節鎳型奧氏體不銹鋼埋弧焊焊接材料組織性能研究

王學東，李偉，崔曉東，武鵬博，姜澎，王士山，王立志

1.北京金威焊材有限公司 天津 301906

2.國家鋼結構工程技術研究中心焊接技術研究院 天津 301906

3.中冶建筑研究總院有限公司 北京 100088

4.哈爾濱焊接研究院有限公司 黑龍江哈爾濱 150028

1 序言

奧氏體不銹鋼因具有良好耐蝕性、優良的強度和塑韌性，同時在高溫和低溫環境下仍具有優異的使用性能，而廣泛應用于航空航天、石油化工、海洋工程、食品、醫療器械及建筑等領域[1，2]。伴隨著我國經濟快速發展和煉鋼工藝、加工制造水平的大幅提升，截止2021年，我國不銹鋼產量已達到3000萬t，占全球總量的60%左右，其中Cr-Ni系奧氏體不銹鋼占我國不銹鋼總產量的50%以上。

Cr-Ni系奧氏體不銹鋼中鎳含量較高，鎳原料的成本占到不銹鋼成本的50%左右，而我國鎳資源遠不能滿足不銹鋼行業的需求，大部分需要依賴進口。因此，開發節鎳型或無鎳型的Cr-Ni系不銹鋼，以替代奧氏體不銹鋼的應用，符合資源節約型社會發展的需求，同時也符合國家節能、綠色、環保的發展理念，具有很好的經濟效益和社會效益[3-5]。節鎳型奧氏體不銹鋼是一種以錳、氮部分代替鎳得到的一種亞穩型奧氏體不銹鋼。該不銹鋼具有良好的強度、塑性和耐蝕性，在常規使用環境下其耐蝕性可與SUS304不銹鋼相媲美。截至目前，節鎳型不銹鋼材料主要有：Cr系鐵素體與馬氏體不銹鋼、Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼。典型的節鎳型不銹鋼牌號有SUS420J2馬氏體不銹鋼、SUS430鐵素體不銹鋼、SUS201 Cr-Mn-N奧氏體不銹鋼、SUS329J1雙相不銹鋼等[6]。

由于高氮節鎳奧氏體不銹鋼中的氮含量較高，因此焊接過程中會造成氮的逸出和氮氣孔形成等現象，除此之外，對于高氮節鎳不銹鋼焊接材料，較高的氮含量必然導致焊接時氮化物的析出并影響材料的組織和性能。有研究結果表明，由于氮的析出，在其周圍會形成貧氮區，從而誘導α相形成，這種析出相對材料韌性和耐蝕性會造成不利影響[7]。因此，對高氮節鎳型奧氏體不銹鋼焊接工藝及接頭組織性能的研究具有實際應用意義。本文研制了一種Cr-Mn-N-Ni系節鎳型奧氏體不銹鋼焊絲及其配套燒結埋弧焊劑，在保證焊接工藝性能的前提下，探討了熔敷金屬的力學性能和耐蝕性。

2 埋弧焊絲合金體系的設計

在節鎳型奧氏體不銹鋼中，一般含有鉻、鎳、氮、銅、錳等主要元素，現對各元素作用分別作簡要說明[8]。

2.1 鉻的影響

鉻是不銹鋼獲得耐蝕性的主要合金元素，對耐蝕性起著決定作用，且對于氧化性環境特別有效。鋼中添加鉻后會在鋼的表面形成（Fe，Cr）2O3的致密氧化物膜，起到強烈的鈍化作用；鉻是鐵素體形成元素，是穩定鐵素體組織的主要合金元素，鉻也是金屬間化合物（σ相）的重要成分，而金屬間化合物的存在，可提高不銹鋼的脆化傾向。

2.2 鎳的影響

鎳是擴大奧氏體區的元素，在不銹鋼中鎳與鉻配合，可獲得穩定單相奧氏體組織，使鋼具有更好的耐蝕性、良好綜合力學性能和焊接性能，提高鋼的高溫強度和抗氧化性能。鎳能使合金表面鈍化，擴大鋼在酸中的鈍化范圍，但不能改善鋼對稀硝酸的耐蝕性，它能提高不銹鋼抗硫酸、鹽酸等腐蝕介質的性能，是耐蝕鋼的主要合金元素。

2.3 碳的影響

碳是奧氏體形成元素，對提高奧氏體鋼耐熱性有重要作用，但對不銹鋼的耐蝕性不利，因為碳是一種強烈的碳化物形成元素，在不同溫度下碳與鉻能形成多種化合物，如 Cr23C6、Cr7C3、（Fe，Cr）23C6等。這些鉻碳化合物最容易在晶界處生成，使晶界出現貧鉻現象，即減少了晶界上鉻的有效含量，導致鋼的耐蝕性降低，產生晶間腐蝕。

2.4 錳的影響

錳與鎳一樣是奧氏體形成元素，錳可以擴大γ相區，使γ-α轉變線向低溫方向移動。在低溫時，錳可以有效地穩定奧氏體，阻止奧氏體轉變為馬氏體。

2.5 銅的影響

不銹鋼中銅對氧的親和力小，在生成鐵磷的過程中，銅通過滲透進入晶界，在鐵磷層下富集，形成低熔點鐵銅共晶，導致表面裂紋的產生。當鉻含量較高時，如奧氏體的鉻鎳鋼中，薄且附著良好的鐵磷層抑制了銅的這一不利影響。

2.6 硅的影響

作為不銹鋼的一種合金元素，當加入wSi＝1%～3%時，可提高抗氧化性；硅可以形成多種鐵的硅化物，這些硅化物有使組織脆化的傾向；硅在凝固時會發生偏析形成低熔點固晶，對焊縫金屬中熱裂紋的產生也有重要影響，為此，通常要求wSi＜1%。

2.7 氮的影響

氮是強烈的奧氏體形成和穩定元素，在奧氏體不銹鋼中利用氮來部分取代鎳，或與錳元素結合來完全取代鎳，可以更加穩定奧氏體組織，在顯著提高不銹鋼強度的同時不損害其韌性，而且能夠提高不銹鋼的局部耐腐蝕能力（如晶間腐蝕、點腐蝕和縫隙腐蝕等）。同時，氮在自然界大量存在，成本低廉，近年來高氮低鎳奧氏體不銹鋼的研究已成為一個十分活躍的前沿領域。

綜合考慮各合金元素對焊接工藝性能及不銹鋼性能影響，設計一種Cr-Mn-N-Ni不銹鋼埋弧焊絲，型號為JW-ER1803，其主要化學成分見表1。

表1 JW-ER1803焊絲主要化學成分（質量分數） （%）

3 埋弧焊劑渣系的設計

堿度是焊劑中堿性氧化物與酸性氧化物的比值。提高焊劑的堿度，既能減少焊縫金屬中的硫、磷含量，還能降低焊縫金屬的氧含量，使焊縫金屬的沖擊韌度提高[9]。

焊劑的配方設計應兼顧焊接工藝性能和焊縫金屬的內在性能。不銹鋼合金元素含量高，焊接時具有易燒損的特點，因此在配方設計時要重點考慮上述因素，控制焊劑熔渣的堿度，提高焊縫純凈度，故選用中性渣系，保證焊縫金屬中合金元素含量，從而提高焊縫金屬的綜合性能。

針對不銹鋼焊絲中合金元素含量高、易氧化燒損和熱裂傾向大的特點，埋弧焊劑JWF603選用氧化性小、堿度適宜的CaF2-MgO-CaO-SiO2焊劑渣系，通過調整多種復合氧化物原材料配比，優化焊劑的焊接工藝性能，并加入適量的長石、云母等含有易電離穩弧元素原材料進行調整。通過大量對比試驗，確定出焊劑配方中礦物成分的配比，并添加適量合金元素，從而確定JWF603焊劑配方，見表2。

表2 JWF603焊劑基礎配方（質量分數）（%）

焊劑熔渣的物理特性對焊接質量影響很大，如熔渣的熔點、黏度、表面張力等。若熔渣熔點過高、熔渣凝固過早，焊接過程產生的氣體來不及從熔池表面穿過熔渣表面逸出，從而滯留在熔池和熔渣界面，則焊道表面就會出現壓坑，渣殼相應位置上還會出現孔洞；若熔渣的熔化溫度過低，則熔渣流動性又會過大，這兩種情況均會嚴重影響焊縫成形[9]。

提高焊劑中CaF2比例，調整高熔點組分和低熔點組分的比例，可降低熔渣的熔點和黏度，但CaF2過多會影響焊接電弧的穩定性，因此需要在焊劑中添加少量穩弧劑來穩弧。

配方中用表面張力較小的組分來替代表面張力較大的組分，并添加多種復合氧化物，如長石、云母等，有利于降低焊劑的表面張力和界面張力，從而改善焊劑的浸潤性，使焊道平整美觀。

MgO為堿性氧化物，可提高焊劑熔渣堿度，適量加入時可改善焊劑透氣性，隨著MgO含量的增加，可減少焊道表面壓坑；高溫液態MgO表面張力較低，可增強焊接熔渣的鋪展性能。

SiO2為酸性氧化物，若加入量過多，則會使熔渣堿度降低，提高焊縫金屬的含氧量，進而惡化焊縫金屬的力學性能；過多的SiO2會提高焊劑熔渣的黏度，使焊道紋路變粗。

CaO為堿性氧化物， 一般以復合氧化物組分加入熔池反應區，對焊縫金屬脫S、P 有利。但CaO屬于離子鍵， 離子之間有較強的鍵結合力，使得熔渣與液態金屬間界面張力增大，導致熔滴粗大，并且含量過多時，易出現粘渣現象。

4 焊接工藝性能試驗研究

4.1 焊劑焊接工藝試驗

試驗板材為SUS304不銹鋼，規格尺寸為300mm×150mm×16mm；設計單邊V形坡口；焊接材料采用JW-ER1803埋弧焊絲及JWF603埋弧焊劑組合，使用優化后的焊接參數分別進行了平焊、V形坡口焊接工藝試驗，具體情況如圖1、圖2所示。

由圖1可看出， JW-ER1803焊絲與JWF603焊劑配合施焊，焊接工藝性能良好，脫渣性能優異，焊道成形美觀。由圖2可看出，V形坡口焊道成形和脫渣均優良。

圖1 平焊焊接工藝

圖2 V形坡口焊道成形

4.2 熔敷金屬性能試驗

（1）熔敷金屬化學成分 熔敷金屬化學成分分析試樣的制備按照GB/T 25777—2010《焊接材料熔敷金屬化學分析試樣制備方法》中的規定進行制樣、取樣，用德國布魯克直讀光譜儀進行化學成分分析，其結果見表3。

表3 熔敷金屬化學成分（質量分數） （%）

（2）熔敷金屬的組織結構分析 不銹鋼的微觀顯微組織較為復雜，根據合金成分不同，這些相的形態、數量、尺寸和分布有所差異，但相的種類基本相同。JW-ER1803焊絲與JWF603焊劑組合，其熔敷金屬金相顯微組織如圖3所示。由圖3可知，該組織為鑄態組織，構成比較細小，主要由大量的奧氏體和少量的鐵素體組成。

圖3 熔敷金屬金相顯微組織

（3）熔敷金屬試板的制備 按GB/T 17854—2018《埋弧焊用不銹鋼焊絲-焊劑組合分類要求》中相關要求對熔敷金屬試板進行制備，試板裝配及取樣位置如圖4所示，焊接參數見表4。

表4 制備熔敷金屬試板所用焊接參數

圖4 試板裝配及取樣位置示意

（4）熔敷金屬力學性能試驗 JW-ER1803焊絲和JWF603焊劑組合用于焊接同材質成分的節鎳型不銹鋼板，以期替代ER308焊絲和SUS304不銹鋼，其熔敷金屬力學性能參照GB/T 17584—2018中SF308FB-S308的要求。

采用Q355鋼板作為母材，用JW-ER1803焊絲TIG焊熔敷兩層隔離層后進行試板焊接，制作熔敷金屬拉伸和沖擊試件，拉伸和沖擊試驗結果見表5。

表5 熔敷金屬力學性能

熔敷金屬拉伸試樣300倍和500倍視野下的斷口形貌如圖5所示，采圖位置為拉伸試樣斷口中心。從圖5可看出，大量由撕裂唇包圍的小且深的韌窩，分布均勻，具有典型的穿晶斷裂特征，呈微孔聚合韌性斷裂，且塑性變形較為充分。

圖5 拉伸斷口形貌

－196℃沖擊斷口形貌如圖6所示。從圖6a可看出，斷口沒有明顯的剪切唇區和纖維區，放射區占較大面積。從圖6b可看出，雖然斷口放射區可觀察到少量等軸韌窩的存在，但主要由較多河流花樣組成，且絕大部分為粗糙的解理面，并有部分撕裂棱存在，組織呈柱狀晶形貌，屬于脆性斷裂，說明JW-ER1803+JWF603熔敷金屬－196℃沖擊性能較差。

圖6 －196℃沖擊斷口形貌

室溫沖擊斷口形貌如圖7所示。從圖7a可看出，斷口分為典型的3個區域：剪切唇區、纖維區和放射區，其中纖維區面積較大，呈平坦狀。從圖7b可看出，纖維區斷裂形貌呈韌窩狀，是韌性斷裂，且韌窩較大，說明JW-ER1803+JWF603熔敷金屬室溫沖擊性能優良。

圖7 室溫沖擊斷口形貌

（5）熔敷金屬彎曲性能 熔敷金屬按GB/T 2653—2008《焊接接頭彎曲試驗方法》中要求進行彎曲試樣的制備和檢測，具體試驗結果見表6，彎曲試樣如圖8所示。

圖8 彎曲試樣

表6 熔敷金屬彎曲試驗

（6）熔敷金屬晶間腐蝕性能 熔敷金屬按GB/T4334—2020《金屬和合金的腐蝕 奧氏體及鐵素體-奧氏體（雙相）不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》中方法E進行晶間腐蝕試驗，在加有銅屑的硫酸-硫酸銅溶液中經16h連續煮沸后，彎曲180°檢測，表面無裂紋，試樣如圖9所示。

圖9 晶間腐蝕試樣

5 結束語

1）研制的JWF603焊劑選用CaF2-MgO-CaOSiO2堿性渣系，與JW-ER1803焊絲組合施焊，電弧燃燒穩定，焊接工藝性能良好，窄坡口焊接脫渣優異，焊道成形美觀。

2）JW-ER1803焊絲與JWF603焊劑組合，熔敷金屬晶間腐蝕性能良好，力學性能優異，熔敷金屬室溫下抗拉強度可達775MPa，伸長率可達35%，室溫沖擊吸收能量≥130J，－60℃沖擊吸收能量≥80J。

3）節鎳型JW-ER1803不銹鋼焊絲與JWF603焊劑組合綜合性能優良，可用于使用要求較低、工況簡單的不銹鋼焊接領域，節約了生產制造成本，具有很好的應用前景。