429鐵素體不銹鋼焊接微觀組織和晶間腐蝕行為研究

王承印*，陳玉林，楊子潤

（1.鹽城工學院 材料科學與工程學院，江蘇 鹽城 224051；2.江蘇大周不銹鋼管有限公司，江蘇 鹽城 224007;3.鹽城工學院，江蘇 鹽城 224051）

鐵素體不銹鋼中主要的組分就是鐵素體組織，它的強度一般比其他不銹鋼高，而它的冷加工硬化效果并不理想[1]。其韌性在低溫或者室溫情況下很差，在這種情況下它們的缺口也存在非常高的敏感度[2，3]。尤其是當存在晶間腐蝕，這種敏感度就會變得更高，脆性會變得很大。

本文就高頻焊對429不銹鋼的影響進行探討。高頻焊原理是：依靠較高的電流頻率作用下發(fā)生的集膚效應，使焊件的外表面充滿電能，然后再依靠此類電流頻率下的臨近效應，使得電流流經的線路能夠被掌握，位置和范圍都能被準確的掌握[4，5]。高頻焊其實就是依靠焊接件構成的方式，在集膚效應和鄰近效應共同作用下，讓焊接件焊接處溫度迅速上升來完成焊接[6]。

金屬材料在一定的性質變化與能量傳遞條件下，在晶界上產生的一種電化學腐蝕破壞，這種破壞即為晶間腐蝕。從電化學本身來說，在腐蝕電位下，合金的晶粒本身和晶界區(qū)兩者會有溶解差，這就是晶間腐蝕的產生原因[6]。鐵素體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕，首先會在不銹鋼表面產生局部的破壞，然后從表面向晶界破壞，再破壞到晶界以內，最后整個晶界完全被破壞[7]。雖然在表面上看不出這種晶間腐蝕，但其實晶粒與晶粒之間的粒子相互作用力已經消失了。晶間腐蝕測試方法主要分為兩大類，一種叫做化學浸蝕法，即利用浸蝕表現(xiàn)金屬組織。另一種為電化學實驗方法，即通過保護電極的方式測試[8]。本實驗采用的硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法就是屬于電化學實驗方法。

鐵素體不銹鋼晶間腐蝕主要從焊接性、耐晶間腐蝕性和韌性等性能方面入手進行探索。劉繼明等研究了鈮對不銹鋼晶間腐蝕性能的影響。腐蝕試驗表明，合金元素有一個穩(wěn)定比率（Ti+Nb）/（C+N）=9的條件下不銹鋼表現(xiàn)出優(yōu)良的抗晶間腐蝕性能[9]。Baumel根據貧鉻理論對鐵素體不銹鋼晶間腐蝕進行過研究，發(fā)現(xiàn)析出的含鉻碳化物數(shù)量大小會對腐蝕程度大小造成影響，證實了貧鉻理論。

本文通過對429鐵素體不銹鋼進行高頻焊接處理，對其焊后母材，熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域成分組織進行檢測并進行金相分析，判斷焊接組織是否存在晶粒粗大和是否存在析出物。并研究高頻焊焊接方法對鐵素體晶間腐蝕行為具有哪些影響。

1 實驗材料與步驟

1.1 原材料

實驗原材料選用山西某不銹鋼廠出產的429鐵素體不銹鋼冷軋鋼帶，厚度為1.9mm。其成分和力學性能見表1，表2。

表1 實驗所用不銹鋼成分表（wt.%）

表2 實驗所用不銹鋼力學性能表

1.2 實驗步驟

采用高頻焊工藝，高頻焊選擇使用的電流頻率范圍為300KHz～450KHz，在焊接管焊接面處施加高頻電流使焊接處溫度上升至1350℃后，利用擠壓輥來擠壓焊件實現(xiàn)高頻焊接。

1.3 金相制備

將429鐵素體不銹鋼的母材，高頻焊樣品的母材、熱影響區(qū)與焊縫區(qū)利用電火花線切割機分別進行切割處理。其中429鐵素體不銹鋼母材切割大小約為10mm×10mm，其余樣品大小為7mm×7mm。將樣品放入金相鑲嵌機中進行鑲嵌，再經砂紙打磨后，將試樣進行拋光。然后選用10mlHCl-5mlHNO3-100mlH2O的腐蝕劑對試樣腐蝕后進行金相觀察，并且采集圖像進行組織分析。

1.4 硬度檢測

使用型號為HBE-3000A的電子布氏硬度計對高頻焊焊縫樣品進行硬度測試，載荷125kg，保壓10s～15s。對距焊縫中心不同位置進行測試。

1.5 晶間腐蝕

本實驗采用的是GBT4334.5-2000不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗方法，將試樣和銅粒加入硫酸-硫酸銅溶液，在微沸狀態(tài)下持續(xù)16h后，取出試樣清洗，并將試樣進行干燥處理。將腐蝕過后干燥的試樣壓平到180°。對彎曲后的試樣，在體視顯微鏡下觀察，放大倍率為10×。

2 實驗結果分析與討論

2.1 金相組織

圖1 實驗材料金相組織圖

從圖1（a）中可以看出，原材料中存在鐵素體組織和碳化物。通過查閱晶粒度評級圖，可以得到原材料的晶粒度級別為2級。

從圖1（b）中可以看出，高頻焊熱影響區(qū)存在鐵素體組織，奧氏體組織和碳化物相，其晶粒度級別為1級。奧氏體組織是鐵素體組織經過高溫奧氏體化轉變而成的。由于熱影響區(qū)靠近熔合線，而且從圖中也可以看出有明顯的晶粒粗大現(xiàn)象。產生這種晶粒粗大現(xiàn)象的原因以焊接時的熱循環(huán)為主。

從圖1（c）中可以看出，高頻焊焊縫存在鐵素體組織和碳化物相，還含有奧氏體組織，其晶粒度級別為3級。說明鐵素體組織經過高頻焊焊接而達到共析溫度發(fā)生了奧氏體化。

本實驗中采用的高頻焊接，在實驗過程中發(fā)現(xiàn)高頻焊接接頭會發(fā)生壓斷斷裂。說明高頻焊接的焊后成型性不好，會產生裂紋，抗裂紋敏感性不強。而又根據金相組織圖分析可知，鐵素體不銹鋼高溫焊接會使鐵素體組織發(fā)生奧氏體化形成奧氏體組織，并且焊接后都會有碳化物顆粒析出。

根據該鐵素體不銹鋼成分表知道該不銹鋼含鉻量很高，熱影響區(qū)晶粒粗大也因此比較明顯嚴重。這種粗晶組織的存在，導致了該不銹鋼焊接接頭的脆化。而由于這種接頭脆化的存在，又會使得焊接接頭對腐蝕破壞極為敏感，間接加強晶間腐蝕的趨勢。

2.2 硬度分析

圖2 高頻焊硬度折線圖

從圖2可以看出，焊縫中心的硬度最高，距焊縫中心距離從大到小呈先下降再上升的趨勢。由此可知焊接過程中會出現(xiàn)晶粒粗大，所以晶粒粗大的區(qū)域硬度會降低。另一方面由于奧氏體化的發(fā)生，也會引起硬度降低。而由于焊縫處鐵素體組織細小分散從而起到強化作用，所以焊縫位置的硬度最高。

2.3 晶間腐蝕

圖3 晶間腐蝕后形貌圖

由圖3（b）可知，原材在晶間腐蝕后表面腐蝕深度參差不齊，腐蝕程度較深。與圖3（a）進行對比發(fā)現(xiàn)高頻焊焊縫在晶間腐蝕后表面很平整，腐蝕深度較小且過渡也比較平緩。

根據圖3可以明顯看出，未經焊接的429鐵素體不銹鋼腐蝕程度較大，而高頻焊接后的焊接區(qū)域中，母材和熱影響區(qū)腐蝕程度也較大，但焊縫區(qū)域的腐蝕程度很小。即焊接接頭的耐晶間腐蝕能力比原材強。

貧鉻機理提出發(fā)生晶間腐蝕很主要的原因是鉻元素的擴散，而C會沿著晶粒的邊界進行擴散且速度比Cr要快，這樣晶界和附近的區(qū)域就會有一些包含Cr的碳化物析出。結合本實驗的晶間腐蝕后形貌圖中可以看出經由晶間腐蝕之后，腐蝕表面呈現(xiàn)出凹凸不平，還帶有因巨大的腐蝕程度差異而產生的分層剝離的現(xiàn)象。這些都是歸因于碳化物析出沉淀貧鉻，這種含鉻析出物讓Cr從母相中分離出去，使得晶界產生貧鉻區(qū)。證明了C的含量會嚴重危害鐵素體不銹鋼，使其晶間腐蝕的程度增大。同樣地，Cr的含量越高，鐵素體不銹鋼的耐晶間腐蝕性能也就越強。

由本實驗采用的429鐵素體不銹鋼成分表可知，材料含鉻量為15%左右，含鉻量較高，因此該不銹鋼晶間腐蝕后焊縫區(qū)的晶間腐蝕程度不大，腐蝕表面也較為平整，符合本實驗晶間腐蝕的形貌圖。通過對焊接后熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的金相組織圖分析，發(fā)現(xiàn)沒有因晶間腐蝕而產生的溝槽，證明該不銹鋼焊接接頭的耐晶間腐蝕性能好。根據成分表可知429鐵素體不銹鋼中含有一定量的穩(wěn)定性元素Nb，這種元素高溫不溶解，會形成穩(wěn)定的碳化物，使得貧鉻區(qū)減少，因此也會加強該不銹鋼的抗晶間腐蝕性能。也表明焊縫區(qū)的晶粒細小和均勻，從而在表面形成了致密的鈍化膜，對焊縫起到了保護作用，提高了該鐵素體不銹鋼的穩(wěn)定性。

3 結論

（1）429鐵素體不銹鋼焊接熱影響區(qū)在焊接過程中會出現(xiàn)晶粒粗大的情況，引起脆化現(xiàn)象。其焊接可以提高焊接接頭的穩(wěn)定性，提高耐晶間腐蝕性能。

（2）429鐵素體不銹鋼焊接后由于析出碳化物所以會存在晶間腐蝕的傾向。其晶間腐蝕符合貧鉻理論的觀點，C含量會對鐵素體不銹鋼晶間腐蝕造成嚴重影響。