鎳、鉻對高強鋼金屬粉型藥芯焊絲熔敷金屬組織與性能的影響

薛飛飛，張英喬，孟慶潤，王 寶

(1.中北大學材料科學與工程學院，山西 太原 030051;2.武漢鐵錨焊接材料股份有限公司，湖北 武漢 430085)

0 前言

近年來，抗拉強度850 MPa以上的低合金高強鋼在軍工行業、海上采油平臺、工程機械等領域得到了廣泛應用，但與其配套的高強鋼用藥芯焊絲品種很少，且基本依賴進口，因此國內對研制強度高且韌性優良的藥芯焊絲有迫切的需求。

藥芯焊絲分為酸性、堿性、自保護型及金屬粉型藥芯焊絲四類［1］。其中金屬粉型藥芯焊絲具有熔敷速度快、電弧特性優良、焊縫成形好、擴散氫含量低及熔渣含量少等特點［2］，在生產中得到了廣泛的應用。更為重要的是此類焊絲配方中可添加較多量的多種合金元素，對提高熔敷金屬的綜合性能非常有利，因此本次高強鋼用藥芯焊絲的研制選擇金屬粉型藥芯焊絲。

影響熔敷金屬強度與韌性的一個重要因素是熔敷金屬中合金元素的種類、含量以及相互之間的配比［3］。Ni、Cr均為熔敷金屬中重要的合金元素，不同含量的Ni、Cr對焊縫組織與性能影響顯著。Ni的固溶強化作用中等，能提高強度，細化鐵素體晶粒，并且在不影響強度的情況下提高韌性，尤其是焊縫組織的低溫沖擊韌性;Cr能增加組織淬透性，提高抗拉強度，與Ni配合可顯著提高焊縫金屬的強度和韌性［4］。一定量的Cr能促進貝氏體轉變，抑制針狀鐵素體的生成［5］，但過量的Cr會降低焊縫金屬的韌性和延伸率，因此，兩者的配合尤其重要。在此研究不同含量的Ni、Cr對熔敷金屬強度、韌性及微觀組織形態等的影響，以此確定高強鋼金屬粉型藥芯焊絲中合適的Ni、Cr添加量。

1 試驗材料和方法

試驗的金屬粉型藥芯焊絲直徑1.2 mm，填充率15%～17%，焊接方法采用熔化極氣體保護焊，焊接設備為NB－500時代氣保護焊機，保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%，焊接電流為210～250 A，電弧電壓28 V，氣體流量20 L/min，焊接速度20～22 cm/min。熔敷金屬化學分析試樣制備方法如圖1所示。

圖1 熔敷金屬化學分析試樣制備方法Fig.1 Preparation methods of deposited metal specimens for chemical analysis

圖2 試板尺寸和多道焊示意Fig2 Specimens size and multilayer welding schemes

試板焊接按照GB/T17493－2008低合金鋼藥芯焊絲標準進行，直流平板對接，每個焊件共焊接5層12道，層間溫度保持在100℃左右。試板尺寸和多道焊示意如圖2所示。拉伸與沖擊試驗分別按照GB/T 2652－2008與GB/T 2650－2008進行，沖擊試驗溫度為－40℃。熔敷金屬經不同型號砂紙研磨、拋光后，用4%硝酸酒精腐蝕，采用LEICA DM2500M型光學顯微鏡觀察金相組織。

2 試驗結果與討論

2.1 Ni對熔敷金屬性能及組織的影響

不同Ni含量的高強鋼用金屬粉型藥芯焊絲熔敷金屬化學成分如表1所示。不同Ni含量時的熔敷金屬力學性能試驗結果如表2所示。

金屬粉型藥芯焊絲一個重要的特點就是可以通過調整藥粉中合金元素的含量來改變熔敷金屬的化學成分，從而改善熔敷金屬的力學性能。

碳含量在0.02% ～0.18%時，可以保證熔敷金屬的力學性能和鐵水流動性［6］。在此將碳含量控制在0.07%左右，由于Ni能細化組織，Ni的固溶還能提高低溫韌性，一般Ni的加入范圍控制在2.0% ～5.0%。首先保證Cr含量不變，微調Ni含量，以獲得強度較高，韌性較好的熔敷金屬。

表1 不同Ni含量的試驗焊絲熔敷金屬化學成分Tab.1 Chemical composition of deposited metal with different content of Ni %

表2 不同Ni含量時的熔敷金屬力學性能Tab.2 Mechanical properties of deposited metal with different content of Ni

由表2中不同Ni含量時的熔敷金屬力學性能可知，隨著熔敷金屬中Ni含量由2.78%增加到3.38%，抗拉強度和沖擊韌性變化不大，而伸長率和斷面收縮率明顯降低。

不同Ni含量時的熔敷金屬金相組織照片如圖3所示。A1試樣熔敷金屬典型金相組織照片如圖3a、圖3b所示，組織晶粒非常細小，熔敷金屬中存在大量的細晶鐵素體(FGF)、貝氏體(B)及少量針狀鐵素體(AF)。圖3c為A2試樣熔敷金屬的金相組織照片，組織晶粒細小，熔敷金屬組織以針狀鐵素體為主，還有少量側板條鐵素體及貝氏體。圖3d中A3試樣的熔敷金屬組織以針狀鐵素體組織為主，還有塊狀鐵素體、貝氏體及馬氏體(M)組織。隨著熔敷金屬中Ni含量從2.78%增加到3.38%，鐵素體、馬氏體明顯增多，側板條鐵素體、貝氏體含量減少。有研究［6］發現，先共析鐵素體、側板條鐵素體、馬氏體含量高的情況下，會降低韌性，這些結構優先為裂紋擴展提供了路徑，所以要減少或避免這些組織的形成。

圖3 不同Ni含量時的熔敷金屬金相組織照片Fig 3 The microstructures of deposited metals with different content of Ni

在Ni含量為2.78%時，熔敷金屬的強度高，塑性、韌性好，這是由于Ni的固溶強化作用的結果，并且此時熔敷金屬的組織細小，改善韌性的組織含量較多，如組織中含量較高的細小貝氏體，以及少量的針狀鐵素體等，這些組織呈大角度晶界，斷裂時裂紋擴展路徑曲折，裂紋的擴展功高，這對提高低溫韌性非常有利［7］。Ni可以細化鐵素體晶粒，使得鐵素體的片層逐漸變得更細小，細化晶粒是一種可同時提高強度和韌性的技術手段，Ni含量升高時，塑性急劇降低，這可能是由于馬氏體含量增多的結果。本研究中 Ni最合適的添加量為2.78%。

Ni的主要作用是提高焊縫金屬的低溫韌性，其固溶強化作用有限，對進一步提高強度沒有太大幫助，而Cr可以大幅提高抗拉強度，要想獲得更高的強度，需要增加Cr的含量。但是同時Cr還降低焊縫的低溫韌性和延伸率，因此必須嚴格控制加入［8］。

2.2 Cr對熔敷金屬性能及組織的影響

不同Cr含量的高強鋼用金屬粉型藥芯焊絲熔敷金屬化學成分如表3所示。不同Cr含量的熔敷金屬力學性能試驗結果如表4所示。

表3 不同Cr含量的試驗焊絲熔敷金屬化學成分Tab.3 Chemical composition of deposited metal with different content of Cr %

表4 不同Cr含量時的熔敷金屬力學性能Tab.4 Mechanical properties of deposited metal with different content of Cr

當熔敷金屬中Cr含量由0.41%增加到0.82%時，抗拉強度顯著增加，塑性和韌性卻大幅降低。B3試樣熔敷金屬的伸長率甚至減小到10%。這與熔敷金屬中不同Cr含量時，顯微組織的不同有關。

不同Cr含量時的熔敷金屬金相組織照片如圖4所示。

圖4a為B1試樣熔敷金屬的金相組織照片，熔敷金屬組織以板條貝氏體為主，有少量針狀鐵素體，圖4b中B2試樣熔敷金屬組織中有大量的貝氏體、馬氏體以及少量針狀鐵素體。圖4c、圖4d中B3試樣熔敷金屬組織以貝氏體、馬氏體為主。貝氏體、馬氏體可以顯著增加熔敷金屬的強度，但是對塑性、韌性不利。

圖4 不同Cr含量時的熔敷金屬金相組織照片Fig 4 The microstructures of deposited metals with different content of Cr

當Cr含量為0.41%時，熔敷金屬中以條狀貝氏體為主的組織對強度和韌性都有很好的作用，能獲得較高的強度和較好的韌性。Cr含量增加到0.82%時，由于大量馬氏體和貝氏體的存在，熔敷金屬的強度很高，但是塑性韌性明顯較低。所以Cr對強度的提高有很大作用，但是對沖擊韌性有不利的影響。Jorge［9］等研究了Cr對C－Mn鋼熔敷金屬的組織和韌性的影響，結果表明，Cr含量在0.4% ～0.5%時，沖擊韌性最好，Cr含量超過0.5%時，韌性顯著下降，本研究與其得出的結果相似。

比較表2和表4中不同Ni、Cr含量時熔敷金屬的力學性能可知，在提高抗拉強度方面，Cr的作用效果比Ni好;但是在改善熔敷金屬的低溫韌性方面，Ni對韌性的提高有積極的作用，而Cr對韌性卻有不利的影響。在w(Ni)=2.90%，w(Cr)=0.41%時，熔敷金屬的力學性能最好。

3 結論

(1)以貝氏體+少量針狀鐵素體為主的熔敷金屬，其強度高，塑性、韌性好，并且組織所占比例取決于熔敷金屬的化學成分(如Ni、Cr等)及含量。

(2)不同含量的Cr和Ni對熔敷金屬的組織與力學性能有較大的影響。隨著Ni含量的增加，針狀鐵素體、馬氏體增多，貝氏體、側板條鐵素體含量減少;強度和韌性變化不大，塑性大幅降低。Ni含量為2.78%時熔敷金屬的力學性能較好。隨著Cr含量的增加，貝氏體、馬氏體含量增加;Cr對熔敷金屬抗拉強度的提高有很大作用，但是會造成塑性沖擊韌性的降低。在提高抗拉強度方面，Cr的作用效果比Ni好得多。

(3)合適的合金元素配比可以使得熔敷金屬具有很好的強度和沖擊韌性。w(Ni)=2.90%，w(Cr)=0.41%時熔敷金屬力學性能最好，其抗拉強度達到938 MPa，－40℃時的平均沖擊吸收功達到51 J，并且伸長率和斷面收縮率都較高。

［1］田志凌，潘川，梁東圖.藥芯焊絲［M］.北京:冶金工業出版社，1999.

［2］李建海，陳邦固.新型金屬芯藥芯焊絲的開發和應用［J］.焊接技術，2001，30(3):47 －50.

［3］王君民.堿性焊條中Mo、Ni對焊縫強度與韌性的影響［J］.材料開發與應用，2007，22(5):30 －31.

［4］楊功斌.低合金高強鋼焊絲研制及焊接工藝研究［D］.沈陽:沈陽航空航天大學，2011.

［5］Bose－Filho W W，Carvalho A L M，Strangwood M.Effects of alloying elements on the microstructure and inclusion formation in HSLA multipass welds［J］.Materials Characterization，2007(58):29 －39.

［6］Zhang Z，Farrar R A.Influence of Mn and Ni on the Microstructure and toughness of C－Mn－Ni Weld Metals［J］.Welding research supplement，1997:183 －196.

［7］王愛華，彭云，肖紅軍，等.690 MPa級HSLA鋼焊縫金屬的顯微組織與沖擊韌性［J］.焊接學報，2013，34(4):7－10.

［8］劉玉雙，韓海峰，呂奎清，等.一種高強度高韌性金屬粉芯型藥芯焊絲:中國，CN102179640A［P］.2011 －09－14.

［9］Jorge J C F，Souza L F G，Rebellon J M A.The effect of chromium on the microstructure/toughness relationship of C － Mn weld metal deposits［J］.Materials Characterization，2001(47):195 －205.