443铁素体不锈钢随焊冷却焊接接头的组织和性能研究

摘要

443铁素体不锈钢是国内近年来新开发出的一种超纯高铬铁素体不锈钢,由于其具有优异的性能,被作为将来304不锈钢的替代品。但是与奥氏体不锈钢相比,其焊接HAZ晶粒容易长大,组织结构及性能变差成为这类钢在焊接加工时最为突出的一个问题,特别是冲击性能较差,是焊接接头的薄弱环节,而且随着板厚的增加更加明显的显现出来,这些不足严重影响了该类型不锈钢在工程结构领域的推广使用,是目前亟待解决的一项重要技术难点。
　　 本课题分别利用空冷(ANC)、水冷(TWC)、液氮冷却(LNC)三种随焊冷却方式对4mm厚的443铁素体不锈钢进行焊接;分析了ANC法、TWC法和LNC法三种随焊冷却焊接接头的显微组织、相组成物、常规力学性能以及耐腐蚀性能,并对不同随焊冷却条件下冲击断口形貌进行SEM观察。
　　 显微组织分析表明母材显微组织为多边形的铁素体组织,晶粒度为5级左右;ANC法、TWC法和LNC法焊缝组织均为由奥氏体和铁素体构成的双相组织;TWC法和LNC法得到的焊接HAZ的晶粒尺寸较ANC明显细化,晶粒度为3～4级;
　　 显微硬度测试表明母材的平均硬度为167.9HV0.1,ANC、TWC、LNC三种焊接接头从焊缝到母材,硬度总体上呈下降趋势,其中热影响区的硬度较母材有所提高,其硬度值约为185～200HV0.1;
　　 拉伸试验表明ANC、TWC、LNC三种焊接接头抗拉强度均可达到母材的95％以上,其伸长率分别为母材的77.6%、84.5%、87.2%;弯曲测试试验表明母材及ANC、TWC、LNC三种焊接接头弯曲角度均能达到180°,且通过观察均没有发现微裂纹;
　　 缺口冲击试验表明母材及ANC、TWC、LNC三种焊缝冲击功均能达到30J以上,ANC热影响区冲击功仅为4.867J,但TWC和LNC焊接接头热影响区冲击功较ANC试样有所提高,分别可以达到16.5J和17.3J;冲击断口SEM分析表明,ANC焊接热影响冲击断口呈现解理断裂特征,而TWC和LNC两种焊接接头热影响区冲击断口呈现延性和解理的混合断口,而母材断口上出现大量的韧窝,呈现出明显的延性断裂;
　　 晶间腐蚀试验表明ANC、TWC、LNC三种焊接接头及母材腐蚀试验后试样表面没有发生明显变化,通过弯曲试验评定表明,其弯曲角度均能达到180°,且在放大镜下观察弯曲部位均没有产生微裂纹;
　　 电化学腐蚀试验表明ANC、TWC、LNC和母材的白腐蚀电位Ecorr分别为-0.999V、-0.909V、-0.803V和-0.770V,自腐蚀电流密度icorr分别为7.08×10-6A·cm-2、2.51×10-6A·cm-2、0.63×10-6A·cm-2和0.5×10-6A·cm-2:
　　 盐雾腐蚀试样评级显示母材(MC)与LNC腐蚀程度为D级,TWC为E级,ANC为F级,ANC、TWC、LNC三种焊接接头及MC在经过480h盐雾腐蚀试验后,腐蚀速率分别为1.41×10-8g·mm-2·h-1、0.635×10-8g·mm-2·h-1、0.52×10-8g·mm-2·h-1和0.27×10-8g·mm-2·h-1:
　　 综合比较可知,使用LNC法对443铁素体不锈钢进行焊接后,其接头组织性能均明显改善,特别是热影响区冲击性能与ANC法相比提高了两倍以上,这是由于液氮做冷却介质使峰值温度减小和高温停留时间缩短,从而在一定程度上抑制晶粒长大,因此焊接接头性能得到提高。