2205 雙相不銹鋼/16MnR 爆炸復(fù)合板界面的微觀組織*

喻蘭英,羅 宏,曾憲光

(四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院材料腐蝕與防護(hù)四川省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 自貢643000)

2205 雙相不銹鋼為瑞典生產(chǎn),相當(dāng)于我國的00Cr22Ni5M o3N,具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性以及良好的整體和局部的抗應(yīng)力腐蝕能力,特別是抗氯化物導(dǎo)致的應(yīng)力腐蝕開裂方面具有絕對的優(yōu)勢[1-5]。16MnR 是鍋爐壓力容器常用的鋼材,具有良好的綜合機(jī)械性能、抗疲勞性能和焊接成形等工藝性能,與2205 雙相不銹鋼進(jìn)行爆炸焊接,用于制作化工容器、壓力容器、換熱器、造紙機(jī)械等[6]。

爆炸復(fù)合是一個(gè)復(fù)雜的過程,在炸藥爆炸的驅(qū)動(dòng)下基、復(fù)板發(fā)生高速碰撞,膨脹區(qū)在高溫、高壓的作用下產(chǎn)生高應(yīng)變率的塑性流動(dòng),并形成射流,高速運(yùn)動(dòng)的射流又與基、復(fù)板產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng),引起了侵徹和剪切作用[7]。爆炸復(fù)合界面的冶金質(zhì)量、微觀結(jié)構(gòu)等直接影響到復(fù)合板的結(jié)合強(qiáng)度,因此,研究爆炸復(fù)合界面微觀組織具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 材 料

試樣為2205 雙相不銹鋼(復(fù)材)和16MnR 鋼(基材)爆炸復(fù)合板。2205 雙相不銹鋼中其他成分為:wC=0.02%,wCr=22.41%,wNi=5.92%,wMo=3.33%,wN=0.221%,wMn=1.49%,wSi=0.35%,wP=0.023%,wS=0.002%;16MnR鋼中其他成分為:wC=0.159%,wMn=1.51%,wSi=0.33%,wP=0.016%,wS=0.007%。2205 雙相不銹鋼的厚度為4 mm,16M nR 的厚度為20 mm,復(fù)合板尺寸為25 mm×50 mm。

1.2 微觀組織觀察

試樣經(jīng)200#、320#、400#、600#、800#金相砂紙磨光后采用1 μm 的Al2O 3 拋光?；挠?%硝酸酒精溶液浸蝕,復(fù)材用10 g FeCl3·6H2O 溶解于90 ml 蒸餾水溶液浸蝕,顯示出復(fù)合材料的鐵素體、珠光體和奧氏體組織,用光學(xué)顯微鏡NIKON EPIPHOT200、掃描電鏡H ITACHI S-3000N 觀察復(fù)合界面的微觀組織。

1.3 復(fù)合界面顯微硬度測試

采用箱式電阻爐SX-4-10 進(jìn)行消除應(yīng)力退火,用顯微硬度計(jì)H V-1000 測試加熱不同溫度和時(shí)間后的顯微硬度,載荷為1.96 N。文中硬度值均為此條件下的測量值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 微觀組織分析

2.1.1 復(fù)合界面的結(jié)構(gòu)與組織

圖1 為復(fù)合界面的形貌,可以明顯地看出整個(gè)界面是由直線結(jié)合區(qū)和漩渦區(qū)組成,復(fù)合界面可以分為熔化區(qū)和塑性變形區(qū)。通過EDS 分析,在熔化區(qū)和擴(kuò)散區(qū)內(nèi)有不銹鋼存在,也有基材存在,這充分說明發(fā)生了冶金上的結(jié)合[6]。

圖2 為2205 雙相不銹鋼/16M nR 爆炸復(fù)合板復(fù)合界面熔化區(qū)的微觀組織。由于爆炸復(fù)合焊接是在很短的時(shí)間內(nèi)完成的,高速碰撞所產(chǎn)生的熱量很快被基體所吸收,因而缺乏大范圍的擴(kuò)散,2205 雙相不銹鋼/16MnR 爆炸復(fù)合的擴(kuò)散層有幾十微米,熔化區(qū)和熔化擴(kuò)散層里有珠光體組織,顯然是基材中C 原子向復(fù)材一側(cè)擴(kuò)散的結(jié)果。復(fù)合界面層總寬約100 μm,2205 雙相不銹鋼晶粒都沿爆炸沖擊方向被拉長形成顯微帶狀組織,寬度為5 ～8 μm,具有較高的塑性變形能力。距復(fù)合界面較遠(yuǎn)處分別為基材和復(fù)材的正常狀態(tài)組織。

復(fù)合界面的熔化層和熔化-擴(kuò)散層對于基材與復(fù)材的結(jié)合強(qiáng)度影響很大,熔化層和熔化-擴(kuò)散層與爆炸工藝有直接的關(guān)系。

圖1 復(fù)合界面的形貌Fig.1 SEM microgragh of explosively cladded plates interface

圖2 復(fù)合界面的金相組織Fig.2 Microstructure of explosively cladded plates interface

2.1.2 2205 雙相不銹鋼中的σ析出相

2205 雙相不銹鋼是一種富Cr、Mo 的奧氏體和鐵素體組成的雙相不銹鋼。當(dāng)在600 ℃～950 ℃的加熱過程中,析出σ相。σ相是一種含高C r、Mo 的Fe-C r(-Mo)金屬間化合物,是一種脆性相,出現(xiàn)的溫度范圍為600 ℃～900 ℃,在奧氏體和鐵素體晶界形核,首先會(huì)沿鐵素體中析出,極大破壞鋼的塑性,嚴(yán)重影響不銹鋼的耐晶間腐蝕性能和降低沖擊韌性[8]。σ相的析出與鋼中的合金元素含量有密切的關(guān)系,而雙相不銹鋼中存在大量的鐵素體-奧氏體晶界為σ相的析出提供了良好的條件,σ相的析出一般在鐵素體-奧氏體晶界處形核并向鐵素體一側(cè)開始長大[9]。因此,對于雙相不銹鋼的熱處理來說,避免σ相的析出是消除應(yīng)力退火中首要的問題。

圖3 為復(fù)材在850 ℃加熱保溫8 h 后爐冷到400 ℃出爐空冷的SEM 圖。2205 雙相不銹鋼的組織為奧氏體和鐵素體,經(jīng)過850 ℃加熱保溫8h 后,析出σ相(白色的小點(diǎn)),分布在兩相之間或鐵素體中。

圖4 為2205 雙相不銹鋼/16M nR 爆炸復(fù)合板經(jīng)熱處理后的復(fù)合界面的SEM 圖,熱處理狀態(tài)為700 ℃加熱保溫8 h后爐冷到400 ℃出爐空冷。爆炸復(fù)合板結(jié)和面的熔化層、熔化-擴(kuò)散層的寬度為約50 μm,界面沒有觀察到σ相。

圖3 2205 雙相不銹鋼退火后的顯微組織Fig.3 Microstructure of 2205 DSS after Annealing at 850 ℃for 8 h

圖4 復(fù)合界面的SEM 圖Fig.4 SEM micrograph of interface of 2205 DSS/16MnR

2.2 顯微硬度分析

2.2.1 熱處理前后硬度分布

爆炸態(tài)時(shí)復(fù)合界面的硬度分布見圖5,基材的硬度值最低為173,最高為320,復(fù)材的硬度值最低為330,最高為420,中間出現(xiàn)了硬度值最高的點(diǎn)。進(jìn)行650 ℃加熱保溫8 h 后爐冷到400 ℃出爐空冷的熱處理后的硬度分布見圖6,基材的硬度值在100 左右,復(fù)材的硬度值在300 左右。與爆炸態(tài)相比,熱處理后試樣的顯微硬度值明顯下降,說明熱處理消除了殘余的應(yīng)力。

圖5 爆炸態(tài)時(shí)復(fù)合界面的硬度分布Fig.5 Microhardness profile of cladded plate(explosive state)

圖6 熱處理后界面的硬度分布Fig.6 Microhardness of cladded plate after heat t reating

2.2.2 同一溫度下不同保溫時(shí)間的硬度

在650 ℃加熱,經(jīng)過2 ～12 h 不同的保溫時(shí)間,基材和復(fù)材的顯微硬度變化見圖7?；牡挠捕戎祻淖罡叩?9.2 降到了最低的75.7;復(fù)材的硬度值從最高的386 降到了最低的311.6,這說明保溫時(shí)間越長,去應(yīng)力的效果越好,試樣的殘余應(yīng)力越能得到消除。

圖7 顯微硬度隨保溫保溫時(shí)間的變化Fig.7 The variation of microhardness-time

2.2.3 不同溫度下相同保溫時(shí)間的硬度

在500 ℃～650 ℃不同溫度下保溫12 h 的硬度分析結(jié)果見圖8。結(jié)果表明,隨著熱處理溫度的升高,基材硬度值從最高的90.5 降到了最低的76.9;復(fù)材的硬度值從的398.6 降到了最低的302.8,這說明溫度越高去應(yīng)力效果較好,殘余應(yīng)力消除得越充分。

但在相同保溫時(shí)間下,熱處理溫度高的個(gè)別試樣硬度反而較高?；挠捕戎祻?50 ℃時(shí)的最高值89.1 降到了600 ℃時(shí)的75.7,然后在620 ℃時(shí)硬度值增大,變?yōu)榱?6.8,在650 ℃為87.8。這種情況可能是析出σ相所致。

圖8 顯微硬度隨熱處理溫度的變化Fig.8 The variation of microhardness-temperature

3 結(jié) 論

(1)消除應(yīng)力退火后基材、復(fù)材的顯微硬度隨著保溫時(shí)間的延長和溫度的升高而降低。

(2)2205 雙相不銹鋼在850 ℃加熱保溫8 h 后爐冷到400 ℃出爐空冷析出σ相。

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