简介概要

稀土元素对奥氏体不锈钢焊条熔敷金属组织和性能的影响

来源期刊：稀有金属2006年第2期

论文作者：彭冀湘张俊旭张田宏杜义

关键词：碳化物; 奥氏体不锈钢焊条; 熔敷金属; 稀土;

摘要：在奥氏体不锈钢焊条中,通过在焊条药皮中加入稀土元素,探讨了其对焊条熔敷金属组织和性能的影响.对加稀土前后两种焊条进行了熔敷金属常规拉伸和冲击试验,宏观金相组织分析和冲击断口扫描电镜分析,并对熔敷金属薄片进行了透射电镜分析.结果表明:在奥氏体不锈钢焊条药皮中加入稀土元素,可以细化结晶组织,改变晶界上碳化物的析出形态和分布,并使碳化物的析出数量和颗粒尺寸明显减小,从而净化了奥氏体晶界,提高了其焊条熔敷金属的机械性能.

稀有金属 2006,(02),145-148 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.02.005

稀土元素对奥氏体不锈钢焊条熔敷金属组织和性能的影响

张田宏张俊旭彭冀湘

洛阳船舶材料研究所,洛阳船舶材料研究所,洛阳船舶材料研究所,洛阳船舶材料研究所河南洛阳471039,河南洛阳471039,河南洛阳471039,河南洛阳471039

摘要：

在奥氏体不锈钢焊条中, 通过在焊条药皮中加入稀土元素, 探讨了其对焊条熔敷金属组织和性能的影响。对加稀土前后两种焊条进行了熔敷金属常规拉伸和冲击试验, 宏观金相组织分析和冲击断口扫描电镜分析, 并对熔敷金属薄片进行了透射电镜分析。结果表明:在奥氏体不锈钢焊条药皮中加入稀土元素, 可以细化结晶组织, 改变晶界上碳化物的析出形态和分布, 并使碳化物的析出数量和颗粒尺寸明显减小, 从而净化了奥氏体晶界, 提高了其焊条熔敷金属的机械性能。

关键词：

碳化物;奥氏体不锈钢焊条;熔敷金属;稀土;

中图分类号： TG422.1

收稿日期：2005-08-15

Effect of Rare Earth Elements on Deposited Metal of Austenitic Stainless Steel Electrode

Abstract：

The influence of rare earth elements on the structure and mechanical property of the electrode deposited metal was studied by adding RE in the covering of the electrode of austenitic stainless steel. Both electrodes adding by RE fore and after were investigated by normal procedure tension test, impact test on deposited metal, metallographical structure, SEM analysis of impact fracture, TEM analysis of film of the deposited metal. The results show that it can refine crystal structure, modify the shapes and distribution of the carbide in the weld metal, reduce and diminish the amount of carbide by adding RE in the cover of the electrode. Thereby rare earth elements can purify the crystal boundaries and improve the mechanical property of the electrode deposited metal.

Keyword：

carbide; austenitic stainless steel electrode; deposited metal; rare earths;

Received： 2005-08-15

稀土元素作为一种活性剂可以在钢中微量固溶、净化晶界、变质夹杂物 ^[1,2,3] 、细化结晶组织 ^[4,5] , 从而改善钢的机械性能。借鉴稀土元素在钢中的作用, 人们将它应用于焊接材料中。研究结果表明 ^[6] : 焊接材料中加入稀土元素可以缩小焊缝金属的柱状晶区、扩大等轴晶区、缩小树枝晶的一次与二次分枝间距离、减小树枝晶的长度和厚度、细化奥氏体晶粒。在低合金焊缝金属中, 稀土对焊缝金属起着净化和变质的作用 ^[7] ; 在高碳焊缝金属中, 稀土强烈影响碳化物的数量、形态和分布 ^[8] ; 在双相不锈钢焊条药皮中加入适量氟化稀土能提高低温韧性 ^[9] 。

本文就稀土对奥氏体不锈钢焊条熔敷金属变质作用, 而改变晶界上析出碳化物的形态和分布, 进而改善熔敷金属的塑、韧性的机理进行了探讨。

1 试验材料与方法

试验材料为R_m>705 MPa的高强度奥氏体不锈钢焊条, 并以此焊条为基础在药皮中加入1.4%氟化稀土 (稀土加入量约为1%) 。分别用含稀土和不含稀土的两种焊条进行熔敷金属焊接试验, 焊接工艺参数见表1, 加入稀土前后熔敷金属的化学成分如表2所示。

首先对这两种焊条的熔敷金属按金属材料室温拉伸试验方法和金属夏比缺口冲击试验方法进行了圆拉伸和室温冲击试验, 试验用试样采用Φ10的标准拉伸试样和10 mm×10 mm×55 mm的标准夏比V型缺口冲击试样; 采用JSM-35C扫描电镜及DX-4 X射线能谱仪对熔敷金属冲击断口形貌、夹杂物形态和分布以及断口夹杂物及析出物的成分进行观察和分析; 用Philips CM200透射电镜对熔敷金属进行组织形貌和析出物观察, 并运用选区电子衍射技术对析出物进行分析。透射电镜试验样品先用王水浸蚀显示出焊缝宏观组织, 后以5%高氯酸酒精为电解液, 在-20 ℃条件下双喷电解得到穿孔薄膜试样, 观察前离子减薄0.5 h。

2 试验结果与分析

表1 焊接参数Table 1 Welding parameters

焊接极性	焊接电流/ A	焊接电压/ V	焊接速度/ (mm·s^-1)	层间温度/ ℃
DCEP	140	25~30	14~16	100~130

表2 熔敷金属化学成分 (%, 质量分数) Table 2 Chemical composition of deposited metals

试样	C	Si	Mn	Mo	Cr	Ni	N
未加稀土加稀土	0.108 0.099	0.327 0.310	5.80 5.58	5.82 5.97	17.56 17.93	21.18 21.68	0.212 0.170

2.1 稀土对熔敷金属力学性能的影响

加入稀土后, 熔敷金属的综合性能优良。与不加稀土的焊条相比, 无论强度、塑性, 还是冲击韧性, 均得到了改善。加稀土前后熔敷金属的力学性能见表3所示。

表3 熔敷金属力学性能Table 3 Mechanical properties of deposited metal

焊条	R_p0.2/MPa	R_m/MPa	A/%	Z/%	20 ℃ A_kv/J
未加稀土加稀土	535 545	745 755	37.5 41.0	49.0 53.0	83, 109, 85 (92) 112, 100, 100 (104)

2.2 金相组织分析

在光学显微镜下观察加稀土前后两种焊条熔敷金属的金相组织如图1。加稀土后, 焊缝组织由粗大的柱状晶 (图1 (a) ) 转变成带有二次枝晶臂的柱状晶和树枝晶的混合结构 (图1 (b) ) , 而枝晶生长的方向性、形态和数量对焊缝金属的力学性能有十分显著的影响, 因此改善了的结晶组织对机械性能的提高起到了积极作用。

2.3 SEM分析

无论是否有稀土, 两种焊条熔敷金属冲击断口的低倍形貌均具有相似的韧性特征, 但在微观形态上, 却有明显的区别, 如图2所示。未加稀土的焊条, 其断口微观形貌表明, 焊条熔敷金属组织较粗大, 且有明显的方向性, 在高倍下观察韧窝底部有呈分裂开的脆性相聚集 (图2 (a) , (b) ) 。能谱分析表明, 该脆性相为富Cr相 (图2 (e) ) 。而加入稀土后, 该焊条熔敷金属的冲击断口呈现典型的

图1 熔敷金属金相组织 (a) 加稀土前; (b) 加稀土后Fig.1 Microstructures of deposited metal

图2 熔敷金属冲击试样断口形貌 (a) , (b) 加稀土前; (c) , (d) 加稀土后; (e) 脆性相的EDAX谱线Fig.2 Fracture surface of charpy impact test sample of deposited metal

韧窝形态, 在高倍下未见富Cr脆性相聚集 (图2 (c) , (d) ) 。

2.4 TEM分析

分别对用两种焊条熔敷金属制成的薄片进行透射电镜 (TEM) 观察。加稀土前 (图3 (a~c) ) , TEM观察到在所有奥氏体晶界上都存在大颗粒状析出物, 这种析出物沿奥氏体晶界连续分布, 通过衍射分析该析出物为M₂₃C₆; 加稀土后 (图3 (d~f) ) , 奥氏体晶界上碳化物颗粒 (M₂₃C₆) 的数量明显减少, 尺寸也由50~100 nm减小到10~50 nm, 多数呈不连续分布状态, 而且绝大部分晶界上没有这种碳化物存在。

3 讨论

稀土元素作为一种活性元素, 它本身在焊缝中只有微量的固溶, 大部分稀土都优先聚集在晶界等缺陷处, 而晶界上的大部分杂质与活性稀土原子结合生成稳定的化合物, 从而降低或消除了杂质元素在晶界的偏聚, 使晶界比较洁净。同时, 聚集在晶界处的稀土原子本身作为活性物质降低了界面张力, 从而使晶粒的驱动力减小, 抑制晶粒长大的倾向 ^[10,11,12] , 改善了结晶组织, 从而提高其机械性能。

在奥氏体焊缝中, 由于铬的存在降低了碳的活性, 使奥氏体中碳的溶解度大幅度降低, 在铬的作用下会与其形成碳化物在晶界聚集, 而从上面的试验结果可以看出, 当加入稀土后, 明显减少了碳化物在奥氏体晶界处的析出量; 另外稀土元素大多数以内吸附存在于晶界, 因此还能阻碍碳化物在晶界上析出 ^[13] 。晶界上析出物减少, 增加了奥氏体晶粒的晶间结合力, 从而有效地改善了其组织的机械性能。

4 结论

1. 在R_m>705 MPa高强度奥氏体不锈钢焊条药皮中加入1.4%氟化稀土, 明显改善了焊缝金属

图3 TEM观察晶界上的析出物 (a) , (b) 加稀土前有大量M23C6析出物的晶界; (c) 图 (a) , (b) 晶界上析出物衍射花样的标定; (d) 加稀土后无析出物的晶界; (e) 加稀土后有少量M23C6析出物的晶界; (f) 图 (e) 晶界上M23C6析出物衍射花样的标定Fig.3 TEM microstructure of deposited metal

的结晶组织, 使奥氏体枝晶形态由粗大的柱状晶转变成细小的树枝晶, 从而提高了焊条熔敷金属的机械性能。

2. 加入稀土后, 稀土的存在改变了晶界上碳化物的析出形态和分布, 由网状析出变成颗粒状析出, 并且碳化物析出量和析出颗粒的尺寸明显减小, 从而净化了奥氏体晶界, 加强了晶粒间的连接, 使焊条熔敷金属强度有相应改善的同时, 韧性也能得到提高。