BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感性研究

吳 巍

(寶山鋼鐵股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

耐磨鋼產(chǎn)品可廣泛應(yīng)用于刮板輸送機(jī)、礦山破碎機(jī)械、輸送管道、工程車輛和挖掘機(jī)等耐磨領(lǐng)域。國(guó)際上目前應(yīng)用最為廣泛的中低合金耐磨鋼屬于馬氏體貝氏體強(qiáng)化型耐磨板,包括瑞典奧克隆德生產(chǎn)的HARDOX系列耐磨鋼,德國(guó)迪林根的400 V和500 V系列耐磨鋼,德國(guó)蒂森克虜伯的XAR400、XAR450、XAR500系列耐磨鋼;日本JFE的EH360、EH400和EH500系列耐磨鋼等;國(guó)內(nèi)舞陽(yáng)鋼廠、寶鋼先后開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)的NM系列與B-HARD系列耐磨鋼。中低合金耐磨鋼依托高強(qiáng)度獲得較高耐磨性,普遍具有相對(duì)較好的沖擊韌性,但長(zhǎng)期服役于沖擊、磨損雙重工況時(shí),材料易發(fā)生疲勞應(yīng)力開(kāi)裂,服役壽命大幅下降。同時(shí)需要引起關(guān)注的是,此類耐磨鋼普遍采用熔化焊工藝,焊縫及熱影響區(qū)韌性、塑性儲(chǔ)備余量較小,中厚板焊接接頭應(yīng)力集中嚴(yán)重的焊縫根部、熔合區(qū)以及過(guò)熱區(qū)存在氫致延遲裂紋傾向。另一方面,中低合金耐磨鋼焊接工件必須通過(guò)焊前預(yù)熱、焊后緩冷、后熱消氫處理的方式避免耐磨鋼焊接接頭冷裂缺陷的產(chǎn)生。而焊前及焊后熱處理大幅提高了生產(chǎn)成本,增加了生產(chǎn)周期,同時(shí)也導(dǎo)致施工條件惡劣、現(xiàn)場(chǎng)施焊難度大幅上升,不利于耐磨鋼焊接質(zhì)量穩(wěn)定性的提升。

另一類以Mn13為代表,在強(qiáng)沖擊、大壓力物料磨損作用下具有良好適應(yīng)性的奧氏體耐磨鋼,采用形變強(qiáng)化機(jī)制。Mn13高錳鋼在球磨機(jī)襯板、挖掘機(jī)斗齒、破碎機(jī)牙板,以及要求以耐磨為主的低沖擊鑄件,如襯板、齒板、破碎壁、軋臼壁、輥套和鏟齒等應(yīng)用廣泛[1-2]。由于高錳高碳含量,此類高錳耐磨鋼板的焊接接頭晶界處碳化物析出傾向大,導(dǎo)致焊縫及熱影響區(qū)部位易產(chǎn)生焊接熱裂紋,焊接性不良,焊接工藝窗口狹窄,施焊難度高等問(wèn)題,限制了此類高錳耐磨鋼的應(yīng)用范圍[3-5]。

寶鋼首發(fā)的BTW1改良型高錳耐磨鋼,其形變誘導(dǎo)強(qiáng)化特性超過(guò)Mn13、Mn18等高錳鋼。在載荷600 N石英砂磨損條件下,測(cè)得BTW1耐磨鋼的抗磨損性能比HARDOX450提高91%。BTW1奧氏體高錳鋼的開(kāi)發(fā)滿足了礦山機(jī)械用耐磨鋼產(chǎn)品的個(gè)性化與系列化要求,全面提升高錳耐磨鋼產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力與生命力。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼在工程應(yīng)用中大量采用焊接結(jié)構(gòu),母材單一奧氏體組織特征使得此類材料具有焊接熱裂紋敏感特性。國(guó)內(nèi)外針對(duì)高錳鋼焊接熱裂紋敏感傾向的研究較少,制約此類耐磨鋼焊接結(jié)構(gòu)推廣應(yīng)用。焊接熱裂紋是焊接生產(chǎn)中比較常見(jiàn)的一種裂紋缺陷,它是在焊接過(guò)程中焊縫和熱影響區(qū)金屬冷卻到固相線附近的高溫區(qū)時(shí)產(chǎn)生的,主要分為結(jié)晶裂紋、液化裂紋和多邊形裂紋。本文采用可調(diào)拘束度熱裂紋敏感試驗(yàn)和焊接溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法評(píng)估BTW1奧氏體高錳耐磨鋼的焊接熱裂紋敏感性。通過(guò)對(duì)熱裂紋敏感性定量分析,獲得材料本身冶金參量,支撐新型高錳鋼焊接工藝開(kāi)發(fā)和焊接結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化,滿足行業(yè)用戶對(duì)焊接接頭性能及現(xiàn)場(chǎng)制造特性的需求。

2 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用寶鋼研發(fā)的BTW1奧氏體高錳耐磨鋼板材,其化學(xué)成分見(jiàn)表1,母材微觀組織形貌特征見(jiàn)圖1?？烧{(diào)拘束度裂紋試板厚度6 mm,試板性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表1 BTW1奧氏體高錳鋼板材成分Table 1 Chemical compositions of BTW1 austenitic high manganese steel %

圖1 BTW1奧氏體高錳耐磨鋼微觀組織Fig.1 Microstructure of BTW1 austenitic high manganese steel

表2 BTW1奧氏體高錳鋼板力學(xué)性能Table 2 Mechanical properties of BTW1 austenitic high manganese steel

2.2 可調(diào)拘束度試驗(yàn)方法

評(píng)估焊接熱裂紋試驗(yàn)分為三大類,包括自拘束試驗(yàn)、可調(diào)拘束度試驗(yàn)、熱延性試驗(yàn)。其中自拘束試驗(yàn)對(duì)裂紋敏感性不能量化,試驗(yàn)結(jié)果僅顯示試樣開(kāi)裂或沒(méi)有開(kāi)裂,不能獲得開(kāi)裂溫度范圍、致裂應(yīng)力、應(yīng)變等專用數(shù)據(jù);而熱延性試驗(yàn)只是測(cè)定材料在高溫時(shí)的強(qiáng)度和延性,兩種方法均具有局限性[6-8]。目前可調(diào)拘束度試驗(yàn)方法是公認(rèn)的用于評(píng)定材料焊接熱裂紋敏感性最為有效和直觀的方法之一。這個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)便的施加應(yīng)變型的試驗(yàn),可以對(duì)引起焊接熱裂紋的冶金變量進(jìn)行表征。焊接性良好的奧氏體合金處理不當(dāng),容易引起焊接性問(wèn)題。焊接過(guò)程可能出現(xiàn)凝固裂紋、液化裂紋、固態(tài)裂紋等缺陷。凝固裂紋和液化裂紋與材料冶金特性和焊接過(guò)程控制相關(guān)聯(lián),主要發(fā)生于焊接高溫區(qū)間,在BTW1材料應(yīng)用中需要關(guān)注的這兩類焊接熱裂紋影響因素。應(yīng)用可調(diào)拘束度試驗(yàn)方法,能夠定量化材料焊接熱裂紋敏感性的大小,獲得特定材料受焊接熱過(guò)程影響的開(kāi)裂敏感性定量數(shù)據(jù),有效支撐材料選用和焊接結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化。

針對(duì)BTW1母材具有的單一奧氏體組織特征,本文研究中應(yīng)用縱向可調(diào)拘束度試驗(yàn)方法,對(duì)焊接結(jié)構(gòu)安全性有重大影響的焊接熱裂紋敏感性進(jìn)行研究。焊接熱循環(huán)作用下,奧氏體材料焊縫可能形成凝固裂紋,同時(shí)焊接熱影響區(qū)形成以液化裂紋為主的焊接熱裂紋。針對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生的此兩類熱裂紋,熱裂紋敏感性研究能夠?qū)Σ牧虾附有赃M(jìn)行定量表征,有助于材料應(yīng)用和焊接結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化。試驗(yàn)示意圖如圖2所示,試驗(yàn)過(guò)程中將試板兩端固定在彎曲模塊上方,然后采用TIG電弧在試板上從A點(diǎn)到C點(diǎn)進(jìn)行重熔,當(dāng)電弧移動(dòng)到B點(diǎn)時(shí),裝置加載輥使試板以某一速度快速?gòu)澢?直到試板與帶曲率半徑的彎曲模塊完全貼合為止。電弧在B點(diǎn)彎曲之后仍繼續(xù)前進(jìn),直至C點(diǎn)停機(jī)斷弧。縱向可調(diào)拘束度試驗(yàn)過(guò)程中彎矩是沿著焊道長(zhǎng)度方向上施加的,在熔合區(qū)和鄰近的熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋。焊接熱影響區(qū)液化裂紋在熔池邊界形成,并沿液化的晶粒邊界向熱影響區(qū)方向擴(kuò)展。

圖2 縱向可調(diào)拘束度試驗(yàn)方法Fig.2 Schematic diagram of varestraint test

本文研究中應(yīng)用的試驗(yàn)設(shè)備為美國(guó) D.L.WRIGHT 公司生產(chǎn)的MTV2500 型可調(diào)拘束度裂紋試驗(yàn)機(jī)(圖3)。可調(diào)拘束度試驗(yàn)中,在試板B點(diǎn)位置施加應(yīng)變是通過(guò)可置換的模塊控制的,MTV2500試驗(yàn)機(jī)采用不同應(yīng)變量的模具來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的應(yīng)變量施加,與傳統(tǒng)的可調(diào)拘束度裂紋試驗(yàn)設(shè)備相比,此設(shè)備具有可實(shí)現(xiàn)多種形式的試驗(yàn)、試樣制備簡(jiǎn)單、操作方便、數(shù)據(jù)穩(wěn)定等特點(diǎn)。

圖3 MTV2500 型可調(diào)拘束度裂紋試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)Fig.3 MTV2500 varestraint test machine

試板承受的應(yīng)變(ε)可由式(1)計(jì)算獲得:

(1)

式中:t為試板厚度;R為模塊的半徑。

可調(diào)拘束度試驗(yàn)中采用低倍顯微鏡(20～50倍)測(cè)量試驗(yàn)后試樣表面的裂紋長(zhǎng)度。采用試樣表面觀察到的“最長(zhǎng)裂紋長(zhǎng)度(MCL)”,作為測(cè)量參量。最長(zhǎng)裂紋擴(kuò)展路徑對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂溫度范圍定義為焊接熱裂紋敏感溫度區(qū)間(CSR),采用CSR對(duì)熱裂紋敏感性進(jìn)行定量評(píng)估,反映了材料冶金特性的差異。

可調(diào)拘束度試驗(yàn)中,當(dāng)施加的應(yīng)變高于一個(gè)臨界值(命名為飽和應(yīng)變)后,最長(zhǎng)裂紋長(zhǎng)度(MCL)不再隨應(yīng)變量增加而增加,此時(shí)熱裂紋已經(jīng)擴(kuò)展到了裂紋敏感區(qū)的全部長(zhǎng)度。飽和應(yīng)變值對(duì)應(yīng)的MCL易于測(cè)量,因此,最長(zhǎng)熱裂紋在熔合區(qū)和熱影響區(qū)中擴(kuò)展區(qū)域?qū)?yīng)的溫度區(qū)間,可以通過(guò)熔池邊緣溫度與裂紋擴(kuò)展終端溫度差計(jì)算獲得,如圖4所示。本文研究中,通過(guò)溫度場(chǎng)數(shù)值模擬的方式計(jì)算獲得熱裂紋擴(kuò)展對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間。

圖4 熱影響區(qū)熱裂紋敏感溫度區(qū)間Fig.4 The thermal crack-susceptible region

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

應(yīng)用縱向可調(diào)拘束度試驗(yàn)方法對(duì)BTW1奧氏體高錳耐磨鋼進(jìn)行熱裂紋定量分析,試驗(yàn)過(guò)程中的TIG自熔焊工藝參數(shù)見(jiàn)表3。試驗(yàn)中,在0.25%、0.5%、1%、2%應(yīng)變條件下沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面裂紋;當(dāng)測(cè)試應(yīng)變量達(dá)到3%時(shí),開(kāi)始出現(xiàn)表面裂紋,而當(dāng)應(yīng)變量達(dá)到5%時(shí),最長(zhǎng)熱裂紋長(zhǎng)度達(dá)到飽和狀態(tài)。觀察5%應(yīng)變量下最大裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài),將其對(duì)應(yīng)于模擬計(jì)算溫度場(chǎng),獲得了奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感溫度區(qū)間。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感溫度區(qū)間見(jiàn)圖5。圖5(c)中曲線A為熔池邊緣溫度循環(huán)曲線,曲線B為最大裂紋擴(kuò)展尖端對(duì)應(yīng)的溫度循環(huán)曲線。5%應(yīng)變量加載作用下,產(chǎn)生的最大裂紋由圖5(b)中A點(diǎn)擴(kuò)展至B點(diǎn)。擴(kuò)展路徑對(duì)應(yīng)的溫度區(qū)間由圖5(c)曲線A與曲線B在加載時(shí)刻對(duì)應(yīng)的溫度差值計(jì)算獲得,即A點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖5(c)中曲線A中的實(shí)際凝固溫度1 339.2 ℃與最長(zhǎng)裂紋尖端B點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖5(c)中曲線B的溫度1 187.0 ℃之差計(jì)算獲得。熱裂紋敏感性評(píng)價(jià)結(jié)果顯示,BTW1奧氏體高錳耐磨鋼測(cè)試臨界應(yīng)變量為3%,熱裂紋敏感溫度區(qū)間為152.2 K,見(jiàn)表4。

表3 TIG自熔焊工藝參數(shù)Table 3 Welding parameters for TIG

圖5 BTW1熱裂紋敏感溫度區(qū)間Fig.5 The thermal CSR of BTW1

表4 BTW1奧氏體高錳耐磨鋼熱裂紋敏感性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 4 The results of hot cracking susceptibility evaluation of BTW1

對(duì)于基體為奧氏體的鋼材,MCL與CSR相對(duì)應(yīng),它與材料冶金特性密切相關(guān)。而εmin表征材料萌生裂紋的難易程度,與材料的冶金因素及焊接工藝條件有關(guān),一般而言,εmin越小,材料熱裂紋敏感性越高。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼εmin達(dá)到3%,其在實(shí)際應(yīng)用的小應(yīng)變工況下具有較小的熱裂紋發(fā)生傾向。

針對(duì)BTW1奧氏體高錳耐磨鋼材料特性和行業(yè)應(yīng)用工況,采用ER307Si高錳不銹鋼MIG焊絲作為匹配焊接材料,完成BTW1鋼焊接工藝試驗(yàn)研究,焊絲成分見(jiàn)表5。焊接試驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表6。

表5 ER307Si焊絲成分 Table 5 Chemical compositions of filler metals ER307Si %

表6 BTW1-Mn8高錳鋼焊接工藝參數(shù)Table 6 Welding parameters for MIG welding of the BTW1-Mn8

BTW1奧氏體高錳耐磨鋼板材中厚板應(yīng)用于煤礦機(jī)械等典型耐磨領(lǐng)域,開(kāi)發(fā)的匹配焊接工藝,選用高錳鋼不銹鋼焊接材料,焊前不需要預(yù)熱處理,焊后不需要消應(yīng)力退火處理。取消熱處理工序節(jié)約施工成本,大幅度提高了焊接效率,降低了施焊難度,有利于施工現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)化推廣。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼通過(guò)母材成分控制,硫磷等有害雜質(zhì)含量低,能夠防止焊接熱裂紋產(chǎn)生;同時(shí)BTW1熱影響區(qū)晶粒粗化程度較低,小晶粒增加了晶界面積,減少單個(gè)晶界上的偏析量和局部應(yīng)力。由于破壞較多發(fā)生在晶界上,較為細(xì)小的晶粒進(jìn)一步增大了熱影響區(qū)的抗裂性。通過(guò)多層多道焊工藝,控制層間溫度低于150 ℃,避免過(guò)大熱輸入引起焊接接頭高溫停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、焊接熱影響區(qū)部位產(chǎn)生很陡的溫度梯度,有效避免熱裂紋的產(chǎn)生。BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接接頭熔合區(qū)及其相鄰熱影響區(qū)未見(jiàn)焊接熱裂紋缺陷(見(jiàn)圖6)。

圖6 BTW1焊接接頭宏觀形貌Fig.6 Weld morphologies of BTW1

焊接熔合區(qū)和熱影響區(qū)組織粗化程度較低(見(jiàn)圖7),能夠有效降低焊接熱裂紋敏感性的影響,保證良好的焊接質(zhì)量。焊接試板性能檢測(cè)結(jié)果顯示:焊接接頭拉伸性能良好;焊縫中心、熱影響區(qū)各位置沖擊韌性良好,具有較大的塑性、韌性儲(chǔ)備,能夠滿足工程應(yīng)用需要,見(jiàn)表7。

圖7 BTW1焊接熱影響區(qū)微觀組織Fig.7 The microstructure of BTW1 HAZ

表7 BTW1-Mn8高錳鋼焊接接頭性能Table 7 Mechanical properties of the BTW1-Mn8 welded joint

4 結(jié)論

(1) 可調(diào)拘束度試驗(yàn)作為BTW1奧氏體高錳耐磨鋼焊接熱裂紋敏感性定量評(píng)價(jià)方法,獲得了熱裂紋敏感性定量分析數(shù)據(jù),能夠有效支撐此類新型耐磨鋼材料應(yīng)用。

(2) BTW1奧氏體高錳耐磨鋼通過(guò)控制有害雜質(zhì)元素含量和晶粒細(xì)化,減少了焊接熱裂紋發(fā)生的傾向,小應(yīng)變等實(shí)際應(yīng)用工況下具有較小的熱裂紋發(fā)生傾向。

(3) 針對(duì)BTW1奧氏體高錳耐磨鋼中厚板典型耐磨應(yīng)用領(lǐng)域,開(kāi)發(fā)的匹配焊接工藝能夠有效避免焊接熱裂紋敏感性的影響,滿足工程應(yīng)用需要。