BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感性研究

吳 巍

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

耐磨鋼產品可廣泛應用于刮板輸送機、礦山破碎機械、輸送管道、工程車輛和挖掘機等耐磨領域。國際上目前應用最為廣泛的中低合金耐磨鋼屬于馬氏體貝氏體強化型耐磨板,包括瑞典奧克隆德生產的HARDOX系列耐磨鋼,德國迪林根的400 V和500 V系列耐磨鋼,德國蒂森克虜伯的XAR400、XAR450、XAR500系列耐磨鋼;日本JFE的EH360、EH400和EH500系列耐磨鋼等;國內舞陽鋼廠、寶鋼先后開發并生產的NM系列與B-HARD系列耐磨鋼。中低合金耐磨鋼依托高強度獲得較高耐磨性,普遍具有相對較好的沖擊韌性,但長期服役于沖擊、磨損雙重工況時,材料易發生疲勞應力開裂,服役壽命大幅下降。同時需要引起關注的是,此類耐磨鋼普遍采用熔化焊工藝,焊縫及熱影響區韌性、塑性儲備余量較小,中厚板焊接接頭應力集中嚴重的焊縫根部、熔合區以及過熱區存在氫致延遲裂紋傾向。另一方面,中低合金耐磨鋼焊接工件必須通過焊前預熱、焊后緩冷、后熱消氫處理的方式避免耐磨鋼焊接接頭冷裂缺陷的產生。而焊前及焊后熱處理大幅提高了生產成本,增加了生產周期,同時也導致施工條件惡劣、現場施焊難度大幅上升,不利于耐磨鋼焊接質量穩定性的提升。

另一類以Mn13為代表,在強沖擊、大壓力物料磨損作用下具有良好適應性的奧氏體耐磨鋼,采用形變強化機制。Mn13高錳鋼在球磨機襯板、挖掘機斗齒、破碎機牙板,以及要求以耐磨為主的低沖擊鑄件,如襯板、齒板、破碎壁、軋臼壁、輥套和鏟齒等應用廣泛[1-2]。由于高錳高碳含量,此類高錳耐磨鋼板的焊接接頭晶界處碳化物析出傾向大,導致焊縫及熱影響區部位易產生焊接熱裂紋,焊接性不良,焊接工藝窗口狹窄,施焊難度高等問題,限制了此類高錳耐磨鋼的應用范圍[3-5]。

寶鋼首發的BTW1改良型高錳耐磨鋼,其形變誘導強化特性超過Mn13、Mn18等高錳鋼。在載荷600 N石英砂磨損條件下,測得BTW1耐磨鋼的抗磨損性能比HARDOX450提高91%。BTW1奧氏體高錳鋼的開發滿足了礦山機械用耐磨鋼產品的個性化與系列化要求,全面提升高錳耐磨鋼產品的競爭力與生命力。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼在工程應用中大量采用焊接結構,母材單一奧氏體組織特征使得此類材料具有焊接熱裂紋敏感特性。國內外針對高錳鋼焊接熱裂紋敏感傾向的研究較少,制約此類耐磨鋼焊接結構推廣應用。焊接熱裂紋是焊接生產中比較常見的一種裂紋缺陷,它是在焊接過程中焊縫和熱影響區金屬冷卻到固相線附近的高溫區時產生的,主要分為結晶裂紋、液化裂紋和多邊形裂紋。本文采用可調拘束度熱裂紋敏感試驗和焊接溫度場數值模擬計算相結合的方法評估BTW1奧氏體高錳耐磨鋼的焊接熱裂紋敏感性。通過對熱裂紋敏感性定量分析,獲得材料本身冶金參量,支撐新型高錳鋼焊接工藝開發和焊接結構性能優化,滿足行業用戶對焊接接頭性能及現場制造特性的需求。

2 試驗材料及試驗方法

2.1 試驗材料

試驗采用寶鋼研發的BTW1奧氏體高錳耐磨鋼板材,其化學成分見表1,母材微觀組織形貌特征見圖1。可調拘束度裂紋試板厚度6 mm,試板性能指標見表2。

表1 BTW1奧氏體高錳鋼板材成分Table 1 Chemical compositions of BTW1 austenitic high manganese steel %

圖1 BTW1奧氏體高錳耐磨鋼微觀組織Fig.1 Microstructure of BTW1 austenitic high manganese steel

表2 BTW1奧氏體高錳鋼板力學性能Table 2 Mechanical properties of BTW1 austenitic high manganese steel

2.2 可調拘束度試驗方法

評估焊接熱裂紋試驗分為三大類,包括自拘束試驗、可調拘束度試驗、熱延性試驗。其中自拘束試驗對裂紋敏感性不能量化,試驗結果僅顯示試樣開裂或沒有開裂,不能獲得開裂溫度范圍、致裂應力、應變等專用數據;而熱延性試驗只是測定材料在高溫時的強度和延性,兩種方法均具有局限性[6-8]。目前可調拘束度試驗方法是公認的用于評定材料焊接熱裂紋敏感性最為有效和直觀的方法之一。這個試驗設計為簡便的施加應變型的試驗,可以對引起焊接熱裂紋的冶金變量進行表征。焊接性良好的奧氏體合金處理不當,容易引起焊接性問題。焊接過程可能出現凝固裂紋、液化裂紋、固態裂紋等缺陷。凝固裂紋和液化裂紋與材料冶金特性和焊接過程控制相關聯,主要發生于焊接高溫區間,在BTW1材料應用中需要關注的這兩類焊接熱裂紋影響因素。應用可調拘束度試驗方法,能夠定量化材料焊接熱裂紋敏感性的大小,獲得特定材料受焊接熱過程影響的開裂敏感性定量數據,有效支撐材料選用和焊接結構性能優化。

針對BTW1母材具有的單一奧氏體組織特征,本文研究中應用縱向可調拘束度試驗方法,對焊接結構安全性有重大影響的焊接熱裂紋敏感性進行研究。焊接熱循環作用下,奧氏體材料焊縫可能形成凝固裂紋,同時焊接熱影響區形成以液化裂紋為主的焊接熱裂紋。針對焊接過程產生的此兩類熱裂紋,熱裂紋敏感性研究能夠對材料焊接性進行定量表征,有助于材料應用和焊接結構性能優化。試驗示意圖如圖2所示,試驗過程中將試板兩端固定在彎曲模塊上方,然后采用TIG電弧在試板上從A點到C點進行重熔,當電弧移動到B點時,裝置加載輥使試板以某一速度快速彎曲,直到試板與帶曲率半徑的彎曲模塊完全貼合為止。電弧在B點彎曲之后仍繼續前進,直至C點停機斷弧。縱向可調拘束度試驗過程中彎矩是沿著焊道長度方向上施加的,在熔合區和鄰近的熱影響區產生裂紋。焊接熱影響區液化裂紋在熔池邊界形成,并沿液化的晶粒邊界向熱影響區方向擴展。

圖2 縱向可調拘束度試驗方法Fig.2 Schematic diagram of varestraint test

本文研究中應用的試驗設備為美國 D.L.WRIGHT 公司生產的MTV2500 型可調拘束度裂紋試驗機(圖3)。可調拘束度試驗中,在試板B點位置施加應變是通過可置換的模塊控制的,MTV2500試驗機采用不同應變量的模具來實現不同的應變量施加,與傳統的可調拘束度裂紋試驗設備相比,此設備具有可實現多種形式的試驗、試樣制備簡單、操作方便、數據穩定等特點。

圖3 MTV2500 型可調拘束度裂紋試驗機系統Fig.3 MTV2500 varestraint test machine

試板承受的應變(ε)可由式(1)計算獲得:

(1)

式中:t為試板厚度;R為模塊的半徑。

可調拘束度試驗中采用低倍顯微鏡(20～50倍)測量試驗后試樣表面的裂紋長度。采用試樣表面觀察到的“最長裂紋長度(MCL)”,作為測量參量。最長裂紋擴展路徑對應的開裂溫度范圍定義為焊接熱裂紋敏感溫度區間(CSR),采用CSR對熱裂紋敏感性進行定量評估,反映了材料冶金特性的差異。

可調拘束度試驗中,當施加的應變高于一個臨界值(命名為飽和應變)后,最長裂紋長度(MCL)不再隨應變量增加而增加,此時熱裂紋已經擴展到了裂紋敏感區的全部長度。飽和應變值對應的MCL易于測量,因此,最長熱裂紋在熔合區和熱影響區中擴展區域對應的溫度區間,可以通過熔池邊緣溫度與裂紋擴展終端溫度差計算獲得,如圖4所示。本文研究中,通過溫度場數值模擬的方式計算獲得熱裂紋擴展對應的溫度區間。

圖4 熱影響區熱裂紋敏感溫度區間Fig.4 The thermal crack-susceptible region

3 試驗結果及分析

應用縱向可調拘束度試驗方法對BTW1奧氏體高錳耐磨鋼進行熱裂紋定量分析,試驗過程中的TIG自熔焊工藝參數見表3。試驗中,在0.25%、0.5%、1%、2%應變條件下沒有發現表面裂紋;當測試應變量達到3%時,開始出現表面裂紋,而當應變量達到5%時,最長熱裂紋長度達到飽和狀態。觀察5%應變量下最大裂紋擴展狀態,將其對應于模擬計算溫度場,獲得了奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感溫度區間。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感溫度區間見圖5。圖5(c)中曲線A為熔池邊緣溫度循環曲線,曲線B為最大裂紋擴展尖端對應的溫度循環曲線。5%應變量加載作用下,產生的最大裂紋由圖5(b)中A點擴展至B點。擴展路徑對應的溫度區間由圖5(c)曲線A與曲線B在加載時刻對應的溫度差值計算獲得,即A點對應于圖5(c)中曲線A中的實際凝固溫度1 339.2 ℃與最長裂紋尖端B點對應于圖5(c)中曲線B的溫度1 187.0 ℃之差計算獲得。熱裂紋敏感性評價結果顯示,BTW1奧氏體高錳耐磨鋼測試臨界應變量為3%,熱裂紋敏感溫度區間為152.2 K,見表4。

表3 TIG自熔焊工藝參數Table 3 Welding parameters for TIG

圖5 BTW1熱裂紋敏感溫度區間Fig.5 The thermal CSR of BTW1

表4 BTW1奧氏體高錳耐磨鋼熱裂紋敏感性試驗數據Table 4 The results of hot cracking susceptibility evaluation of BTW1

對于基體為奧氏體的鋼材,MCL與CSR相對應,它與材料冶金特性密切相關。而εmin表征材料萌生裂紋的難易程度,與材料的冶金因素及焊接工藝條件有關,一般而言,εmin越小,材料熱裂紋敏感性越高。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼εmin達到3%,其在實際應用的小應變工況下具有較小的熱裂紋發生傾向。

針對BTW1奧氏體高錳耐磨鋼材料特性和行業應用工況,采用ER307Si高錳不銹鋼MIG焊絲作為匹配焊接材料,完成BTW1鋼焊接工藝試驗研究,焊絲成分見表5。焊接試驗工藝參數見表6。

表5 ER307Si焊絲成分 Table 5 Chemical compositions of filler metals ER307Si %

表6 BTW1-Mn8高錳鋼焊接工藝參數Table 6 Welding parameters for MIG welding of the BTW1-Mn8

BTW1奧氏體高錳耐磨鋼板材中厚板應用于煤礦機械等典型耐磨領域,開發的匹配焊接工藝,選用高錳鋼不銹鋼焊接材料,焊前不需要預熱處理,焊后不需要消應力退火處理。取消熱處理工序節約施工成本,大幅度提高了焊接效率,降低了施焊難度,有利于施工現場工業化推廣。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼通過母材成分控制,硫磷等有害雜質含量低,能夠防止焊接熱裂紋產生;同時BTW1熱影響區晶粒粗化程度較低,小晶粒增加了晶界面積,減少單個晶界上的偏析量和局部應力。由于破壞較多發生在晶界上,較為細小的晶粒進一步增大了熱影響區的抗裂性。通過多層多道焊工藝,控制層間溫度低于150 ℃,避免過大熱輸入引起焊接接頭高溫停留時間過長、焊接熱影響區部位產生很陡的溫度梯度,有效避免熱裂紋的產生。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接接頭熔合區及其相鄰熱影響區未見焊接熱裂紋缺陷(見圖6)。

圖6 BTW1焊接接頭宏觀形貌Fig.6 Weld morphologies of BTW1

焊接熔合區和熱影響區組織粗化程度較低(見圖7),能夠有效降低焊接熱裂紋敏感性的影響,保證良好的焊接質量。焊接試板性能檢測結果顯示:焊接接頭拉伸性能良好;焊縫中心、熱影響區各位置沖擊韌性良好,具有較大的塑性、韌性儲備,能夠滿足工程應用需要,見表7。

圖7 BTW1焊接熱影響區微觀組織Fig.7 The microstructure of BTW1 HAZ

表7 BTW1-Mn8高錳鋼焊接接頭性能Table 7 Mechanical properties of the BTW1-Mn8 welded joint

4 結論

(1) 可調拘束度試驗作為BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感性定量評價方法,獲得了熱裂紋敏感性定量分析數據,能夠有效支撐此類新型耐磨鋼材料應用。

(2) BTW1奧氏體高錳耐磨鋼通過控制有害雜質元素含量和晶粒細化,減少了焊接熱裂紋發生的傾向,小應變等實際應用工況下具有較小的熱裂紋發生傾向。

(3) 針對BTW1奧氏體高錳耐磨鋼中厚板典型耐磨應用領域,開發的匹配焊接工藝能夠有效避免焊接熱裂紋敏感性的影響,滿足工程應用需要。