429鐵素體不銹鋼焊接微觀組織和晶間腐蝕行為研究

王承印*，陳玉林，楊子潤

（1.鹽城工學院 材料科學與工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大周不銹鋼管有限公司，江蘇 鹽城 224007;3.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

鐵素體不銹鋼中主要的組分就是鐵素體組織，它的強度一般比其他不銹鋼高，而它的冷加工硬化效果并不理想[1]。其韌性在低溫或者室溫情況下很差，在這種情況下它們的缺口也存在非常高的敏感度[2，3]。尤其是當存在晶間腐蝕，這種敏感度就會變得更高，脆性會變得很大。

本文就高頻焊對429不銹鋼的影響進行探討。高頻焊原理是：依靠較高的電流頻率作用下發生的集膚效應，使焊件的外表面充滿電能，然后再依靠此類電流頻率下的臨近效應，使得電流流經的線路能夠被掌握，位置和范圍都能被準確的掌握[4，5]。高頻焊其實就是依靠焊接件構成的方式，在集膚效應和鄰近效應共同作用下，讓焊接件焊接處溫度迅速上升來完成焊接[6]。

金屬材料在一定的性質變化與能量傳遞條件下，在晶界上產生的一種電化學腐蝕破壞，這種破壞即為晶間腐蝕。從電化學本身來說，在腐蝕電位下，合金的晶粒本身和晶界區兩者會有溶解差，這就是晶間腐蝕的產生原因[6]。鐵素體不銹鋼發生晶間腐蝕，首先會在不銹鋼表面產生局部的破壞，然后從表面向晶界破壞，再破壞到晶界以內，最后整個晶界完全被破壞[7]。雖然在表面上看不出這種晶間腐蝕，但其實晶粒與晶粒之間的粒子相互作用力已經消失了。晶間腐蝕測試方法主要分為兩大類，一種叫做化學浸蝕法，即利用浸蝕表現金屬組織。另一種為電化學實驗方法，即通過保護電極的方式測試[8]。本實驗采用的硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法就是屬于電化學實驗方法。

鐵素體不銹鋼晶間腐蝕主要從焊接性、耐晶間腐蝕性和韌性等性能方面入手進行探索。劉繼明等研究了鈮對不銹鋼晶間腐蝕性能的影響。腐蝕試驗表明，合金元素有一個穩定比率（Ti+Nb）/（C+N）=9的條件下不銹鋼表現出優良的抗晶間腐蝕性能[9]。Baumel根據貧鉻理論對鐵素體不銹鋼晶間腐蝕進行過研究，發現析出的含鉻碳化物數量大小會對腐蝕程度大小造成影響，證實了貧鉻理論。

本文通過對429鐵素體不銹鋼進行高頻焊接處理，對其焊后母材，熱影響區和焊縫區域成分組織進行檢測并進行金相分析，判斷焊接組織是否存在晶粒粗大和是否存在析出物。并研究高頻焊焊接方法對鐵素體晶間腐蝕行為具有哪些影響。

1 實驗材料與步驟

1.1 原材料

實驗原材料選用山西某不銹鋼廠出產的429鐵素體不銹鋼冷軋鋼帶，厚度為1.9mm。其成分和力學性能見表1，表2。

表1 實驗所用不銹鋼成分表（wt.%）

表2 實驗所用不銹鋼力學性能表

1.2 實驗步驟

采用高頻焊工藝，高頻焊選擇使用的電流頻率范圍為300KHz～450KHz，在焊接管焊接面處施加高頻電流使焊接處溫度上升至1350℃后，利用擠壓輥來擠壓焊件實現高頻焊接。

1.3 金相制備

將429鐵素體不銹鋼的母材，高頻焊樣品的母材、熱影響區與焊縫區利用電火花線切割機分別進行切割處理。其中429鐵素體不銹鋼母材切割大小約為10mm×10mm，其余樣品大小為7mm×7mm。將樣品放入金相鑲嵌機中進行鑲嵌，再經砂紙打磨后，將試樣進行拋光。然后選用10mlHCl-5mlHNO3-100mlH2O的腐蝕劑對試樣腐蝕后進行金相觀察，并且采集圖像進行組織分析。

1.4 硬度檢測

使用型號為HBE-3000A的電子布氏硬度計對高頻焊焊縫樣品進行硬度測試，載荷125kg，保壓10s～15s。對距焊縫中心不同位置進行測試。

1.5 晶間腐蝕

本實驗采用的是GBT4334.5-2000不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法，將試樣和銅粒加入硫酸-硫酸銅溶液，在微沸狀態下持續16h后，取出試樣清洗，并將試樣進行干燥處理。將腐蝕過后干燥的試樣壓平到180°。對彎曲后的試樣，在體視顯微鏡下觀察，放大倍率為10×。

2 實驗結果分析與討論

2.1 金相組織

圖1 實驗材料金相組織圖

從圖1（a）中可以看出，原材料中存在鐵素體組織和碳化物。通過查閱晶粒度評級圖，可以得到原材料的晶粒度級別為2級。

從圖1（b）中可以看出，高頻焊熱影響區存在鐵素體組織，奧氏體組織和碳化物相，其晶粒度級別為1級。奧氏體組織是鐵素體組織經過高溫奧氏體化轉變而成的。由于熱影響區靠近熔合線，而且從圖中也可以看出有明顯的晶粒粗大現象。產生這種晶粒粗大現象的原因以焊接時的熱循環為主。

從圖1（c）中可以看出，高頻焊焊縫存在鐵素體組織和碳化物相，還含有奧氏體組織，其晶粒度級別為3級。說明鐵素體組織經過高頻焊焊接而達到共析溫度發生了奧氏體化。

本實驗中采用的高頻焊接，在實驗過程中發現高頻焊接接頭會發生壓斷斷裂。說明高頻焊接的焊后成型性不好，會產生裂紋，抗裂紋敏感性不強。而又根據金相組織圖分析可知，鐵素體不銹鋼高溫焊接會使鐵素體組織發生奧氏體化形成奧氏體組織，并且焊接后都會有碳化物顆粒析出。

根據該鐵素體不銹鋼成分表知道該不銹鋼含鉻量很高，熱影響區晶粒粗大也因此比較明顯嚴重。這種粗晶組織的存在，導致了該不銹鋼焊接接頭的脆化。而由于這種接頭脆化的存在，又會使得焊接接頭對腐蝕破壞極為敏感，間接加強晶間腐蝕的趨勢。

2.2 硬度分析

圖2 高頻焊硬度折線圖

從圖2可以看出，焊縫中心的硬度最高，距焊縫中心距離從大到小呈先下降再上升的趨勢。由此可知焊接過程中會出現晶粒粗大，所以晶粒粗大的區域硬度會降低。另一方面由于奧氏體化的發生，也會引起硬度降低。而由于焊縫處鐵素體組織細小分散從而起到強化作用，所以焊縫位置的硬度最高。

2.3 晶間腐蝕

圖3 晶間腐蝕后形貌圖

由圖3（b）可知，原材在晶間腐蝕后表面腐蝕深度參差不齊，腐蝕程度較深。與圖3（a）進行對比發現高頻焊焊縫在晶間腐蝕后表面很平整，腐蝕深度較小且過渡也比較平緩。

根據圖3可以明顯看出，未經焊接的429鐵素體不銹鋼腐蝕程度較大，而高頻焊接后的焊接區域中，母材和熱影響區腐蝕程度也較大，但焊縫區域的腐蝕程度很小。即焊接接頭的耐晶間腐蝕能力比原材強。

貧鉻機理提出發生晶間腐蝕很主要的原因是鉻元素的擴散，而C會沿著晶粒的邊界進行擴散且速度比Cr要快，這樣晶界和附近的區域就會有一些包含Cr的碳化物析出。結合本實驗的晶間腐蝕后形貌圖中可以看出經由晶間腐蝕之后，腐蝕表面呈現出凹凸不平，還帶有因巨大的腐蝕程度差異而產生的分層剝離的現象。這些都是歸因于碳化物析出沉淀貧鉻，這種含鉻析出物讓Cr從母相中分離出去，使得晶界產生貧鉻區。證明了C的含量會嚴重危害鐵素體不銹鋼，使其晶間腐蝕的程度增大。同樣地，Cr的含量越高，鐵素體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能也就越強。

由本實驗采用的429鐵素體不銹鋼成分表可知，材料含鉻量為15%左右，含鉻量較高，因此該不銹鋼晶間腐蝕后焊縫區的晶間腐蝕程度不大，腐蝕表面也較為平整，符合本實驗晶間腐蝕的形貌圖。通過對焊接后熱影響區和焊縫區的金相組織圖分析，發現沒有因晶間腐蝕而產生的溝槽，證明該不銹鋼焊接接頭的耐晶間腐蝕性能好。根據成分表可知429鐵素體不銹鋼中含有一定量的穩定性元素Nb，這種元素高溫不溶解，會形成穩定的碳化物，使得貧鉻區減少，因此也會加強該不銹鋼的抗晶間腐蝕性能。也表明焊縫區的晶粒細小和均勻，從而在表面形成了致密的鈍化膜，對焊縫起到了保護作用，提高了該鐵素體不銹鋼的穩定性。

3 結論

（1）429鐵素體不銹鋼焊接熱影響區在焊接過程中會出現晶粒粗大的情況，引起脆化現象。其焊接可以提高焊接接頭的穩定性，提高耐晶間腐蝕性能。

（2）429鐵素體不銹鋼焊接后由于析出碳化物所以會存在晶間腐蝕的傾向。其晶間腐蝕符合貧鉻理論的觀點，C含量會對鐵素體不銹鋼晶間腐蝕造成嚴重影響。