双相不锈钢用烧结焊剂的研制

和欢

（郑州市国防科技学校，河南 郑州 450041）

双相不锈钢用烧结焊剂的研制

和欢

（郑州市国防科技学校，河南 郑州 450041）

根据2205双相不锈钢的焊接特点，结合埋弧焊剂应达到的性能要求，研制一种2205用烧结焊剂，与ER2209焊丝进行配合，获得优良的机械性和耐蚀性。试验发现，焊剂中添加适量的CrN,可以有效改善焊缝的力学性能和耐蚀性能。

双相不锈钢；烧结焊剂；力学性能；耐蚀性能

传统奥氏体不锈钢抗局部腐蚀性能不好，尤其抗应力腐蚀性能很差，严重时产生裂纹甚至断裂，;双相不锈钢采取特殊技术，使其具有一般不锈钢难以比拟的抗腐蚀性能。双相不锈钢一般是指在其微观组织中铁素体相与奥氏体相大约各占50%，其中最少相的含量大于等于30%的钢种。2205是使用最广泛的双相不锈钢材料，2205最常见的应用形式是管件，在有较强的均匀腐蚀和应力腐蚀的情况下，板材应用也很广泛。

1 实验材料及方法

（1）试验用焊接材料及设备。试验采用轧制的2205型双相不锈钢钢板做为母材；试样尺寸：300mm×150mm×20mm；埋弧焊机：山大奥太MZ-1000型；焊丝：ER2209，含Ni量比母材高出3～4%，直径Φ3.2mm。利用新研制的焊剂与焊丝ER2209配合，。埋弧焊焊接工艺参数为：焊接电压30V～32V，焊接电流500A～600A，焊速55cm/min，制备出焊接接头待用。

（2）拉伸试验。按照TB4708-2000标准，制作拉棒，测定接头的抗拉强度和延伸率。不同的焊接工艺取3～5个试样进行拉伸试验，取其平均值作为接头的抗拉强度，并测量接头试样拉伸后的延伸长度。力学性能在AG-1/250KN电子拉伸机进行，可以获得焊缝的抗拉强度和屈服强度。

（3）焊接接头耐蚀性测定。试样的腐蚀条件：采用化学浸泡法，用三氯化铁盐酸水溶液测定焊接接头的耐腐蚀性能，研究不同焊剂和焊接热输入量对接头耐腐蚀性能影响，观察试样腐蚀形貌。

采用金属失重法来衡量点蚀的腐蚀程度。所谓失重法就是根据腐蚀后试样质量的减小程度来判断材料的耐蚀性能，可用下式来表征腐蚀速率：

式中：v为腐蚀速率，g/（m2·h）；M0为试样腐蚀前的质量，g；M1为试样腐蚀后的质量，g；s为试样表面积，m2；t为腐蚀时间，h。

（4）微观分析。从待测焊缝取10mm×8mm×5mm试样，沿着焊缝截面进行分别采用100#、200#、400#、800#砂纸打磨、抛光，然后采用腐蚀剂（10%铬酸水溶液电解腐蚀，t=10～20，V=7.5V）腐蚀以后，在光学显微镜下观察焊缝、熔合区和焊接热影响区的微观组织形态。采用扫描电镜对拉伸试样的断口形貌进行扫描观察。为了得到精确相比例，采用网格交点计数法对2205焊接接头进行相含量测定。试样选取500倍SEM图测定相含量。

2 试样结果与分析

2.1 烧结焊配方确定

在埋弧焊焊接中，影响焊剂工艺性能的因素主要有熔渣自身的性质及线膨胀系数、熔点、表面张力、粘度等。确定焊剂碱度和渣系后，通过对焊剂物理性能和结晶状况，参考焊剂碱度范围及一些相关经验，拟定焊剂各组分成分范围。综合考虑，文章焊剂配方确定为：萤石24%、镁砂26%、氧化铝27%、硅灰石4%、冰晶石3%、锆英砂8%、金红石3%、脱氧剂3%、合金剂2%。

2.2 CrN含量对烧结焊剂的影响

CrN是双相不锈钢中重要的合金成分，是保证焊缝相组成关键，因此，添加适量的CrN在双相不锈钢焊剂中具有十分重要的意义。文章着重研究CrN对焊缝区气孔、熔金机械性能及焊缝耐蚀性的影响，从而确定CrN在焊剂中的含量。

（1）CrN含量对焊缝气孔的影响。研究表明：N元素能维持相平衡，增强了焊接接头的抗蚀性，具有其他合金元素不可替代的作用。双相不锈钢焊接材料一般都会在配方中添加稍高于母材含量的N。研究表明：只需加入0.1%的N，就可以较大幅度提高焊接接头的力学性能。以N元素对焊缝金属的合金化程度估测，或将其成分中N质量分数提高10%左右，可获得奥氏体体积分数大于等于60%的双相不锈钢组织。众所周知，Cr是不锈钢的重要组成元素，对耐腐蚀性起着决定性作用，在2205双相不锈钢中Cr质量分数一般为21.5～23.5%。

CrN是一种便宜而且被广泛使用的合金，氮化铬中含铬较高，在焊剂中加入CrN具有增N和补充Cr双重作用，而且CrN的熔点只有700℃左右，相对于TiN、NbN、VN等氮化物，其熔点低，在电弧热作用下能够充分的完全熔化过渡到熔池中。可见，选择CrN作为增氮合金，能够满足2205进行氮合金化要求。在焊剂基础配方内添加不同含量氮化铬，焊接电流300～340A，焊接电压29～31V，焊接速度410cm/min。焊剂内CrN由0～4%的坡口焊缝金属，焊丝中CrN含量不大于1%时，焊缝的气孔很少且变化不大；当CrN含量大于2%时，出现了氮气孔，且随着焊剂中CrN含量增加，气孔率增大；当CrN增加到4%时，呈现大量气孔。但CrN含量低，则珠光体与铁素体比例无法保证，因此CrN添加量选用2%为宜。

（2）CrN含量对焊缝金属抗拉强度和延伸率影响。焊剂中氮化铬含量对焊缝金属拉伸强度和延伸率的影响：焊缝接头的抗拉强度符合要求，随着CrN含量的增加，焊缝抗拉强度降低并不明显，焊缝延伸率却有大幅度增加。这是因为氮对奥氏体具有强化作用。随着焊剂中氮含量增加，接头中氮元素含量增大，氮是一种强烈的奥氏体化元素，所以组织中铁素体相含量下降，导致接头抗拉强度降低，而接头延伸率却明显增加。而从拉伸试样断裂位置看，除了4%CrN试样外，其余试样均在母材断裂，即焊缝金属抗拉强度均比母材高。焊剂中添加CrN可以有效提高焊缝力学性能，且随着CrN含量，力学性能逐渐提高。但考虑成本因素及性价比，CrN添加量在2%左右为宜。

（3）CrN含量对焊缝耐点蚀性能的影响。通过腐蚀法测定得到：焊剂CrN含量逐渐增加，试样腐蚀速率下降明显。这是因为在焊剂中添加CrN可以有效减小Cr和Ni的烧损，可以合金化［N］，保证铁素体和奥氏体比例合适，当CrN含量小于2%时，CrN的添加可以显著改善焊缝金属的耐蚀性；当CrN含量大于2%时，CrN含量再增加，焊缝耐蚀性提高很少。这是因为在焊剂中添加CrN到一定量时，过多的CrN对Cr、Ni及Mo等元素烧损贡献有限，而［N］在焊缝金属中具有一定饱和度，过多的［N］无法合金化进入焊缝金属中，因此当CrN含量大于2%时，继续添加CrN对焊缝金属耐蚀性贡献不大。

3 结语

根据2205 DSS埋弧焊特点，结合焊剂要求，将焊剂碱度控制在2.0左右；根据2205 DSS焊接中熔渣的物理性质，将焊剂成分范围调整为：MgO：20%～30%；CaO：5%～20%；CrN：1.0～3.0%；Al2O3：20%～30%；SiO2：15%～20；ZrO2：5%～10%；CrN对焊剂双相不锈钢［N］含量有一定影响,实验条件下CrN最佳添加量为2%左右；增加焊剂中的氮化铬含量，可在一定程度上提高接头组织中的奥氏体相含量，尽管获得接头的抗拉强度有所降低，但却大幅度提高了接头的延伸率。采用2%CrN焊剂进行的焊接接头焊缝金属的奥氏体含量为47.4%，铁素体含量为52.6%，达到了双相不锈钢相比例要求。随着焊剂CrN含量增加，试样点蚀速率明显下降。当CrN含量小于2%时，CrN的添加可以显著改善焊缝金属的耐蚀性；但当CrN含量大于2%时，随着CrN含量增加，耐蚀性提高不十分明显。

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Development of Sintered Flux for Duplex Stainless Steel

HE Huan
（Zhengzhou National Defense Science and Technology School，Zhengzhou，Henan 450041，China）

Based on the welding characteristics of 2205 duplex stainless steel and the performance requirements of submerged arc welding,a 2205 sintered flux was used to cooperate with ER2209 wire to obtain excellent mechanical and corrosion resistance.It was found that the addition of CrN in the flux could improve the mechanical properties and corrosion resistance of the weld.

duplex stainless steel；sintered flux；mechanical properties；corrosion resistance

TG423

A

2095-980X（2017）02-0058-02

2017-02-07

和欢，主要研究方向：机械加工。