熱處理對超低碳馬氏體不銹鋼焊縫熔敷金屬性能的影響

摘    要：超低碳馬氏體不銹鋼大型鑄鍛件zui終回火熱處理溫度一般不超過600℃，因而其焊后回火熱處理溫度要低于600℃，一般為550~570℃，這樣造成其焊接區的強度，比正常回火熱處理溫度下的強度、硬度偏高。在限制條件下，為了盡量降低超低碳馬氏體不銹鋼鑄件焊接接頭的焊后殘余應力，改善焊接接頭的綜合性能，進行了焊后回火熱處理試驗，分析了延長回火保溫時間，對超低碳馬氏體不銹鋼焊縫強度、硬度、沖擊韌性和組織的影響。

關鍵詞：超低碳馬氏體不銹鋼鑄件；焊縫熔敷金屬；焊后回火熱處理；強度；硬度；沖擊韌度      

前    言  

        低碳馬氏體不銹鋼具有良好的淬透性、優良的室溫和低溫力學性能、腐蝕疲勞強度和動靜態斷裂韌性，是國內外大型水輪機鑄件（上冠、下環、葉片等）廣泛應用的材料。作為水輪機材料，除具有一定的耐腐蝕性能，耐磨性能以外，還需具有良好的抗空蝕性能和可焊性，因此為了提高水輪機鑄件的抗氣蝕性能和焊接性，現在多設計采用00Cr13Ni5Mo類型的超低碳馬氏體不銹鋼材料。對于超低碳馬氏體不銹鋼的焊接，現在發展方向是采用同材質焊接材料焊接00Cr13Ni5Mo型馬氏體不銹鋼。水輪機大型、重要的不銹鋼鑄件上冠、下環、葉片明確要求使用同材質焊接材料補焊。因此針對此種情況，研制開發了00Cr13Ni4Mo 型馬氏體不銹鋼焊接用本體焊條TY-Cr13Ni4L。

        但超低碳馬氏體不銹鋼是可調質類型鋼，經調質后其強韌性較好，而焊縫熔敷金屬組織為鑄態板條馬氏體, 由于回火條件的限制，其強度、硬度偏高，沖擊韌性偏低。為消除焊后殘余應力，提高焊縫熔敷金屬的韌性，希望焊后回火溫度盡量高些。因此，為了找到兼顧母材和焊縫性能的*焊后回火工藝參數，使焊接接頭具有良好的綜合性能，對超低碳馬氏體焊縫熔敷金屬進行了不同回火參數下的回火熱處理試驗研究。

2    試驗材料和方法

2.1    試驗材料

        焊條TYCr13Ni4L，是專門研制用于ZG00Cr13Ni4Mo超低碳馬氏體不銹鋼鑄件補焊用本體焊條，鑄件化學成分見表1。本試驗即采用自行研制的TY- Cr13Ni4L超低碳馬氏體不銹鋼焊條，焊對接焊縫試板，焊接規范見表2，取焊縫無稀釋熔敷金屬進行試驗研究，對焊接試板進行焊后熱處理試驗，焊縫熔敷金屬化學成分見表1。

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2.2    試驗方法

2.2.1    分析回火熱處理保溫時間的延長對熔敷金屬硬度影響

        根據三峽轉輪上冠、下環和葉片等大型鑄件焊接技術要求，焊后回火熱處理溫度一般比性能熱處理回火溫度低30~50℃，本實驗確定研究回火熱處理溫度為570℃，分別制取5個試塊, 在該溫度下進行了保溫4h、8h、12h、16h、20h的回火熱處理試驗，并對五個試塊進行了維氏硬度分析，檢測設備為TuKon 2100B全自動顯微維氏硬度計，熱處理設備DL07-1040臺車式熱處理爐，回火曲線見圖1。

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2.2.2    延長回火熱處理保溫時間對熔敷金屬強度、沖擊韌度的影響

         在完成2.2.1試驗后，根據試驗結果，取兩塊試板，在570℃的回火熱處理保溫溫度，分別進行保溫4h、16h 焊后回火熱處理試驗，并分別對兩塊試板的焊縫無稀釋熔敷金屬進行沖擊（0℃）、常溫拉伸和金相分析；檢測設備為CBD-500電子式擺錘沖擊試驗機、CSS44300電子拉伸試驗機，200MAT 金相顯微鏡圖像分析儀，熱處理設備DL07-1040臺車式熱處理爐。

3    試驗結果與討論

3.1   不同回火熱處理保溫時間對熔敷金屬硬度的影響

         超低碳馬氏體不銹鋼是可調質類型鋼，其本體焊條熔敷金屬力學性能受焊后熱處理影響[3]，對不同的試塊同在570℃時進行不同保溫時間的焊后回火熱處理，其對應硬度值見表3。

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         從表3中可以看出，隨著回火保溫時間的延長焊縫無稀釋熔敷金屬維氏硬度逐漸降低，在達到16h時得到了熔敷金屬硬度zui低值，繼續保溫其硬度值出現上升；本次試驗用同種焊條進行了兩次重復試驗得到相同規律，分析認為，在回火保溫過程中發生了鉻的碳化物聚集成微觀粒子，隨著碳化物從基底組織中析出越來越多，硬度迅速降低；保溫到一定時間，在該溫度，鉻的碳化物聚集到zui大值硬度會降到一個zui低值，繼續保溫硬度值不會再降低。

3.2   不同回火熱處理保溫時間對熔敷金屬強度、沖擊等力學性能的影響

         根據3.1試驗結果，確定采用TY-Cr13Ni4L超低碳馬氏體不銹鋼焊條，焊對接試板，進行在570℃時，分別保溫4h、16h焊后回火熱處理對比試驗, 熱處理規范同

2.2.1，對熱處理試板焊縫無稀釋熔敷金屬進行了力學性能和組織分析，力學性能見表4。

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       通過表4可以看出，在同一溫度, 即由于鍛件本體zui終性能回火熱處理溫度限制，焊后回火溫度不能太高時, 通過延長焊后回火熱處理保溫時間，焊縫熔敷金屬的抗拉強度有所下降，（0℃）沖擊值提高，即隨著保溫時間的延長，熔敷金屬的韌性得到改善, 綜合力學性能趨向更好。

       分析圖2、圖3可以看出，在回火熱處理時，只保溫4h時，組織為板條馬氏體和晶界碳化物，但板條馬氏體較粗大，回火的跡象不明顯，對比分析圖3，為回火保溫16h的馬氏體組織, 回火作用明顯，板條馬氏體組織較細小，并且與圖2中組織比較，其組織晶界明顯，即鉻的碳化物聚集多；是因為在延長回火保溫時間時，鉻的碳化物由過飽和組織內析出[4]逐漸的在晶界處發生聚集，延長保溫時間，鉻的碳化物析出聚集增多；對應分析相應試板性能，可見延長回火保溫時間，組織細化和過飽和組織內碳化物的析出, 使熔敷金屬的抗拉強度略有下降，而韌性和綜合力學性能得到改善。

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4    結束語

         在本實驗研究中得出，在一定回火熱處理保溫溫度下，對TYCr13Ni4L 超低碳馬氏體焊條熔敷金屬進行焊后回火熱處理：

4.1   隨著保溫時間的延長，焊條熔敷金屬的硬度逐漸降低，延長到一定時間，硬度降到zui低值。

4.2   延長焊后回火熱處理的保溫時間, 板條馬氏體組織內過飽和碳化物在晶界聚集析出，組織得到細化，使熔敷金屬的強度略有下降而沖擊韌性有所提高，綜合力學性能得到一定改善。