分析了T4003、410L、410S、409L、430、30Cr13和20Cr13不銹鋼高溫?zé)嵊绊憛^(qū)(HTHAZ)的顯微組織和焊接性能。結(jié)果表明，T4003不銹鋼的HTHAZ組織為70%M+F，鐵素體晶粒大小為30μm。409L不銹鋼的HTHAZ為全鐵素體粗大組織。410L、410S和430不銹鋼的HTHAZ為鐵素體晶界連續(xù)分布馬氏體的雙相組織，馬氏體含量較少，鐵素體晶粒粗大。20Cr13和30Cr13的HTHAZ基體為馬氏體，并且在20Cr13中孤立分布有高溫鐵素體，在30Cr13中存在未溶解的碳化物。根據(jù)成分計(jì)算各鋼種KF值，其在Kaltenhauser相圖的位置基本與實(shí)際相符。彎曲試驗(yàn)表明只有KF小于一定程度的T4003鋼具有良好的焊接性能，這不僅與低含量的C、N有關(guān)，更重要是由奧氏體元素Mn、Ni誘導(dǎo)HTHAZ中產(chǎn)生大量低碳馬氏體，從而阻礙鐵素體晶粒長(zhǎng)大所致。
鐵素體不銹鋼不僅具有成本優(yōu)勢(shì)，而且耐蝕性能優(yōu)異，在很多領(lǐng)域?qū)⒅饾u代替奧氏體不銹鋼。隨著VOD冶煉技術(shù)的發(fā)展，C+N總含量小于150×10-6的成分設(shè)計(jì)變得容易實(shí)現(xiàn)[1]，這使鐵素體不銹鋼在成形和耐蝕方面應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。然而，焊接性能是限制鐵素體不銹鋼應(yīng)用的最大障礙，其高溫?zé)嵊绊憛^(qū)(HTHAZ)僅有少量甚至沒(méi)有γ相變，晶粒劇烈長(zhǎng)大，力學(xué)、沖擊和耐晶間腐蝕性能將極大降低[2-4]。引入奧氏體形成元素將擴(kuò)大α+γ兩相區(qū)，形成更多奧氏體阻礙鐵素體長(zhǎng)大，但卻需要考慮奧氏體冷卻過(guò)程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體所導(dǎo)致的焊接接頭脆化問(wèn)題。Kaltenhauser和Lippold在預(yù)測(cè)焊縫組織方面做了大量工作。其中，Kaltenhauser研究了鐵素體/馬氏體不銹鋼的組分相圖，提出了鐵素體因子(KF)，用來(lái)確定鐵素體不銹鋼焊縫形成馬氏體的傾向[5]，而Lippold用Kaltenhauser因子開發(fā)出鐵素體不銹鋼相圖[6]。此外，合適的焊絲材質(zhì)可以保證焊縫具有良好的力學(xué)性能，然而鐵素體不銹鋼HTHAZ對(duì)焊接接頭性能影響卻很難消除。本文對(duì)酒鋼生產(chǎn)的T4003、410L、410S、409L、430、30Cr13和20Cr13鋼種焊接接頭HTHAZ組織轉(zhuǎn)變進(jìn)行了研究，借鑒鐵素體焊縫組織預(yù)測(cè)研究成果，分析了(C+N)含量、KF值對(duì)HTHAZ組織變化和性能的影響。
1試驗(yàn)方法
取厚度為4mm的熱軋退火態(tài)T4003、410L、410S、409L、430、30Cr13和20Cr13鋼種，化學(xué)成分如表1所示。T4003、410L、410S和409L為11%~12%的低Cr鐵素體不銹鋼，430為中Cr鐵素體不銹鋼，30Cr13和20Cr13為馬氏體不銹鋼。T4003、410L和409L屬于低碳不銹鋼，T4003為Ti、Nb雙穩(wěn)定化不銹鋼，且Mn、Ni等奧氏體形成元素較高，409L為Ti穩(wěn)定化鋼。
采用直流氬弧焊機(jī)進(jìn)行焊接，焊絲為準(zhǔn)1.2mm的ER309L-Si，I型坡口對(duì)接焊，間隙為1.6mm，工藝如表2所示。不進(jìn)行預(yù)熱和焊后熱處理。利用顯微鏡觀察母材和HTHAZ組織，按照GB/T15825.5-2008進(jìn)行焊接接頭正反面的折彎試驗(yàn)(MTSBHT5505,α=180°,D=2a)。
2結(jié)果與分析
圖1為實(shí)驗(yàn)鋼熱軋退火態(tài)母材組織?？梢钥闯觯?/span>T4003、410L、410S和430均沿著軋制方向呈現(xiàn)出竹節(jié)狀或條帶組織。409L和馬氏體鋼均為等軸晶粒，馬氏體鋼組織為F+Cr23C6，并且Cr23C6沿晶界和晶內(nèi)析出。409L只在晶內(nèi)析出少數(shù)碳化物。
圖2給出了實(shí)驗(yàn)鋼HTHAZ的金相組織?？梢钥闯?，T4003不銹鋼的HTHAZ形成了大量馬氏體，含量在70%左右，鐵素體晶粒尺寸在30μm以內(nèi)，如圖2(a)所示。410L、410S、409L和430不銹鋼的HTHAZ晶粒劇烈長(zhǎng)大，尺寸均在150μm以上，如圖2(b)~圖2(e)所示。410L、410S和430鐵素體晶界連續(xù)分布馬氏體組織，430不銹鋼晶內(nèi)存在大量點(diǎn)狀Cr23C6析出物，410S和410L則較少。409L不銹鋼的HTHAZ為全鐵素體組織，除了晶內(nèi)彌散析出碳化物，還出現(xiàn)碳化物在晶界聚集析出的現(xiàn)象，如圖2(d)所示。馬氏體鋼的HTHAZ組織基體是馬氏體，組織細(xì)小。30Cr13含有少量碳化物，20Cr13在晶界分布有孤立的高溫鐵素體，如圖2(f)和圖2(g)所示。
圖3為Kaltenhauser相圖?？梢钥吹?，409L在全鐵素體相區(qū)，30Cr13在全馬氏體相區(qū)，其余鋼種均在F+M雙相區(qū)，Kaltenhauser相圖預(yù)測(cè)結(jié)果基本符合HTHAZ實(shí)際組織，見圖2。不同的是，Kaltenhauser預(yù)測(cè)30Cr13焊縫為全馬氏體組織，而HTHAZ存在未溶解碳化物。這說(shuō)明Kaltenhauser相圖對(duì)預(yù)測(cè)馬氏體不銹鋼HTHAZ組織不十分精確，這是因?yàn)楹缚p組織變化是從液態(tài)開始，而HTHAZ組織是從母材(退火態(tài))開始轉(zhuǎn)變的。30Cr13在焊接過(guò)程快速冷卻抑制焊縫碳化物析出，卻使HTHAZ中碳化物來(lái)不及溶解，因此保留部分碳化物。鐵素體不銹鋼的HTHAZ組織預(yù)測(cè)十分精確。對(duì)比圖3和圖2可看出，T4003成分最接近馬氏體相界，馬氏體含量最多。相反，越是接近鐵素體相區(qū)的鋼種，馬氏體含量就越少。
圖4為不同鋼種對(duì)應(yīng)的KF值、(C+N)含量和折彎試驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，只有T4003鐵素體不銹鋼180°彎曲結(jié)果為合格，其余均出現(xiàn)裂紋。T4003具有和其他鋼種不同的成分特點(diǎn)，相對(duì)30Cr13和20Cr13馬氏體不銹鋼，其C、N含量較低。相對(duì)其他鐵素體不銹鋼，T4003的KF值最小，為7.34。409L雖然(C+N)含量最低，但是其KF值卻是最高，為14.45。
3討論
為了揭示成分對(duì)實(shí)驗(yàn)鋼HTHAZ組織的影響，對(duì)焊接后的HTHAZ組織形成過(guò)程和性能進(jìn)行了如下分析。T4003不銹鋼由于高的Nieq當(dāng)量，奧氏體相區(qū)非常寬，高溫鐵素體相區(qū)區(qū)間被極大壓縮，焊接過(guò)程鐵素體晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大就發(fā)生相變，有效阻礙晶粒長(zhǎng)大，晶粒大小僅為30μm，如圖2(a)所示。根據(jù)T4003成分計(jì)算TiN、TiC、NbN和NbC在不同相區(qū)的固溶度積和形成熱力學(xué)可知，Ti在液相幾乎就和所有的N反應(yīng)析出TiN，焊接過(guò)程中并不溶解，C則會(huì)在奧氏體相偏析冷卻時(shí)保留在馬氏體中或者在鐵素體晶內(nèi)形成Nb和Ti的碳化物，這樣避免C、N化合物在晶界析出敏化。同時(shí)馬氏體板條狀束位向各不相同，這對(duì)提高焊接接頭折彎性能和沖擊韌性十分有效。410L、410S和430彎曲性能之所以不良，是有HTHAZ晶粒劇烈長(zhǎng)大導(dǎo)致的，如圖2所示。Cr13和Cr17鐵素體不銹鋼相圖表明[7]，接近固相線溫度時(shí)，鐵素體中碳的溶解度在較高的水平，降至1000℃時(shí)溶解度已經(jīng)幾乎為零，因此HTHAZ鐵素體中碳化物發(fā)生重新溶解和析出過(guò)程。同時(shí)焊接加熱過(guò)程鐵素體晶界最先發(fā)生奧氏體相變，C元素有更大的固溶度，碳化物在溶解過(guò)程一直向晶界奧氏體擴(kuò)散，致使冷卻轉(zhuǎn)變的晶界馬氏體周圍基體沒(méi)有析出物，晶內(nèi)則存在點(diǎn)狀Cr23C6析出，這在碳氮含量高的430最為明顯，如圖2(e)所示。雖然避免了晶界碳化物析出敏化，但是馬氏體相溶解了更多的碳，且沒(méi)有抑制鐵素體劇烈長(zhǎng)大，較T4003有較大的脆性。相對(duì)410S和430，410L有更低的Creq和KF值，馬氏體最易形成。對(duì)照?qǐng)D3和圖2還可以看出，更高的Cr含量將促使形成更多的碳化物而不是馬氏體，馬氏體含量430<410S<410L，析出碳化物含量則相反。409L處于全鐵素體相區(qū)，整個(gè)固相溫度范圍不存在相轉(zhuǎn)變，如圖3所示。焊接過(guò)程主要發(fā)生晶粒劇烈長(zhǎng)大，這是導(dǎo)致折彎性能不良的重要原因。409L是Ti穩(wěn)定化不銹鋼，由于C與Ti相對(duì)Cr有更大的化學(xué)親和勢(shì)，優(yōu)先形成TiC。HTHAZ晶界中TiC或Cr23C6的析出則說(shuō)明409L在焊接過(guò)程中就已經(jīng)發(fā)生晶間敏化。JeongKilKim[8-11]等對(duì)409L進(jìn)行固溶和時(shí)效處理發(fā)現(xiàn)晶界和晶內(nèi)析出物均為TiC，焊接過(guò)程已經(jīng)形成的TiC被重新溶解，并在晶界聚集析出，導(dǎo)致Cr在晶界TiC顆粒處偏析引起貧化，最終引起晶間腐蝕。JeongKilKim認(rèn)為要避免409L敏化，碳含量要低于0.0023wt%，Ti/(C+N)大于48.18。試驗(yàn)用鋼Ti/(C+N)為10.34，存在焊接敏化行為。30Cr13由于較高的碳含量，KF為2.78，Kaltenhauser相圖預(yù)測(cè)為全馬氏體組織，如圖3所示。但是HTHAZ碳化物卻沒(méi)有完全溶解，如圖2(f)所示。這是因?yàn)樘蓟锶芙馑俣扰c溫度和時(shí)間都有關(guān)系，隨著HTHAZ區(qū)域遠(yuǎn)離熔合線溫度降低，碳化物溶解受到限制，只能聚集粗化。熔合線附近的碳化物也因?yàn)楦邷赝Ａ魰r(shí)間太短而未能完全溶解。20Cr13馬氏體鋼KF值較高為5.93，如圖4所示。固相線溫度以下不全為奧氏體，還存在高溫鐵素體，冷卻過(guò)程中鐵素體保留至室溫，奧氏體則轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體[12,13]，如圖2(g)所示。
對(duì)比分析了各鋼種HTHAZ組織和Kaltenhauser相圖位置，HTHAZ緊挨著熔合線，具有和焊縫類似的相轉(zhuǎn)變過(guò)程，Kaltenhauser相圖基本可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鐵素體不銹鋼HTHAZ組織。和焊縫組織轉(zhuǎn)變不同的是，HTHAZ中馬氏體含量的多少與焊接參數(shù)和輸入熱有直接關(guān)系，這影響HTHAZ在奧氏體區(qū)停留的時(shí)間，最終影響馬氏體形成數(shù)量，因此Kaltenhauser相圖對(duì)HTHAZ組織的預(yù)測(cè)只能定性，它給出了鐵素體不銹鋼HTHAZ馬氏體形成能力。對(duì)不同KF值鐵素體不銹鋼焊接組織和性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，低的碳氮和低的KF值設(shè)計(jì)有助于形成低碳馬氏體，對(duì)改善焊接性能有很大作用，試驗(yàn)結(jié)果表明只有較低KF設(shè)計(jì)的T4003折彎試驗(yàn)為完好。低C、N設(shè)計(jì)的鐵素體不銹鋼HTHAZ中具有更多的低碳馬氏體，會(huì)有效制約鐵素體晶粒長(zhǎng)大和避免晶間析出物導(dǎo)致敏化。HTHAZ形成低碳馬氏體的成分設(shè)計(jì)是有益的，因?yàn)殍F素體晶粒長(zhǎng)大可明顯增加韌脆轉(zhuǎn)變溫度，而HTHAZ為低碳馬氏體的焊接接頭依然具有良好的彎曲性能和沖擊韌度。已經(jīng)對(duì)T4003不銹鋼HTHAZ低溫沖擊韌度進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其-40℃沖擊功仍大于10J，一般鐵素體不銹鋼卻不能達(dá)到。
4結(jié)論
（1）T4003不銹鋼HTHAZ為70%M+F的雙相組織，鐵素體晶粒在30μm以內(nèi)。而409L為粗大晶粒的全鐵素體組織，410L、410S和430不銹鋼存在少量晶界馬氏體，鐵素體基體仍然粗大。馬氏體鋼的HTHAZ主要為馬氏體，20Cr13分布有高溫鐵素體，30Cr13含有未溶碳化物。
（2）Kaltenhauser相圖基本可以預(yù)測(cè)鐵素體不銹鋼的HTHAZ組織，HTHAZ具有和焊縫類似的相轉(zhuǎn)變過(guò)程。
（3）409L不銹鋼處于全鐵素體相區(qū)，不可避免晶粒長(zhǎng)大。T4003添加Ni、Mn奧氏體形成元素具有較小的KF值，焊接過(guò)程HTHAZ形成大量馬氏體，有效制約鐵素體晶粒長(zhǎng)大。
（4）在低C、N設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，鐵素體不銹鋼較低的KF值成分設(shè)計(jì)對(duì)改善焊接性能十分有效。