熱處理對超低碳馬氏體不銹鋼焊縫熔敷金屬性能的影響

1、天津重型裝備工程研究有限公司 高 蕊 趙云志作者簡介：高蕊（1984-），女，天津大學(xué)材料加工工程專業(yè)畢業(yè)，碩士；畢業(yè)后一直在天津重型裝備工程研究有限公司，從事特種焊接材料研制開發(fā)工作。摘 要：超低碳馬氏體不銹鋼大型鑄鍛件最終回火熱處理溫度一般不超過600，因而其焊后回火熱處理溫度要低于600，一般為550570，這樣造成其焊接區(qū)的強(qiáng)度，比正?；鼗馃崽幚頊囟认碌膹?qiáng)度、硬度偏高。在限制條件下，為了盡量降低超低碳馬氏體不銹鋼鑄件焊接接頭的焊后殘余應(yīng)力，改善焊接接頭的綜合性能，進(jìn)行了焊后回火熱處理試驗(yàn)，分析了延長回火保溫時(shí)間，對超低碳馬氏體不銹鋼焊縫強(qiáng)度、硬度、沖擊韌性和組織的影響。關(guān)鍵詞：超低碳馬

2、氏體不銹鋼鑄件；焊縫熔敷金屬；焊后回火熱處理；強(qiáng)度；硬度；沖擊韌度 前 言 低碳馬氏體不銹鋼具有良好的淬透性、優(yōu)良的室溫和低溫力學(xué)性能、腐蝕疲勞強(qiáng)度和動(dòng)靜態(tài)斷裂韌性，是國內(nèi)外大型水輪機(jī)鑄件（上冠、下環(huán)、葉片等）廣泛應(yīng)用的材料。作為水輪機(jī)材料，除具有一定的耐腐蝕性能，耐磨性能以外，還需具有良好的抗空蝕性能和可焊性，因此為了提高水輪機(jī)鑄件的抗氣蝕性能和焊接性，現(xiàn)在多設(shè)計(jì)采用00Cr13Ni5Mo類型的超低碳馬氏體不銹鋼材料。對于超低碳馬氏體不銹鋼的焊接，現(xiàn)在發(fā)展方向是采用同材質(zhì)焊接材料焊接00Cr13Ni5Mo型馬氏體不銹鋼。水輪機(jī)大型、重要的不銹鋼鑄件上冠、下環(huán)、葉片明確要求使用同材質(zhì)焊接材料補(bǔ)

3、焊。因此針對此種情況，研制開發(fā)了00Cr13Ni4Mo 型馬氏體不銹鋼焊接用本體焊條TY-Cr13Ni4L。 但超低碳馬氏體不銹鋼是可調(diào)質(zhì)類型鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后其強(qiáng)韌性較好，而焊縫熔敷金屬組織為鑄態(tài)板條馬氏體, 由于回火條件的限制，其強(qiáng)度、硬度偏高，沖擊韌性偏低。為消除焊后殘余應(yīng)力，提高焊縫熔敷金屬的韌性，希望焊后回火溫度盡量高些。因此，為了找到兼顧母材和焊縫性能的最佳焊后回火工藝參數(shù)，使焊接接頭具有良好的綜合性能，對超低碳馬氏體焊縫熔敷金屬進(jìn)行了不同回火參數(shù)下的回火熱處理試驗(yàn)研究。 2 試驗(yàn)材料和方法2.1 試驗(yàn)材料 焊條TYCr13Ni4L，是專門研制用于ZG00Cr13Ni4Mo超低碳馬氏體不

4、銹鋼鑄件補(bǔ)焊用本體焊條，鑄件化學(xué)成分見表1。本試驗(yàn)即采用自行研制的TY- Cr13Ni4L超低碳馬氏體不銹鋼焊條，焊對接焊縫試板，焊接規(guī)范見表2，取焊縫無稀釋熔敷金屬進(jìn)行試驗(yàn)研究，對焊接試板進(jìn)行焊后熱處理試驗(yàn)，焊縫熔敷金屬化學(xué)成分見表1。2.2 試驗(yàn)方法2.2.1 分析回火熱處理保溫時(shí)間的延長對熔敷金屬硬度影響 根據(jù)三峽轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)和葉片等大型鑄件焊接技術(shù)要求，焊后回火熱處理溫度一般比性能熱處理回火溫度低3050，本實(shí)驗(yàn)確定研究回火熱處理溫度為570，分別制取5個(gè)試塊, 在該溫度下進(jìn)行了保溫4h、8h、12h、16h、20h的回火熱處理試驗(yàn)，并對五個(gè)試塊進(jìn)行了維氏硬度分析，檢測設(shè)備為TuKo

5、n 2100B全自動(dòng)顯微維氏硬度計(jì)，熱處理設(shè)備DL07-1040臺(tái)車式熱處理爐，回火曲線見圖1。2.2.2 延長回火熱處理保溫時(shí)間對熔敷金屬強(qiáng)度、沖擊韌度的影響 在完成2.2.1試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，取兩塊試板，在570的回火熱處理保溫溫度，分別進(jìn)行保溫4h、16h 焊后回火熱處理試驗(yàn)，并分別對兩塊試板的焊縫無稀釋熔敷金屬進(jìn)行沖擊（0）、常溫拉伸和金相分析；檢測設(shè)備為CBD-500電子式擺錘沖擊試驗(yàn)機(jī)、CSS44300電子拉伸試驗(yàn)機(jī)，200MAT 金相顯微鏡圖像分析儀，熱處理設(shè)備DL07-1040臺(tái)車式熱處理爐。 3 試驗(yàn)結(jié)果與討論3.1 不同回火熱處理保溫時(shí)間對熔敷金屬硬度的影響 超低碳馬氏

6、體不銹鋼是可調(diào)質(zhì)類型鋼，其本體焊條熔敷金屬力學(xué)性能受焊后熱處理影響3，對不同的試塊同在570時(shí)進(jìn)行不同保溫時(shí)間的焊后回火熱處理，其對應(yīng)硬度值見表3。 從表3中可以看出，隨著回火保溫時(shí)間的延長焊縫無稀釋熔敷金屬維氏硬度逐漸降低，在達(dá)到16h時(shí)得到了熔敷金屬硬度最低值，繼續(xù)保溫其硬度值出現(xiàn)上升；本次試驗(yàn)用同種焊條進(jìn)行了兩次重復(fù)試驗(yàn)得到相同規(guī)律，分析認(rèn)為，在回火保溫過程中發(fā)生了鉻的碳化物聚集成微觀粒子，隨著碳化物從基底組織中析出越來越多，硬度迅速降低；保溫到一定時(shí)間，在該溫度，鉻的碳化物聚集到最大值硬度會(huì)降到一個(gè)最低值，繼續(xù)保溫硬度值不會(huì)再降低。3.2 不同回火熱處理保溫時(shí)間對熔敷金屬強(qiáng)度、沖擊等力

7、學(xué)性能的影響 根據(jù)3.1試驗(yàn)結(jié)果，確定采用TY-Cr13Ni4L超低碳馬氏體不銹鋼焊條，焊對接試板，進(jìn)行在570時(shí)，分別保溫4h、16h焊后回火熱處理對比試驗(yàn), 熱處理規(guī)范同2.2.1，對熱處理試板焊縫無稀釋熔敷金屬進(jìn)行了力學(xué)性能和組織分析，力學(xué)性能見表4。通過表4可以看出，在同一溫度, 即由于鍛件本體最終性能回火熱處理溫度限制，焊后回火溫度不能太高時(shí), 通過延長焊后回火熱處理保溫時(shí)間，焊縫熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度有所下降，（0）沖擊值提高，即隨著保溫時(shí)間的延長，熔敷金屬的韌性得到改善, 綜合力學(xué)性能趨向更好。 分析圖2、圖3可以看出，在回火熱處理時(shí)，只保溫4h時(shí)，組織為板條馬氏體和晶界碳化物，但板

8、條馬氏體較粗大，回火的跡象不明顯，對比分析圖3，為回火保溫16h的馬氏體組織, 回火作用明顯，板條馬氏體組織較細(xì)小，并且與圖2中組織比較，其組織晶界明顯，即鉻的碳化物聚集多；是因?yàn)樵谘娱L回火保溫時(shí)間時(shí)，鉻的碳化物由過飽和組織內(nèi)析出4逐漸的在晶界處發(fā)生聚集，延長保溫時(shí)間，鉻的碳化物析出聚集增多；對應(yīng)分析相應(yīng)試板性能，可見延長回火保溫時(shí)間，組織細(xì)化和過飽和組織內(nèi)碳化物的析出, 使熔敷金屬的抗拉強(qiáng)度略有下降，而韌性和綜合力學(xué)性能得到改善。4 結(jié)束語 在本實(shí)驗(yàn)研究中得出，在一定回火熱處理保溫溫度下，對TYCr13Ni4L 超低碳馬氏體焊條熔敷金屬進(jìn)行焊后回火熱處理：4.1 隨著保溫時(shí)間的延長，焊條熔敷金屬的硬度逐漸降低，延長到一定時(shí)間，硬度降到最低值。4.2 延長焊后回火熱處理的保溫時(shí)間, 板條馬氏體組織內(nèi)過飽和碳化物在晶界聚集析出，組織得到細(xì)化，使熔敷金屬的強(qiáng)度略有下降而沖擊韌性有所提高，綜合力學(xué)性能得到一定改善。 參考文獻(xiàn)1 徐玉君. 00Cr13Ni5Mo馬氏體不銹鋼焊接材料及焊接工藝方法的研究J. 機(jī)械科學(xué)研究院哈爾濱焊接研究所碩士研究論文.2 Erich Folkhard 著, 栗卓新,朱學(xué)