熱處理對超低碳馬氏體不銹鋼焊縫熔敷金屬性能的影響

摘    要：超低碳馬氏體不銹鋼大型鑄鍛件zui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550~570℃，這樣造成其焊接區(qū)的強(qiáng)度，比正常回火熱處理溫度下的強(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)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*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。

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2.2    試驗(yàn)方法

2.2.1    分析回火熱處理保溫時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30~50℃，本實(shí)驗(yàn)確定研究回火熱處理溫度為570℃，分別制取5個試塊, 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)，并對五個試塊進(jìn)行了維氏硬度分析，檢測設(shè)備為TuKon 2100B全自動顯微維氏硬度計(jì)，熱處理設(shè)備DL07-1040臺車式熱處理爐，回火曲線見圖1。

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2.2.2    延長回火熱處理保溫時間對熔敷金屬強(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間對熔敷金屬硬度的影響

         超低碳馬氏體不銹鋼是可調(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℃時進(jìn)行不同保溫時間的焊后回火熱處理，其對應(yīng)硬度值見表3。

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         從表3中可以看出，隨著回火保溫時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時得到了熔敷金屬硬度zui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；保溫到一定時間，在該溫度，鉻的碳化物聚集到zui大值硬度會降到一個zui低值，繼續(xù)保溫硬度值不會再降低。

3.2   不同回火熱處理保溫時間對熔敷金屬強(qiáng)度、沖擊等力學(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，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。

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       通過表4可以看出，在同一溫度, 即由于鍛件本體zui終性能回火熱處理溫度限制，焊后回火溫度不能太高時, 通過延長焊后回火熱處理保溫時間，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，只保溫4h時，組織為板條馬氏體和晶界碳化物，但板條馬氏體較粗大，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回火保溫時間時，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。

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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   隨著保溫時間的延長，焊條熔敷金屬的硬度逐漸降低，延長到一定時間，硬度降到zui低值。

4.2   延長焊后回火熱處理的保溫時間, 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。