摘 要:采用真空扩散焊接对０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３低碳钢进行了扩散连接,并对焊接接 头的显微组织和力学性能进行了研究.结果表明:０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３低碳钢扩散焊接接 头的抗拉强度和屈服强度随着焊接温度的升高有增大的趋势;当焊接温度为８５０℃时,焊接接头的 断后伸长率和冲击吸收能量达到最大.当 Cr２３C６ 析出相的尺寸较大时,将降低扩散焊接接头的韧 性,成为导致该焊接接头断裂失效的裂纹源.
关键词:不锈钢;低碳钢;真空扩散焊接;显微组织;力学性能
中图分类号:TG４５６．３ 文献标志码:A 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０９Ｇ０６０７Ｇ０４
随着新材料、新设备的不断涌现,异种金属复合 而成的零部件在机械工程领域中的应用越来越广 泛.异种材料零件不仅能充分利用不同材料的优异 性能,而且节约成本,提高经济效益[１].焊接是异种 金属材料连接的主要手段.因此,针对提高异种材 料焊接接头性能的研究成为当前热点[２].奥氏体不 锈钢具有强度高、韧性好、耐腐蚀等优异的性能,在 水电、石油化工、交通运输、食品等行业中有着广泛 的应用[３].近年来,核电、风电等新能源行业飞速发 展,奥氏体不锈钢越来越多地应用在核电、风电设备 的结构设计当中[４].随着奥氏体不锈钢应用范围的 扩大,奥氏体不锈钢与低碳钢异种材料焊接的场合 越来越多,对焊接接头质量的要求也越来越高.传 统的熔化焊和钎焊工艺已经无法满足新能源装备对 奥氏体不锈钢与低碳钢焊接接头的质量要求[５].近 年来随着工业生产的需求,真空扩散焊接技术从航 空、航 天 领 域 逐 渐 扩 展 应 用 到 普 通 机 械 加 工 行 业[６Ｇ７].真空扩散焊接技术的特点是在真空环境下, 将焊件紧密贴合,在一定温度和压力下保持一段时间,使接触面之间的原子相互扩散形成连接,这种焊 接方 法 连 接 面 积 大、结 合 强 度 高[８Ｇ９]. 笔 者 对 ０６Cr１９Ni１０奥氏体不锈钢和 A２８３ 低碳钢扩散焊 接接头的显微组织和力学性能进行了研究,为奥氏 体不锈钢与低碳钢异种材料焊接结构在工程中的应 用提供理论和实践基础.
１ 试验材料与试验方法
１．１ 试验材料
试验选用０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３低碳钢 作为待焊材料,其化学成分见表１
１．２ 试验方法
试样均为直径２００mm,长５０mm 的棒材,将两 种材料试样端面叠合在一起进行焊接.焊前将两个 试样接触表面先采用磨削方式进行平整、抛光,再进 行清洗和脱脂.A２８３低碳钢采用５％~１０％(质量分 数)的 H２SO４溶液＋２％~１０％(质量分数)的 HCl水 溶液进行酸洗,酸洗温度２０℃,酸洗时间５~１０min. ０６Cr１９Ni１０不锈钢采用１５％(质量分数)的 HNO３溶 液＋５０g??L－１ NaF水溶液在室温下浸蚀５~１０s,然 后用热水清洗,再在１００~１２０ ℃温度下烘干.两种 材料的脱脂均采用丙酮超声波清洗５min.清理后的 试样立即装入真空扩散焊接炉中进行焊接,避免试样 长时间暴露在空气中发生氧化.
扩散焊接设备为 ZK/LY２００ 型真空扩散焊接 炉,工作真空度１×１０－３Pa,焊接压力１０MPa,升温速率３５０℃??h－１,保温时间６０min.分别采用８００, ８５０,９００ ℃的焊接温度进行扩散焊接.
用线切割机制备金相试样,采用电解抛光和化学 浸蚀的方式处理金相试样观察面.电解抛光液为 １∶１５(体积比)的高氯酸和乙醇混合液,抛光电压为 ３５V,抛光时间约３０s.将电解抛光后的试样用王水 溶液擦拭腐蚀.采用 GSX５００型金相显微镜(OM)和 SIGMA３００型扫描电镜(SEM)观察界面结合区域的 组织 特 征.采 用 EPMAＧ１７２０Series 型 电 子 探 针 (EPMA)测定界面两侧元素扩散含量.采用 XRDＧ ６０００型 X射线衍射仪(XRD)对扩散焊界面进行物相 分析,工作电压４０kV,工作电流５０ mA,扫描范围 ３０°~１００°,扫描速度２°??min－１.按照 GB/T２６５１－ ２００８«焊接接头拉伸试验方法»和 GB/T２２９－２００７ «金属材料 夏比摆锤冲击试验方法»对０６Cr１９Ni１０不 锈钢和 A２８３低碳钢扩散焊接接头进行力学性能试 验.拉伸与冲击试样沿轴向取样,界面在试样中间位 置,冲击试样在界面处开 V型缺口.
２ 试验结果与讨论
２．１ 显微组织
图１为不同焊接温度条件下０６Cr１９Ni１０不锈 钢和 A２８３低碳钢扩散焊接接头界面的微观形貌. 可见随着焊接温度的升 高,０６Cr１９Ni１０ 不 锈 钢 基 体内 出 现 碳 化 物 的 析 出 相,当 焊 接 温 度 升 高 到 ８５０ ℃时碳化物逐渐溶解消失,而当焊接温度继续 升高至９００ ℃时,０６Cr１９Ni１０不锈钢基体内又出 现大量的碳 化 物 析 出 相,并 且 这 些 析 出 相 主 要 集 中在晶界交叉处.这是由于扩散焊界面两侧碳的 含量和碳的 化 学 势 随 焊 接 温 度 变 化 而 逐 渐 失 衡, 导致 A２８３低碳钢中的碳扩散到了０６Cr１９Ni１０不 锈钢基体一侧.
图２a)为０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３低碳钢扩 散焊接接头的高倍 SEM 形貌,可见在靠近扩散焊 界面区域的０６Cr１９Ni１０不锈钢基体中存在较多数 量的黑色颗粒.对这一区域进行 XRD 分析,结果 表明黑色颗粒为富铬的碳化物Cr２３C６.这类碳化物 特点是硬度高、脆性强[１０],会给扩散焊接头的韧性 带来负面影响.图３为扩散焊接接头内碳、铬和铁 元素的 EPMA 线扫描分析结果,可见随着焊接温度 的升高,碳原子自 A２８３低碳钢侧向０６Cr１９Ni１０不 锈钢侧扩散的数量增加,０６Cr１９Ni１０不锈钢基体中 碳含量升高导致碳化物相增多.同 时,A２８３ 低 碳 钢侧碳含量降低,导致珠光体脱碳形成铁素体,铁 素体层的厚度随焊接温度的升高而增加.铁和铬 原子半径相 近,两 者 以 置 换 扩 散 形 式 在 界 面 附 近 形成扩散 层.随 着 焊 接 温 度 的 升 高,铬 的 扩 散 距 离有所增加.
２．２ 力学性能
表２和 表３分 别 为０６Cr１９Ni１０不 锈 钢 和A２８３低碳钢扩散焊接接头的拉伸试验和冲击试验 结果.可见在不同焊接温度下,０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３低碳钢扩散焊接接头的抗拉强度和屈服强 度位于两种母材之间,且随着焊接温度的升高有增 大的趋势;当焊接温度为８５０℃时,焊接接头的断后 伸长率和冲击吸收能量达到最大.
图４为０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３低碳钢扩 散焊接接头在不同焊接温度下的界面处冲击断口形 貌.由图４a),b)可知,焊接温度８００ ℃和８５０ ℃接 头的界面冲击断口有明显的韧窝,属于韧性断裂,两 者的区别是８００℃焊接条件下的扩散焊接接头冲击 断口韧窝尺寸较大且韧窝内有明显的硬质化合物, 化合物成分经 EDS 测试判定为富铬的碳化物,如 图５所示.这些碳化物所在的位置即是导致接头断 裂失效的裂纹源,因为接头发生塑性变形时这些硬 质的碳化物与周围塑性较好的基体组织分离,大量 的裂纹源汇集到一起形成扩展裂纹,并最终导致了 接头断裂失效.８５０ ℃焊接温度下的界面冲击断口 表面没 有 明 显 的 碳 化 物 存 在,因 而 其 韧 性 最 好. 图４c)为焊接温度９００ ℃下的扩散焊接接头界面处 断口形貌,其断口呈韧性断裂与局部脆性断裂的混 合断裂形式,局部脆性断裂面呈解理断裂的河流图 样;韧性断裂区可以看到存在较大尺寸的碳化物颗 粒,这些 脆 硬 的 碳 化 物 在 界 面 区 域 析 出,导 致 了 ０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３ 低碳钢扩散焊接接头 韧性的下降.
３ 结论
(１)采用真空扩散焊接实现了０６Cr１９Ni１０不 锈钢和 A２８３低碳钢的固相扩散连接.０６Cr１９Ni１０ 不锈钢和 A２８３低碳钢扩散焊接接头的抗拉强度和 屈服强度随着焊接温度的升高有增大的趋势;当焊 接温度为８５０ ℃时,焊接接头的断后伸长率和冲击 吸收能量达到最大.
(２)当 Cr２３C６ 析出相的尺寸较大时,将降低扩 散焊接接头的韧性,并成为导致该焊接接头断裂失效的裂纹源.
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