热处理对超低碳马氏体不锈钢焊缝熔敷金属性能的影响

天津重型装备工程研究有限公司高蕊赵云志作者简介：高蕊（1984-），女，天津大学材料加工工程专业毕业，硕士；毕业后一直在天津重型装备工程研究有限公司，从事特种焊接材料研制开发工作。摘要：超低碳马氏体不锈钢大型铸锻件最终回火热处理温度一般不超过600℃，因而其焊后回火热处理温度要低于600℃，一般为550~570℃，这样造成其焊接区的强度，比正常回火热处理温度下的强度、硬度偏高。在限制条件下，为了尽量降低超低碳马氏体不锈钢铸件焊接接头的焊后残余应力，改善焊接接头的综合性能，进行了焊后回火热处理试验，分析了延长回火保温时间，对超低碳马氏体不锈钢焊缝强度、硬度、冲击韧性和组织的影响。关键词：超低碳马氏体不锈钢铸件；焊缝熔敷金属；焊后回火热处理；强度；硬度；冲击韧度前言低碳马氏体不锈钢具有良好的淬透性、优良的室温和低温力学性能、腐蚀疲劳强度和动静态断裂韧性，是国内外大型水轮机铸件（上冠、下环、叶片等）广泛应用的材料。作为水轮机材料，除具有一定的耐腐蚀性能，耐磨性能以外，还需具有良好的抗空蚀性能和可焊性，因此为了提高水轮机铸件的抗气蚀性能和焊接性，现在多设计采用00Cr13Ni5Mo类型的超低碳马氏体不锈钢材料。对于超低碳马氏体不锈钢的焊接，现在发展方向是采用同材质焊接材料焊接00Cr13Ni5Mo型马氏体不锈钢。水轮机大型、重要的不锈钢铸件上冠、下环、叶片明确要求使用同材质焊接材料补焊。因此针对此种情况，研制开发了00Cr13Ni4Mo型马氏体不锈钢焊接用本体焊条TY-Cr13Ni4L。但超低碳马氏体不锈钢是可调质类型钢，经调质后其强韧性较好，而焊缝熔敷金属组织为铸态板条马氏体,由于回火条件的限制，其强度、硬度偏高，冲击韧性偏低。为消除焊后残余应力，提高焊缝熔敷金属的韧性，希望焊后回火温度尽量高些。因此，为了找到兼顾母材和焊缝性能的最佳焊后回火工艺参数，使焊接接头具有良好的综合性能，对超低碳马氏体焊缝熔敷金属进行了不同回火参数下的回火热处理试验研究。2试验材料和方法2.1试验材料焊条TYCr13Ni4L，是专门研制用于ZG00Cr13Ni4Mo超低碳马氏体不锈钢铸件补焊用本体焊条，铸件化学成分见表1。本试验即采用自行研制的TY-Cr13Ni4L超低碳马氏体不锈钢焊条，焊对接焊缝试板，焊接规范见表2，取焊缝无稀释熔敷金属进行试验研究，对焊接试板进行焊后热处理试验，焊缝熔敷金属化学成分见表1。2.2试验方法2.2.1分析回火热处理保温时间的延长对熔敷金属硬度影响根据三峡转轮上冠、下环和叶片等大型铸件焊接技术要求，焊后回火热处理温度一般比性能热处理回火温度低30~50℃，本实验确定研究回火热处理温度为570℃，分别制取5个试块,在该温度下进行了保温4h、8h、12h、16h、20h的回火热处理试验，并对五个试块进行了维氏硬度分析，检测设备为TuKon2100B全自动显微维氏硬度计，热处理设备DL07-1040台车式热处理炉，回火曲线见图1。2.2.2延长回火热处理保温时间对熔敷金属强度、冲击韧度的影响在完成2.2.1试验后，根据试验结果，取两块试板，在570℃的回火热处理保温温度，分别进行保温4h、16h焊后回火热处理试验，并分别对两块试板的焊缝无稀释熔敷金属进行冲击（0℃）、常温拉伸和金相分析；检测设备为CBD-500电子式摆锤冲击试验机、CSS44300电子拉伸试验机，200MAT金相显微镜图像分析仪，热处理设备DL07-1040台车式热处理炉。3试验结果与讨论3.1不同回火热处理保温时间对熔敷金属硬度的影响超低碳马氏体不锈钢是可调质类型钢，其本体焊条熔敷金属力学性能受焊后热处理影响[3]，对不同的试块同在570℃时进行不同保温时间的焊后回火热处理，其对应硬度值见表3。从表3中可以看出，随着回火保温时间的延长焊缝无稀释熔敷金属维氏硬度逐渐降低，在达到16h时得到了熔敷金属硬度最低值，继续保温其硬度值出现上升；本次试验用同种焊条进行了两次重复试验得到相同规律，分析认为，在回火保温过程中发生了铬的碳化物聚集成微观粒子，随着碳化物从基底组织中析出越来越多，硬度迅速降低；保温到一定时间，在该温度，铬的碳化物聚集到最大值硬度会降到一个最低值，继续保温硬度值不会再降低。3.2不同回火热处理保温时间对熔敷金属强度、冲击等力学性能的影响根据3.1试验结果，确定采用TY-Cr13Ni4L超低碳马氏体不锈钢焊条，焊对接试板，进行在570℃时，分别保温4h、16h焊后回火热处理对比试验,热处理规范同2.2.1，对热处理试板焊缝无稀释熔敷金属进行了力学性能和组织分析，力学性能见表4。通过表4可以看出，在同一温度,即由于锻件本体最终性能回火热处理温度限制，焊后回火温度不能太高时,通过延长焊后回火热处理保温时间，焊缝熔敷金属的抗拉强度有所下降，（0℃）冲击值提高，即随着保温时间的延长，熔敷金属的韧性得到改善,综合力学性能趋向更好。分析图2、图3可以看出，在回火热处理时，只保温4h时，组织为板条马氏体和晶界碳化物，但板条马氏体较粗大，回火的迹象不明显，对比分析图3，为回火保温16h的马氏体组织,回火作用明显，板条马氏体组织较细小，并且与图2中组织比较，其组织晶界明显，即铬的碳化物聚集多；是因为在延长回火保温时间时，铬的碳化物由过饱和组织内析出[4]逐渐的在晶界处发生聚集，延长保温时间，铬的碳化物析出聚集增多；对应分析相应试板性能，可见延长回火保温时间，组织细化和过饱和组织内碳化物的析出,使熔敷金属的抗拉强度略有下降，而韧性和综合力学性能得到改善。4结束语在本实验研究中得出，在一定回火热处理保温温度下，对TYCr13Ni4L超低碳马氏体焊条熔敷金属进行焊后回火热处理：4.1随着保温时间的延长，焊条熔敷金属的硬度逐渐降低，延长到一定时间，硬度降到最低值。4.2延长焊后回火热处理的保温时间,板条马氏体组织内过饱和碳化物在晶界聚集析出，组织得到细化，使熔敷金属的强度略有下降而冲击韧性有所提高，综合力学性能得到一定改善。参考文献[1]徐玉君.00Cr13Ni5Mo马氏体不锈钢焊接材料及焊接工艺方法的研究[J].机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士研究论文.[2]ErichFolkhard著,栗卓新,朱学军译.不锈钢焊接冶金[M].北京:化学工业出版社.2004.[3]马迅.热处理对0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢组织和性能的影响[J].特殊钢,1995(5):19~22.[4]伊延国,朱元吉.马氏体不锈钢的热处理和性能[J].国外金属热处理,1996(6):38~40.