMn奥氏体形成元素具有较小的KF值,焊接过程HTHAZ形成大量马氏体,有效制约铁素体晶粒长大。

(4)在低CN设计基础上,铁素体不锈钢较低的KF值成分设计对改善焊接性能十分有效。