低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬組織性能研究

王猛，陳波，徐亦楠，梁曉梅，肖祥勇，武鵬博，孫徠博

1.哈爾濱威爾焊接有限責任公司 黑龍江哈爾濱 150060

2.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

3.福建青拓特鋼技術研究有限公司 福建寧德 355006

1 序言

低鎳含氮奧氏體不銹鋼是一種性能優良、生產成本較低的節鎳型不銹鋼材料，它固溶一定含量的氮，可以提高材料強度、韌性及耐蝕性，具有廣泛的應用領域與廣闊的應用前景[1]。

戴紅等[1]采用埋弧焊技術研究了不同焊接熱輸入對低鎳高氮奧氏體不銹鋼焊接接頭組織和性能的影響，配套使用的焊接材料是SAW308L埋弧焊絲和SJ601A埋弧焊劑；方乃文等[2]采用激光-電弧復合焊接技術研究了保護氣體對電弧特性及組織性能的影響規律，配套使用的焊接材料是ER308L氣體保護焊絲；馮家瑋等[3]采用脈沖TIG非填絲技術研究了低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊接接頭組織性能，并對不同焊接熱輸入條件下的焊接溫度場及殘余應力場進行了模擬。

根據現有文獻，尚未見到關于低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊條的相關研究報道，文中采用自主開發設計的低鎳不銹鋼焊條進行低鎳高氮奧氏體不銹鋼焊接，對獲得的熔敷金屬微觀組織結構、力學性能和耐腐蝕性能等進行了研究。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗用焊接材料為自主開發設計的低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊條，直徑為4.0mm，其熔敷金屬化學成分見表1。

表1 試驗用焊條熔敷金屬化學成分（質量分數）（%）

熔敷金屬力學性能試板采用08Cr19MnNi3Cu2N低鎳高氮奧氏體不銹鋼板。采用45°V形坡口形式，坡口根部間距為12mm，試板尺寸規格為400mm×300mm×25mm。焊接參數見表2。

表2 試驗用焊接參數

2.2 試驗方法

熔敷金屬化學成分分析用試件制備按ASME SFA-5.4中圖A1的要求進行；熔敷金屬鐵素體試件的制備按ASME SFA-5.4中圖A2的要求進行，并按ASME第Ⅲ卷NB-2433要求使用磁性法測定焊態熔敷金屬的δ鐵素體含量；室溫全焊縫金屬拉伸試驗按AWS B4.0M標準進行，試樣直徑12.5mm；室溫V型缺口沖擊試驗按照AWS B4.0M標準進行，試樣尺寸為10mm×10mm×55mm；晶間腐蝕試驗按ASTM A262中E法執行，試樣尺寸為75mm×10mm×5mm。

焊前打磨試板表面及坡口范圍，并用丙酮去除油污。用光學顯微鏡（OA）觀察熔敷金屬的組織形貌；用顯微硬度計對熔敷金屬組織進行硬度測量；用德國菲希爾FMP鐵素體測量儀對熔敷金屬中鐵素體含量進行測定；用XRD對熔敷金屬相組成及含量進行測定。

3 試驗結果與分析

3.1 熔敷金屬氣孔

氣孔是低鎳含氮不銹鋼焊接過程中常見的缺陷之一，熔敷金屬X射線檢測結果如圖1所示。由圖1可知，未發現夾渣、未熔合和咬邊等缺陷，但在收弧位置發現了極少量氣孔。這是由于在收弧位置的焊接電弧不穩定，且氮在焊接熔池中的溶解度有限，因此氮元素在熔池中存在濃度起伏，當局部濃度比平衡濃度高時，過飽和的氮便會逸出從而形成氣孔，需通過控制焊接電弧來避免收弧位置出現氣孔。

圖1 熔敷金屬X射線檢測結果

3.2 熔敷金屬力學性能

低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊條熔敷金屬力學性能見表3。由表3可看出，熔敷金屬具有良好的拉伸性能和沖擊性能。在奧氏體-鐵素體不銹鋼中，由于奧氏體相與鐵素體相之間相互作用將產生微應力來維持不同位向晶粒間的平衡，這種應力對材料的應力腐蝕開裂和屈服等行為有顯著影響，因此會直接影響材料的強度。低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊條利用錳、氮相結合代替合金元素鎳以獲得奧氏體組織，錳元素能夠穩定奧氏體，顯著提高氮在焊縫中的溶解度，從而提高氮在焊縫中的含量，促進了晶粒細化[4]。因為晶粒越小，晶界就會越多，所以對位錯運動的阻礙作用就越強烈，從而材料形變的阻力也就越高。因此，一方面可以提高熔敷金屬的拉伸性能和顯微硬度，另一方面也能有效地保證其沖擊性能。

表3 熔敷金屬力學性能

3.3 熔敷金屬顯微組織結構

氮是一種強烈的奧氏體形成元素，且具有細晶強化與固溶強化的作用。熔敷金屬的顯微組織如圖2所示，主要由奧氏體基體和離散于其中的骨骼狀鐵素體構成，鐵素體含量（體積分數）約為5.5%。利用鐵素體含量測量儀對熔敷金屬進行鐵素體含量測定，結果為6.2%，鐵素體測量結果與金相法結果基本吻合。熔敷金屬沖擊斷口的掃描電鏡圖像如圖3所示，呈現明顯的韌窩形貌，保證了良好的沖擊性能。

圖2 熔敷金屬顯微組織

圖3 掃描電鏡圖像

3.4 XRD分析

σ相、Cr2N及Fe4N等有害相在低鎳含氮不銹鋼焊接過程中容易析出，會嚴重破壞熔敷金屬組織的綜合性能，XRD分析結果如圖4所示。由圖4可知，熔敷金屬組織并未發現σ相、Cr2N及Fe4N等有害相析出，這表明熔敷金屬力學性能較好。

圖4 XRD分析結果

3.5 熔敷金屬耐晶間腐蝕性能

研制的低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊條利用錳、氮相結合的作用，既能降低形變馬氏體的形成概率，也極大地提高了熔敷金屬的抗裂性和耐腐蝕能力。熔敷金屬試樣經過675℃×1h敏化處理后，按ASTM A262中E法進行晶間腐蝕試驗，未發現晶間腐蝕傾向，如圖5所示。相關研究認為，在焊接過程中氮能夠促進鐵素體中鉻、鉬轉移到奧氏體中，從而提高奧氏體組織中的點蝕電位，而且氮在奧氏體中的擴散速度遠高于碳、磷、硅等元素[5]，因此氮在析出過程優先在晶界附近偏聚，可減緩甚至抑制鉻的碳化物析出[6]，從而提高熔敷金屬的耐晶間腐蝕性能。

圖5 晶間腐蝕結果

4 結束語

1）新開發的低鎳含氮奧氏體不銹鋼焊條具有優異的力學性能，熔敷金屬的抗拉強度可達780MPa，室溫沖擊吸收能量達到80J。

2）熔敷金屬的耐晶間腐蝕性能優良，未發現晶間腐蝕傾向。

3）熔敷金屬的顯微組織主要由奧氏體和離散于其中的少量狀鐵素體構成，未發現σ相、Cr2N及Fe4N等有害相。