G18NiMoCr3-6鑄鋼焊接接頭低溫沖擊性能不合格原因

李 明, 李金紅, 李 輝, 劉 月

(錦州捷通鐵路機(jī)械股份有限公司 檢測中心,錦州 121116)

G18NiMoCr3-6低合金高強(qiáng)度鑄鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性,可用于生產(chǎn)軌道交通中的關(guān)鍵零部件。但合金鋼的砂型鑄造易受鑄件尺寸、壁厚、原材料、氣候、操作方法等因素的制約,鑄件經(jīng)常出現(xiàn)縮松、砂眼、氣孔、夾雜等鑄造缺陷。對于鑄件表面較大的缺陷,在熱處理前可對其進(jìn)行補(bǔ)焊。為了嚴(yán)格控制G18NiMoCr3-6鋼缺陷的補(bǔ)焊質(zhì)量,必須進(jìn)行焊接工藝評定,以驗(yàn)證焊接及焊后熱處理工藝的正確性[1]。某單位制備了焊評試驗(yàn)用焊接接頭,其母材材料為G18NiMoCr3-6鑄鋼,焊材選用CHE857CrNi低合金高強(qiáng)鋼焊條,采用焊條電弧焊焊接,焊后接頭的宏觀形貌如圖1所示。對焊后接頭整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理,其工藝為：900 ℃,3 h,油冷+560 ℃,3 h,油冷。在對焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測試過程中,發(fā)現(xiàn)試樣的低溫(-40 ℃)沖擊性能不合格。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法查明了G18NiMoCr3-6鑄鋼焊接接頭低溫沖擊性能不合格的原因,以避免該類問題再次發(fā)生。

圖1 G18NiMoCr3-6鑄鋼焊接接頭的宏觀形貌

1 理化檢驗(yàn)

1.1 力學(xué)性能測試

在圖1所示位置的焊接接頭上取力學(xué)性能測試試樣,依據(jù)GB/T 2651—2008 《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》對試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),其中沖擊試樣為夏比V型缺口,缺口位于焊縫金屬上,缺口面平行于接頭。依據(jù)GB/T 2650—2022 《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 沖擊試驗(yàn)》對試樣進(jìn)行低溫沖擊試驗(yàn),結(jié)果如表1所示。由表1可知：焊接接頭的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,試樣的低溫沖擊吸收能量的平均值僅為8.8 J,遠(yuǎn)低于技術(shù)要求(≥27 J)。

表1 焊接接頭的力學(xué)性能測試結(jié)果

1.2 宏觀觀察

沖擊試樣斷口的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口齊平,呈銀白色結(jié)晶狀,可見放射狀條紋,無纖維區(qū)和剪切唇,僅存在放射區(qū),為宏觀脆性斷裂;斷口A區(qū)放射紋較細(xì)膩,B區(qū)放射紋粗糙。試樣在擺錘沖擊力的作用下,缺口側(cè)(A區(qū))受拉應(yīng)力,不開口側(cè)(B區(qū))受壓應(yīng)力,當(dāng)裂紋進(jìn)入壓應(yīng)力區(qū)時(shí),壓縮變形對裂紋起到了阻滯作用,使裂紋擴(kuò)展速率變慢[2-3]。

圖2 沖擊試樣斷口的宏觀形貌

1.3 化學(xué)成分分析

在焊接接頭的垂直于焊縫處取樣,對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示,可見焊縫金屬的化學(xué)成分滿足焊材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對熔敷金屬的要求。

表2 焊縫金屬的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.4 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

沖擊試樣斷口的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：裂紋源區(qū)呈沿晶斷裂特征,斷口晶粒大小與淬火加熱時(shí)的奧氏體晶粒大小相當(dāng);裂紋擴(kuò)展區(qū)均呈“冰糖塊狀”的沿晶斷裂形貌,存在沿晶二次裂紋和少量準(zhǔn)解理花樣;斷口晶面上存在大量析出物,其中包括較大顆粒析出物和較小顆粒的析出物薄殼,還有夾雜物及夾雜物脫落后留下的顯微孔洞。

圖3 沖擊試樣斷口的SEM形貌

對斷口晶面上的較大顆粒析出物和準(zhǔn)解理區(qū)域的金屬基體進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖4和表3所示。由圖4和表3可知：析出物主要含有Fe、C等元素,其中C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15.92%,Fe元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為83.42%,Si、Mn、Cr、Ni等元素含量較少;金屬基體的C元素含量遠(yuǎn)低于析出物,Si、Mn、Cr、Ni等元素含量均高于析出物,可以推斷析出物主要為Fe3C。

表3 斷口晶面析出物與金屬基體能譜分析結(jié)果 %

圖4 斷口晶面析出物與金屬基體的能譜分析位置及譜圖

將斷口處焊縫金屬磨拋后,觀察夾雜物的SEM形貌,并對夾雜物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：夾雜物呈球狀,主要含有O、Al、Mn等元素,夾雜物為球狀A(yù)l、Mn氧化物。

圖5 夾雜物的SEM形貌及能譜分析結(jié)果

1.5 金相檢驗(yàn)

對焊縫金屬拋光面進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：焊縫金屬中含有大量球狀夾雜物;焊縫金屬的顯微組織為回火索氏體,晶界清晰,可觀察到條狀析出物和球狀夾雜物沿晶界分布。

圖6 焊縫金屬的金相檢驗(yàn)結(jié)果

1.6 回火工藝試驗(yàn)

采用相同材料、相同焊接工藝制備回火試驗(yàn)用接頭,接頭整體經(jīng)900 ℃淬火后,垂直于焊縫將其切割成7塊,用不同溫度回火,保溫3 h,油冷。分別對不同回火溫度下的焊縫金屬及母材的沖擊性能和布氏硬度進(jìn)行測試,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：在640～660 ℃回火溫度下,焊縫金屬及母材的沖擊吸收能量不小于27 J;在同一回火溫度下,母材的硬度均低于焊縫金屬。為保證焊接接頭的強(qiáng)度滿足要求,將母材硬度近似換算成抗拉強(qiáng)度,結(jié)果如表4所示,可見在600～650 ℃回火溫度下,母材的抗拉強(qiáng)度滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表4 不同回火溫度下母材抗拉強(qiáng)度換算結(jié)果

圖7 不同回火溫度下焊縫金屬及母材的沖擊性能和硬度測試結(jié)果

2 綜合分析

根據(jù)上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：焊接接頭的拉伸性能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,焊縫金屬的化學(xué)成分滿足焊材產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求。焊縫金屬的顯微組織為調(diào)質(zhì)后的正常回火索氏體,但在晶界分布有大量球狀夾雜物,促進(jìn)了晶界的弱化[4]。在560 ℃回火溫度下,沖擊試樣斷口呈沿晶斷裂特征,在焊縫金屬斷裂晶面上沿原奧氏體晶界析出了大量Fe3C薄殼,降低了晶界的結(jié)合力,使材料的韌-脆轉(zhuǎn)變溫度升高,導(dǎo)致焊接接頭沖擊試樣在-40 ℃的環(huán)境下發(fā)生脆斷,斷裂性質(zhì)為典型的高溫回火脆性斷裂[5]。

高溫回火脆性又稱可逆回火脆性,在640～660 ℃回火溫度下,焊接接頭的沖擊吸收能量為37.2～53.6 J,滿足技術(shù)要求。說明在640～660 ℃回火可以避開回火脆性溫度,提高材料的韌性,這也是第二類回火脆性的典型特征。

3 結(jié)論及建議

G18NiMoCr3-6鑄鋼焊接接頭低溫沖擊性能不合格的原因?yàn)椋汉缚p金屬在560 ℃回火時(shí)產(chǎn)生了高溫回火脆性,沿原奧氏體晶界析出了大量Fe3C薄殼,弱化了晶界結(jié)合力,同時(shí)沿晶界分布的球狀夾雜物降低了材料的低溫沖擊性能。

建議重新制定回火工藝參數(shù),避開高溫回火脆性溫度,在640 ℃回火可以使焊接接頭的拉伸性能和低溫沖擊性能同時(shí)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。