低镍含氮奥氏体不锈钢焊条熔敷金属组织性能研究
2023-01-03王猛陈波徐亦楠梁晓梅肖祥勇武鹏博孙徕博
王猛，陈波，徐亦楠，梁晓梅，肖祥勇，武鹏博，孙徕博
1.哈尔滨威尔焊接有限责任公司 黑龙江哈尔滨 150060
2.哈尔滨焊接研究院有限公司 黑龙江哈尔滨 150028
3.福建青拓特钢技术研究有限公司 福建宁德 355006
1 序言
低镍含氮奥氏体不锈钢是一种性能优良、生产成本较低的节镍型不锈钢材料，它固溶一定含量的氮，可以提高材料强度、韧性及耐蚀性，具有广泛的应用领域与广阔的应用前景[1]。
戴红等[1]采用埋弧焊技术研究了不同焊接热输入对低镍高氮奥氏体不锈钢焊接接头组织和性能的影响，配套使用的焊接材料是SAW308L埋弧焊丝和SJ601A埋弧焊剂；方乃文等[2]采用激光-电弧复合焊接技术研究了保护气体对电弧特性及组织性能的影响规律，配套使用的焊接材料是ER308L气体保护焊丝；冯家玮等[3]采用脉冲TIG非填丝技术研究了低镍含氮奥氏体不锈钢焊接接头组织性能，并对不同焊接热输入条件下的焊接温度场及残余应力场进行了模拟。
根据现有文献，尚未见到关于低镍含氮奥氏体不锈钢焊条的相关研究报道，文中采用自主开发设计的低镍不锈钢焊条进行低镍高氮奥氏体不锈钢焊接，对获得的熔敷金属微观组织结构、力学性能和耐腐蚀性能等进行了研究。
2 试验材料及方法
2.1 试验材料
试验用焊接材料为自主开发设计的低镍含氮奥氏体不锈钢焊条，直径为4.0mm，其熔敷金属化学成分见表1。
表1 试验用焊条熔敷金属化学成分（质量分数）（%）
熔敷金属力学性能试板采用08Cr19MnNi3Cu2N低镍高氮奥氏体不锈钢板。采用45°V形坡口形式，坡口根部间距为12mm，试板尺寸规格为400mm×300mm×25mm。焊接参数见表2。
表2 试验用焊接参数
2.2 试验方法
熔敷金属化学成分分析用试件制备按ASME SFA-5.4中图A1的要求进行；熔敷金属铁素体试件的制备按ASME SFA-5.4中图A2的要求进行，并按ASME第Ⅲ卷NB-2433要求使用磁性法测定焊态熔敷金属的δ铁素体含量；室温全焊缝金属拉伸试验按AWS B4.0M标准进行，试样直径12.5mm；室温V型缺口冲击试验按照AWS B4.0M标准进行，试样尺寸为10mm×10mm×55mm；晶间腐蚀试验按ASTM A262中E法执行，试样尺寸为75mm×10mm×5mm。
焊前打磨试板表面及坡口范围，并用丙酮去除油污。用光学显微镜（OA）观察熔敷金属的组织形貌；用显微硬度计对熔敷金属组织进行硬度测量；用德国菲希尔FMP铁素体测量仪对熔敷金属中铁素体含量进行测定；用XRD对熔敷金属相组成及含量进行测定。
3 试验结果与分析
3.1 熔敷金属气孔
气孔是低镍含氮不锈钢焊接过程中常见的缺陷之一，熔敷金属X射线检测结果如图1所示。由图1可知，未发现夹渣、未熔合和咬边等缺陷，但在收弧位置发现了极少量气孔。这是由于在收弧位置的焊接电弧不稳定，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浓度起伏，当局部浓度比平衡浓度高时，过饱和的氮便会逸出从而形成气孔，需通过控制焊接电弧来避免收弧位置出现气孔。
图1 熔敷金属X射线检测结果
3.2 熔敷金属力学性能
低镍含氮奥氏体不锈钢焊条熔敷金属力学性能见表3。由表3可看出，熔敷金属具有良好的拉伸性能和冲击性能。在奥氏体-铁素体不锈钢中，由于奥氏体相与铁素体相之间相互作用将产生微应力来维持不同位向晶粒间的平衡，这种应力对材料的应力腐蚀开裂和屈服等行为有显著影响，因此会直接影响材料的强度。低镍含氮奥氏体不锈钢焊条利用锰、氮相结合代替合金元素镍以获得奥氏体组织，锰元素能够稳定奥氏体，显著提高氮在焊缝中的溶解度，从而提高氮在焊缝中的含量，促进了晶粒细化[4]。因为晶粒越小，晶界就会越多，所以对位错运动的阻碍作用就越强烈，从而材料形变的阻力也就越高。因此，一方面可以提高熔敷金属的拉伸性能和显微硬度，另一方面也能有效地保证其冲击性能。
表3 熔敷金属力学性能
3.3 熔敷金属显微组织结构
氮是一种强烈的奥氏体形成元素，且具有细晶强化与固溶强化的作用。熔敷金属的显微组织如图2所示，主要由奥氏体基体和离散于其中的骨骼状铁素体构成，铁素体含量（体积分数）约为5.5%。利用铁素体含量测量仪对熔敷金属进行铁素体含量测定，结果为6.2%，铁素体测量结果与金相法结果基本吻合。熔敷金属冲击断口的扫描电镜图像如图3所示，呈现明显的韧窝形貌，保证了良好的冲击性能。
图2 熔敷金属显微组织
图3 扫描电镜图像
3.4 XRD分析
σ相、Cr2N及Fe4N等有害相在低镍含氮不锈钢焊接过程中容易析出，会严重破坏熔敷金属组织的综合性能，XRD分析结果如图4所示。由图4可知，熔敷金属组织并未发现σ相、Cr2N及Fe4N等有害相析出，这表明熔敷金属力学性能较好。
图4 XRD分析结果
3.5 熔敷金属耐晶间腐蚀性能
研制的低镍含氮奥氏体不锈钢焊条利用锰、氮相结合的作用，既能降低形变马氏体的形成概率，也极大地提高了熔敷金属的抗裂性和耐腐蚀能力。熔敷金属试样经过675℃×1h敏化处理后，按ASTM A262中E法进行晶间腐蚀试验，未发现晶间腐蚀倾向，如图5所示。相关研究认为，在焊接过程中氮能够促进铁素体中铬、钼转移到奥氏体中，从而提高奥氏体组织中的点蚀电位，而且氮在奥氏体中的扩散速度远高于碳、磷、硅等元素[5]，因此氮在析出过程优先在晶界附近偏聚，可减缓甚至抑制铬的碳化物析出[6]，从而提高熔敷金属的耐晶间腐蚀性能。
图5 晶间腐蚀结果
4 结束语
1）新开发的低镍含氮奥氏体不锈钢焊条具有优异的力学性能，熔敷金属的抗拉强度可达780MPa，室温冲击吸收能量达到80J。
2）熔敷金属的耐晶间腐蚀性能优良，未发现晶间腐蚀倾向。
3）熔敷金属的显微组织主要由奥氏体和离散于其中的少量状铁素体构成，未发现σ相、Cr2N及Fe4N等有害相。
