Q235钢表面堆焊310不锈钢的组织与性能

刘 阳,刘爱国,张兴品,赵 静

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

Q235钢表面堆焊310不锈钢的组织与性能

刘 阳,刘爱国,张兴品,赵 静

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

采用MIG焊工艺,在Q235钢试板表面堆焊ER-310 (H12Cr26Ni21Si) 不锈钢。通过试验得出,当焊接电流为208A,焊接电压为19.2V,摆动宽度为12mm,摆动速度为26mm/s,焊接速度为5mm/s,搭接量为7mm时,获得了成形美观、致密无缺陷的不锈钢堆焊层。对堆焊层的显微组织、化学成分进行了分析,测试了堆焊层的显微硬度及不锈钢堆焊层的耐蚀性。结果表明,堆焊层组织为奥氏体树枝晶和等轴晶;Ni、Cr、Fe是组成堆焊层的主要元素;堆焊层硬度高于基体;堆焊后材料表面的耐腐蚀性能明显提高。

堆焊;不锈钢;组织;性能

随着石油、化工工业的迅速发展,许多设备以及其关键零部件通常在高温、高压和带腐蚀性介质的环境下服役[1]。例如,核电站反应堆压力容器长期在高温、高压、强腐蚀、强辐射的环境下运行,其要求容器内壁的腐蚀速率每月小于10mg/cm2[2];锅炉水冷壁在实际使用中也极易产生冲蚀磨损和高温腐蚀,使得管壁减薄甚至爆管,给锅炉的安全运行带来巨大的危险性。然而满足这些性能的材料(如镍基合金、不锈钢等)价格相对普通钢材要昂贵,因此在实际生产中常常采用碳钢作为基体,在其表面堆焊一层满足性能的合金以满足强度、耐腐蚀等性能,以至于能降低生产成本[3-6]。正因为这种将具有一定使用性能的合金材料堆焊在材料表面,以赋予母材特殊使用性能的堆焊工艺方法,不仅能够降低生产成本,还可以使零件同时具有母材和堆焊层合金的综合性能,使得堆焊方法在压力容器、船舶等领域起着举足轻重的作用。

堆焊的目的是延长零件工作区的寿命以获得最大的经济效益。所以经济的合理性是选择堆焊方法和堆焊层合金的决定性因素。堆焊成本包括人工费用、堆焊材料的成本、设备和运输费用[7]。因此本文选用焊接效率高、焊接设备成本低且简单易操作、堆焊过程易于实现自动化的MIG焊方式;采用耐腐蚀性好、价格较便宜的ER-310(H12Cr26Ni21Si)奥氏体不锈钢焊丝作为堆焊材料。刘奋成[8]等人研究了316L不锈钢MIG堆焊快速成形工艺,探讨了热量的累积对堆积层的组织和力学性能的影响,从成形工艺的角度对该技术的应用提供了依据。刘鸣宇[9]等人从反应堆压力容器大面积不锈钢堆焊焊接工艺方面,分析表明带极埋弧堆焊和带极电渣堆焊两种工艺各有优缺点,并指出随着大面积堆焊技术的日渐成熟,因多层堆焊技术效率低、成本高,单层堆焊技术将会成为研究的一个重要方向。

ER-310(H12Cr26Ni21Si)属于铬镍奥氏体钢。铬镍奥氏体堆焊金属具有良好的耐腐蚀性和抗高温氧化性能,尤其当合金中含有较高的Si、C、B等合金元素时,还兼有良好的耐磨性,耐冷热疲劳性能、耐气蚀性能,以及抗中、高温擦伤能力[7]。本文尝试采用MIG焊方法,将H12Cr26Ni21Si合金堆焊在Q235钢板表面,重点研究堆焊层的组织、化学成分、硬度、以及耐蚀性能。从组织及性能的角度,探索ER-310合金堆焊在Q235钢表面以提高耐腐蚀性的可行性。

1 试验材料与方法

试验用基体板材为普通低碳结构钢Q235,其尺寸为200mm×100mm×4mm。试验前用角磨砂轮和砂纸将基材表面的氧化皮、油污等杂质打磨掉,使基体表面光滑并呈现出金属光泽。焊丝采用江阴市万荣金属制品有限公司生产的ER-310(H12Cr26Ni21Si)奥氏体不锈钢焊丝,直径为1.2mm。基板Q235与ER-310焊丝主要合金成分如表1和表2所示(焊丝化学成分中标准与测得值均为江阴市万荣金属制品有限公司质量保证书提供)。

表1 Q235钢板的化学成分 wt.%

表2 ER-310焊丝的化学成分 wt.%

堆焊方法采用自动MIG焊,焊接电流为208A,焊接电压为19.2V,摆动宽度为12mm,摆动速度为26mm/s,焊接速度为5mm/s,搭接量为7mm。用此参数进行堆焊试验,焊接过程稳定,可以获得无肉眼可见气孔、裂纹等缺陷的多道连续的堆焊层。堆焊后的样板如图1所示。

用DK7740电火花数控线切割机在样板上截取试样。由于ER-310(H12Cr26Ni21Si)不锈钢具有较高耐腐蚀性能,因此对试样采用电解腐蚀的方法,腐蚀液为浓度为40%的稀释HNO3,腐蚀时间为15s;基体组织的观察采用4%硝酸酒精腐蚀。采用Axioverl 200光学显微镜观察其组织。采用SSX-550扫描电镜附带的能谱仪分析堆焊层化学成分。采用FM-300型显微硬度仪对堆焊层进行硬度测试,加载载荷98N,加载时间5s。采用型号为CHI660E的电化学工作站对堆焊层的耐腐蚀性能进行分析。

图1 堆焊后的样板表面及横截面

2 试验结果与分析

2.1 堆焊层显微组织

图2为ER-310堆焊层与基体的组织形貌。由图可见,堆焊层没有气孔、裂纹等缺陷;堆焊层搭接位置以及堆焊层与基体在熔合区处没有产生分离及未熔合现象,堆焊层与基体结合良好。

图2a为不锈钢堆焊层近表面的组织形貌,由图可知,堆焊层近表面处主要为等轴晶;图2b为不锈钢堆焊层中部及焊缝搭接位置的组织形貌,由图可知,堆焊层中部为粗大的柱状晶区;图2c为不锈钢堆焊层与基体熔合区位置的组织形貌,由图可知,该位置主要为柱状晶区。这可能是由于堆焊成形是焊缝金属多次熔敷的过程,同一区域会受到相邻焊道以及相邻熔敷层的影响,会经历多次热循环的作用[10]。并且在堆焊过程中,基体表面局部熔化形成的熔池主要通过结合面处的基体散热,基体作为冷却源,此处温度梯度极大会优先结晶,而熔覆层顶部散热主要通过大气散热,固液界面温度梯度较小所致。结合不锈钢焊缝金属的结晶类型可知,堆焊层中白色为奥氏体,黑色为铁素体(结合图2,堆焊层中主要为奥氏体和少量的铁素体)。其熔合区结晶组织类型为F-A型(铁素体-奥氏体结晶),结晶初期先形成铁素体,伴随结晶过程的进行,由于镍等奥氏体形成元素的偏析浓化,而生成包-共晶反应,生成奥氏体。结晶后期奥氏体向铁素体侧长大,使初晶铁素体逐渐缩小,最终处于晶粒中心蠕虫状或骨骼状[11]。由图2d可知Q235基体的组织为铁素体和珠光体。

图2 堆焊层与基体的显微组织

2.2 堆焊层化学成分及相组成分析

图3为堆焊层成分分析位置及结果。为了对堆焊层中化学成分的分布特征进行分析,从堆焊层顶部向着基体的方向选取堆焊层顶部、堆焊层中部和近熔合区三个位置,其对应位置示意图如图3a所示,分别对应于图中的1、2和3三个不同位置,采用扫描电镜附带的能谱仪对堆焊层的化学成分进行测量,结果如图3b所示。通过测试不同区域的成分,得知整个堆焊层中主要元素为Fe、Cr、Ni,其中Fe元素的含量在55%～62%、Cr元素的含量在18%～24%、Ni元素含量在16%～19%。通过图3b可以看出,在堆焊层中间位置处的成份与焊丝中的成份含量较为接近,堆焊层顶部及靠近熔合区的位置Fe元素含量增加,Cr、Ni等元素含量下降。此外,由于Q235基体与不锈钢焊接材料的化学成分相差悬殊,在靠近Q235基体一侧熔池边缘,熔化的基体母材金属和填充金属不能充分混合,且其相对于堆焊层中部的熔池中心其填充金属的稀释率影响较大[11],最终导致堆焊层从熔合区到堆焊层顶部出现Fe元素先降低后增加,Cr、Ni等元素出现先增加再降低的现象。

图3 成份分析位置及结果

在对堆焊层的化学成分进行测量时发现熔合区附近的堆焊层中有部分块状母材金属熔入,如图3c所示,得到的Fe、Cr、Ni三种元素的含量如图3d所示。从Fe元素含量可以判断出,该部分主要来自Q235钢板基体。通过对堆焊层不同位置的化学成分进行测量分析表明,堆焊层的近表面层和熔合区附近有少量的Fe熔入。Fe的熔入会导致焊缝金属发生稀释,从而使堆焊层的耐腐蚀性能和抗高温氧化性能有所降低[5]。

从堆焊层向Q235基体方向对Fe、Cr、Ni三种元素进行线扫描,如图3e所示,各元素扫描结果如图3f所示。由图3f可知,堆焊层中的这些元素在堆焊层与基体熔合区上发生了突变。其中Ni、Cr两种元素在界面处快速下降,在基体中的含量为零;由于Fe是Q235基体中主要元素,在堆焊层到基体的熔合界面处显著增加。

图4为舍夫勒组织图,根据表1和表2中Q235钢板基体与ER-310(H12Cr26Ni21Si)焊丝的化学成分计算得到Q235的铬当量为Creq≤0.45%,镍当量为3.75%≤Nieq≤6.35%;ER-310的铬当量Creq=26.23%,镍当量Nieq=23.73%。在舍夫勒组织图图上找到对应的区域a、b,用直线连接ab得到一个三角形区域。根据图3中对堆焊层化学成分的测量结果,其Cr元素的含量在18%～24%、Ni元素含量在16%～19%,根据铬当量Creq和镍当量Nieq计算公式可得到,堆焊层满足铬当量取值范围有:18%

图4 舍夫勒组织图

2.3 堆焊层显微硬度

从堆焊层顶部向着基体的方向,每隔0.2mm取1组测试点进行显微硬度测试,每1组测试3个点取平均值,其硬度分布如图5所示,图中虚线表示熔合线所在位置。可以看出堆焊层的硬度在190～225HV之间。母材的硬度值约为155～180HV,其平均值比堆焊层硬度小40HV,并且可以看出靠近熔合线处的母材硬度比远离熔合线处的母材硬度略高,这可能是因为靠近熔合线的母材受堆焊过程中热影响较大,而远离熔合线的母材距离热源较远,受热影响相对较小。

图5 焊层硬度分布曲线

2.4 堆焊层耐腐蚀性

将不锈钢堆焊层上表面用砂纸打磨成平面,通过测定不锈钢堆焊层的上表面和基体Q235表面的Tafel极化曲线来比较耐蚀性,结果如图6所示。

图6 MIG堆焊层与Q235基体的Tafel极化曲线

极化曲线测试结果表明,MIG不锈钢堆焊层在3.5%NaCl溶液中表现出一定的钝性。 MIG堆焊的不锈钢堆焊层的腐蚀电位比Q235钢板基体要高,腐蚀电位越高,则材料表面的抗腐蚀能力也越强;另外,MIG堆焊的不锈钢堆焊层的腐蚀电流(1.440μA·cm-2)比Q235钢板基体的(8.997μA·cm-2)要小得多,而腐蚀电流越小,表明材料表面的抗腐蚀能力也越强。通过极化曲线的测试结果可以看出MIG堆焊层的耐腐蚀性能比Q235基体明显提高。采用MIG焊方法,在Q235钢板上堆焊不锈钢层,虽然其堆焊层的近表面和熔合区附近有少量的Fe混入堆焊层,但由于Fe的混入并没有使得堆焊层耐腐蚀性能明显降低。因此,通过MIG堆焊ER-310奥氏体不锈钢的方式的方法可以有效提高耐蚀性能。

3 结论

(1)在Q235钢表面上使用MIG堆焊技术,当焊接参数为:焊接电流208A,焊接电压19.2V,摆动宽度12mm,摆动速度26mm/s,焊接速度为5mm/s,搭接量为7mm时,获得了成形美观、无宏观缺陷的奥氏体不锈钢合金堆焊层。

(2)堆焊层与堆焊层搭接位置以及堆焊层与基体结合界面处均无气孔、熔合不良、裂纹等焊接缺陷,堆焊层组织为奥氏体树枝晶和奥氏体等轴晶。堆焊层主要化学成分为Ni、Cr、Fe。

(3)通过MIG堆焊ER-310奥氏体不锈钢的方式,可以有效提高材料表面的硬度以及耐腐蚀性能。

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(责任编辑：王子君)

MicrostructureandPropertiesofSurfacing310StainlessSteelonQ235Steel

LIU Yang,LIU Aiguo,ZHANG Xingpin,ZHAO Jing

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

ER-310 (H12Cr26Ni21Si) stainless steel is deposited on the surface of Q235 steel test plate,using the MIG welding process.In the experiments,when the welding current is 208A,the welding voltage is 19.2V,the swing width is 12mm,the swing speed is 26mm/s,the welding speed is 5mm/s and the amount of overlap is 7mm and well-shaped,dense and defect-free stainless steel surfacing layer can be obtained.The microstructure and chemical composition of the surfacing layer were analyzed and the microhardness of the surfacing layer and the corrosion resistance of the stainless steel surfacing layer were tested.The results show that the microstructure of the surfacing layer is austenitic dendrite and equinoxes crystal.Ni,Cr and Fe are the main elements of the surfacing layer.The hardness of the surfacing layer is higher than that of the matrix.The corrosion resistance of the surface of material is obviously increased after surfacing on the matrix.

surfacing;stainless steel;microstructure;properties

TG455

A

2016-10-18

刘阳(1990—)，男，硕士研究生；通讯作者：刘爱国(1969—)，男，教授，博士，研究方向：表面强化与焊接工艺。

1003-1251(2017)05-0067-06