分享：不锈钢/低碳钢扩散焊接接头的 显微组织和力学机能

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、新设备的不断呈现,异种金属复合 而成的零部件在机器工程领域中的运用越来越广 泛.异种材料零件不仅能充分利用不同材料的精良 性能,而且节约本钱,提高经济效益[１].焊接是异种 金属材料连接的紧张手段.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、耐堕落等精良的性能,在 水电、石油化工、交通运输、食品等行业中有着广泛 的运用[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运用在核电、风电设备 的构造设计当中[４].随着奥氏体不锈钢运用范围的 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,对焊接接头质量的哀求也越来越高.传 统的熔化焊和钎焊工艺已经无法知足新能源装备对 奥氏体不锈钢与低碳钢焊接接头的质量哀求[５].近 年来随着工业生产的需求,真空扩散焊接技能从航 空、航 天 领 域 逐 渐 扩 展 应 用 到 普 通 机 械 加 工 行 业[６Ｇ７].真空扩散焊接技能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韶光,使打仗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构造在工程中的应 用供应理论和实践根本.

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,其化学身分见表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 试样打仗表面先采取磨削办法进行平整、抛光,再进 行洗濯和脱脂.A２８３低碳钢采取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℃,酸洗韶光５~１０min. ０６Cr１９Ni１０不锈钢采取１５％(质量分数)的 HNO３溶 液＋５０gL－１ NaF水溶液在室温下浸蚀５~１０s,然 后用热水洗濯,再在１００~１２０ ℃温度下烘干.两种 材料的脱脂均采取丙酮超声波洗濯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 永劫光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,事情真空度１１０－３Pa,焊接压力１０MPa,升温速率３５０℃h－１,保温韶光６０min.分别采取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,采取电解抛光和化学 浸蚀的办法处理金相试样不雅观察面.电解抛光液为 １∶１５(体积比)的高氯酸和乙醇稠浊液,抛光电压为 ３５V,抛光韶光约３０s.将电解抛光后的试样用王水 溶液擦拭堕落.采取 GSX５００型金相显微镜(OM)和 SIGMA３００型扫描电镜(SEM)不雅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.采取 XRDＧ ６０００型 X射线衍射仪(XRD)对扩散焊界面进行物相 剖析,事情电压４０kV,事情电流５０ mA,扫描范围 ３０~１００,扫描速率２min－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 试验结果与谈论

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不雅观描述. 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逝,而当焊接温度连续 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 失落 衡, 导致 A２８３低碳钢中的碳扩散到了０６Cr１９Ni１０不 锈钢基体一侧.

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图２a)为０６Cr１９Ni１０不锈钢和 A２８３低碳钢扩 散焊接接头的高倍 SEM 描述,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 量的玄色颗粒.对这一区域进行 XRD 剖析,结果 表明玄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 线扫描剖析结果,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 钢侧碳含量降落,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.

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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从强 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 伸长率和冲击接管能量达到最大.

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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 者的差异是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, 化合物身分经 EDS 测试剖断为富铬的碳化物,如 图５所示.这些碳化物所在的位置即是导致接头断 裂失落效的裂纹源,由于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 的裂纹源搜集到一起形成扩展裂纹,并终极导致了 接头断裂失落效.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 断口描述,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 韧性的低落.

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３ 结论

(１)采取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 屈从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 接管能量达到最大.

(２)当 Cr２３C６ 析出相的尺寸较大时,将降落扩 散焊接接头的韧性,并成为导致该焊接接头断裂失落效的裂纹源.

参考文献:

[１] TORKAMANY MJ,SABBAGHZADEH J,HAMEDI M J． Effect of laser welding mode on the microstructure and mechanical performance of dissimilarlaserspotweldsbetweenlowcarbonand austeniticstainlesssteels[J]．MaterialDesign,２０１２, ３４:６６６Ｇ６７２．

[２] FANNY M,GUILHEM M,PIERRE L,et al． Heterogeneitiesinlocalplasticflow behaviorin a dissimilarweldbetweenlowＧalloysteelandstainless steel[J]．MaterialScienceandEngineering,２０１６,６６７: １５６Ｇ１６２．

[３] KHORRAMI M S, MOSTAFAEI M A, POURALIAKBAR H,etal．Studyonmicrostructure andmechanicalcharacteristicsoflowＧcarbonsteeland ferriticstainlesssteeljoints[J]．MaterialScienceand Engineering,２０１４,６０８:３５Ｇ４２．

[４] KHALIFEH A R,DEHGHAN A,HAJJARI E． DissimilarjoiningofAISI３０４L/St３７steelsby TIG weldingprocess[J]．Acta MetallurgicaSinica,２０１３, ２６(６):７２１Ｇ７２７．

[５] 马运柱,刘昊阳,刘文胜,等．钒/镍复合中间层扩散焊 接钨与钢的界面构造及力学性能剖析[J]．焊接学报, ２０１４,３５(１２):１Ｇ６．

[６] 刘海,张丽霞,任伟,等．表面毛化不锈钢与纯铝的真 空扩散连接[J]．焊接学报,２０１６,３７(５):４１Ｇ４４．

[７] HANEKLAUS N,REUVEN R,CIONEA C．Tube expansion and diffusion bonding of３１６L stainless steeltubeＧtoＧtubesheetjoints using acommercial rollertubeexpander[J]．JournalMaterialProcessing Technology,２０１６,２３４:２７Ｇ３３．

[８] ATABAKIM M,BAJGHOLI M E,DEHKORDIE H．Partialtransientliquidphasediffusionbondingof zirconiumalloy(ZrＧ２．５Nb)tostainlesssteel３２１[J]． MaterialDesign,２０１２,４２:１７２Ｇ１７５．

[９] DENG Y Q,SHENG G M,YIN L J．Inpulse pressuringdiffusionbondingoftitaniumtostainless steelusing a copper interlayer[J]．Rare Metal MaterialsandEngineering,２０１５,４４:１０４１Ｇ１０４７．

[１０] MICHAEL K U,AUST K T．A grain boundary characterization study of boron segregation and carbideprecipitationinalloy３０４austeniticstainless steel[J]．MaterialsScienceandEngineering,２００６,５４ (１):１０５３Ｇ１０５８．

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化考验－物理分册 > 55卷 > 9期 (pp:607-610)>​