海洋工程用CHE607RH焊條熔敷金屬顯微組織與耐蝕性研究

范銀東，蔣 勇，羅昌森，陳 慧，阮詩憶

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自貢 643010；2.四川輕化工大學 材料科學與工程學院，四川 自貢 643000)

海洋平臺屬于超大型焊接鋼結構，隨著科技的不斷發展，正在向復雜化、大型化、高參數、嚴工況的方向發展[1]。由于海洋工程裝備及結構件是在苛刻的腐蝕性環境下工作，其水下結構長期受到海水及生物的侵蝕，因此對其耐蝕性提出了較高的要求，在焊接材料選用上必須滿足海洋工程的特殊要求，如焊接效率高、焊接質量穩定、擴散氫含量極低、強度要求高、低溫沖擊韌性要求高，具有良好的抗裂性能和良好的耐腐蝕性[2-4]。海洋工程用CHE607RH焊條是無裂紋鋼使用的超低氫鈉型船用焊條，擁有良好的缺口沖擊韌性和抗裂性能，可進行全位置焊接。該焊條適于焊接普通強度的船用鋼材建造的壓力容器、橋梁、水電站下降管及海洋工程等關鍵結構[5-6]。由于焊后冷卻速度與熱處理工藝的不同，其熔敷金屬的顯微組織會發生變化，本文結合顯微組織與力學性能對熔敷金屬的耐蝕性進行了研究，以此為海洋工程用CHE607RH焊條的應用提供理論參考。模擬海洋環境，對熱處理前后的熔敷金屬進行浸泡實驗和鹽霧實驗，研究熱處理溫度和保溫時間對熔敷金屬耐蝕性的影響。

1 實驗材料及方法

實驗材料為海洋工程用CHE607RH焊條，其化學成分(質量分數，%)為：0.08 C ， 1.5Mn ，0.30Si ，0.010S ，0.015P，1.03 Ni ，0.10Cr，0.24 Mo；應用手工電弧焊進行焊接實驗，焊接采用直流反接，焊接電流160A。將熔敷金屬試樣置于陶瓷纖維馬沸爐，分別進行250℃、600℃加熱，保溫30min、60min后，出爐空冷。應用尼康EPIPHOT200金相顯微鏡觀察分析樣品的顯微組織，HV-1000顯微維氏硬度計測量熔敷金屬的硬度值。經過熱處理的熔敷金屬樣品打磨拋光后模擬海水環境(3.5% NaCl鹽水)，進行浸泡實驗和鹽霧試驗。

2 結果與討論

2.1 顯微組織

2.1.1 熔敷金屬顯微組織

未經熱處理的CHE607RH焊條熔敷金屬顯微組織見圖1。

(a) 200×；(b) 500×

由圖1可見，焊條CHE607RH熔敷金屬顯微組織由鐵素體+珠光體+貝氏體構成。貝氏體是一種由含碳過飽和的鐵素體與碳化物組成的混合組織，圖中貝氏體為粒狀貝氏體。粒狀貝氏體是在低、中碳合金鋼奧氏體化后，以一定速度連續冷卻或在上貝氏體相變區高溫范圍等溫而形成的一種復相組織，由板條鐵素體作為基體，且在上面分布著富碳奧氏體島和它的轉變產物。一個粒狀貝氏體晶粒的形成，并不是貝氏體-鐵素體界面簡單地向未轉變的奧氏體中推移的結果，在其生長的前方可能有幾個或多個小晶體，而后匯結于一個晶粒，其生長也可能是不連續的[7]。

2.1.2 250℃熱處理后的顯微組織

CHE607RH熔敷金屬樣品于250℃下保溫30min、60min的顯微組織見圖2。

(a)30min 200×；(b)30min 500×；(c)60min 200×；(d)60min 500×

由圖2可見，250℃保溫30min、60min的熔敷金屬顯微組織都由鐵素體+珠光體+少量貝氏體構成。經過加熱保溫后，隨著保溫時間延長，鐵素體條略為長大，見圖2c、圖2d。圖2中的鐵素體為針狀鐵素體，針狀鐵素體能夠形成具有良好穩定性、高位錯密度、相互交錯的聯鎖組織，提高了組織的韌性。隨著保溫時間的增加，鐵素體變粗，組織的韌性與塑性能得到提高，但是硬度會降低[8]。

2.1.3 600℃熱處理后的顯微組織

CHE607RH熔敷金屬樣品于600℃下保溫30min、60min的顯微組織見圖3。

圖3a、圖3b可見，600℃下保溫30min后，CHE607RH熔敷金屬樣品顯微組織由鐵素體+珠光體+少量貝氏體構成。鐵素體呈樹枝狀，個別鐵素體條發生了聚集長大。圖3c、圖3d可見，600℃下保溫60min后，CHE607RH熔敷金屬樣品顯微組織是由鐵素體+珠光體構成，白色部分為鐵素體，深色部分為珠光體。圖3中的鐵素體均為針狀鐵素體，大量針狀鐵素體組織的存在能夠顯著提高熔敷金屬的抗拉強度、屈服強度，以及良好的伸長率和較低的屈強比，綜合力學性能比較好[9]。

(a)30min 200×；(b)30min 500×；(c)60min 200×；(d)60min 500×

2.2 硬度

應用HV-1000顯微維氏硬度計，測量熱處理前后CHE607RH熔敷金屬樣品的維氏硬度值，硬度值數據見表1。

表1 CHE607RH熔敷金屬樣品維氏硬度

由表1可見，CHE607RH熔敷金屬硬度值最高，達到了296HV0.2，經過600℃加熱保溫60min后，樣品硬度值降低至183HV0.2。由于CHE607RH熔敷金屬的顯微組織是鐵素體+珠光體+貝氏體，其中粒狀貝氏體對基體產生了強化作用，從而提高了熔敷金屬的硬度、強度。隨著樣品熱處理加熱溫度的提高和保溫時間的延長，熔敷金屬中的貝氏體組織分解成為鐵素體與碳化物，粒狀貝氏體的強化作用消失，硬度值發生明顯下降。樣品經過600℃加熱保溫60min后，顯微組織變為鐵素體+珠光體，硬度值降低至183HV0.2。

2.3 耐蝕性

2.3.1 海水模擬實驗

應用3.5%NaCl鹽水溶液模擬海洋環境進行耐蝕性浸泡試驗，將熔敷金屬樣品浸泡于3.5%NaCl溶液中放置1天、3天、8天、10天、12天，測量樣品的增重，用增重法公式計算樣品單位面積、單位時間的增重腐蝕速度。將試樣質量隨腐蝕時間的變化數據，繪制于圖4中。

圖4 樣品腐蝕增重(Δm)與浸泡時間關系曲線

熔敷金屬樣品經過十二天的浸泡腐蝕后，平均增重腐蝕速度見表2。

表2 12天平均增重腐蝕速度

綜合圖4與表2，經過十二天的浸泡腐蝕后，由600℃保溫60min處理的熔敷金屬樣品的耐蝕性最好，耐蝕性最差的是未處理的熔敷金屬原始樣品。經過600℃保溫60min處理后，熔敷金屬樣品顯微組織轉變為鐵素體+珠光體，樣品內部缺陷減少，耐蝕性提高。未處理的熔敷金屬原始樣品顯微組織是鐵素體+珠光體+貝氏體，樣品內部缺陷多，耐蝕性較差。

2.3.2 鹽霧實驗

熱處理前后CHE607RH熔敷金屬樣品鹽霧試驗后的腐蝕形貌見圖5。

圖5 鹽霧腐蝕形貌(a)原始樣；(b) 250℃×30min；(c) 250℃×60min；(d) 600℃×30min(e)600℃×60min

圖5可見，通過鹽霧試驗腐蝕形貌圖分析，由600℃×60min處理的CHE607RH熔敷金屬的腐蝕最小，即耐蝕性最好。隨著加熱溫度的提高和保溫時間的延長，熔敷金屬中的貝氏體組織分解，樣品內部缺陷減少，耐蝕性逐漸提高。圖5a，可見明顯的的鐵銹，還能觀察到河流狀溝壑。形成溝壑狀形貌的原因有兩方面，內因是NaCl溶液能夠促進腐蝕產物顆粒的快速生長，使得表層腐蝕產物疏松，容易脫落，外因是試樣在鹽霧試驗箱中的放置與垂直方向呈15～30°的角，沉降在試樣表面的鹽霧凝結，沿著試樣表面向下流動，沖刷表層疏松的腐蝕物質，形成溝壑形貌[10]。

試樣表面由于焊接缺陷的大量存在，加速了腐蝕速度。腐蝕反應原理是：陽極反應為鐵基體的溶解，并分解形成鐵離子Fe2+，陰極反應為電解質中的水及氧氣反應形成氫氧根離子OH-，總反應式形成鐵的氫氧化物Fe(OH)2，具體反應式如下：

陽極反應式：Fe→ Fe2+

陰極反應式：O2+ 2H2O+4e-→4OH-

總反應式：2Fe+O2+2H2O→ 2Fe(OH)2

由于Fe(OH)2為暫態產物，極易轉化為FeOOH(羥基氧化鐵)，FeOOH在不同的腐蝕時間、腐蝕環境下呈現不同的晶體類型。因此，腐蝕產物檢測到α- FeOOH和γ- FeOOH兩種類型。隨著腐蝕時間的增加，FeOOH會進一步分解為含鐵的氧化物，因此會看到試樣上生成紅棕色的Fe2O3和黑色的Fe3O4。

焊縫缺陷也產生明顯的腐蝕，如焊縫中產生的氣孔。氣孔不僅加速腐蝕，而且影響焊縫的致密性，產生應力集中，降低焊縫的韌性、強度和承載能力等。

3 結論

(1)CHE607RH焊條熔敷金屬顯微組織為鐵素體+珠光體+粒狀貝氏體，鐵素體為針狀鐵素體。經250℃×60min加熱保溫的熔敷金屬顯微組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體； 600℃×60min加熱保溫后，熔敷金屬樣品顯微組織為鐵素體+珠光體。

(2)CHE607RH熔敷金屬顯微組織中的粒狀貝氏體對基體產生了強化作用，從而提高了熔敷金屬的硬度，達到了296HV0.2。經過加熱保溫后，熔敷金屬中貝氏體組織分解，粒狀貝氏體的強化作用消失，硬度值發生明顯下降。經過600℃加熱保溫60min后，硬度值降低至183HV0.2。

(3)海水模擬實驗中，經過600℃×60min處理的熔敷金屬樣品的耐蝕性最好，耐蝕性最差的是未處理的熔敷金屬原始樣品。經過600℃保溫60min處理后，熔敷金屬樣品顯微組織轉變為鐵素體+珠光體，樣品內部缺陷減少，耐蝕性提高。

(4)鹽霧實驗顯示，由600℃×60min處理CHE607RH熔敷金屬的腐蝕最小，即耐蝕性最好。樣品表面的大量鐵銹是由焊接缺陷引起。