高碳馬氏體不銹鋼M390 與奧氏體不銹鋼304 閃光對焊的微觀組織及力學(xué)性能

曹睿，喬麗學(xué)，車洪艷，李晌，王鐵軍，董浩

(1.蘭州理工大學(xué),有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州,7 300501；2.中國鋼研科技集團(tuán)有限公司,安泰科技股份有限公司,北京,100081；3.河北省熱等靜壓工程技術(shù)研究中心,涿州,072750；4.八環(huán)科技集團(tuán)股份有限公司,臺州,318054)

0 序言

刀具在日常生活中被廣泛使用，隨著對刀具需求的提升，刀具材料也面臨著新的發(fā)展.高端刀具行業(yè)的發(fā)展相比于國外有一定的滯后，主要在于刀具材料的研發(fā)及應(yīng)用方面.因此在推進(jìn)刀具產(chǎn)業(yè)發(fā)展改進(jìn)的同時，刀具新材料的工藝技術(shù)和高端產(chǎn)品的開發(fā)也是必不可少[1-3].

高碳馬氏體不銹鋼具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨性及耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，常常被用來生產(chǎn)制造刀剪產(chǎn)品[4-6].M390 是一種利用粉末冶金制備的新型高碳高鉻馬氏體不銹鋼，它由于具有良好的耐蝕性、耐磨性、高硬度而被廣泛用作高端刀具材料.而考慮到節(jié)約資源，控制成本，M390 僅被使用在刀身的關(guān)鍵部位，其它部分均由304 奧氏體不銹鋼代替.因此研究M390 高碳馬氏體不銹鋼與304 奧氏體不銹鋼焊接具有重大的意義.但由于馬氏體不銹鋼一側(cè)熱影響區(qū)和焊縫容易形成粗大的未回火馬氏體組織，焊縫和熱影響區(qū)可能產(chǎn)生氫致開裂[7]，故其具有較低的焊接性.

眾多學(xué)者通過嘗試各種焊接方法，如TIG 焊接、激光焊接以及電弧焊接等方法實(shí)現(xiàn)馬氏體不銹鋼與奧氏體不銹鋼焊接[8-12]，研究結(jié)果表明，采用傳統(tǒng)的熔化焊焊接時，馬氏體不銹鋼一側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)晶粒粗大的未回火馬氏體，且焊縫由大量的馬氏體和少量的鐵素體組成，焊縫脆性很大，容易在焊后冷卻過程中開裂.而固相焊接方法因具有熱輸入低，熱影響區(qū)范圍小且焊接接頭力學(xué)性能優(yōu)異等[7]特點(diǎn)備受關(guān)注，由于受到M390 硬度高及焊接設(shè)備方面的限制，未能使用攪拌摩擦焊，而選擇閃光對焊探究M390 與304 焊接.

閃光對焊屬于電阻焊范疇，是一種電加熱的塑性焊接，其熱效率高、焊接質(zhì)量好、可焊金屬和合金的范圍廣[6,13].閃光對焊時，在兩個對接試件的接觸端面，存在細(xì)小的接觸點(diǎn)，焊接時大電流通過這些接觸點(diǎn)，使該處溫度以極快的速度升高，金屬熔化，形成液態(tài)“過梁”；液態(tài)“過梁”在高溫金屬蒸氣的作用下發(fā)生爆破，形成閃光[14].閃光過程可以提供一部分熱輸入，并將焊接界面處的雜質(zhì)和氧化物以飛濺的形式帶離對焊界面，并且在接頭處產(chǎn)生CO，CO2及金屬蒸氣作為保護(hù)氣體，形成焊接接頭的自保護(hù).文中在合適的閃光對焊焊接工藝參數(shù)下實(shí)現(xiàn)了M390 與304 的焊接，并探究了M390 與304 焊接接頭的微觀組織及力學(xué)性能.

1 試驗(yàn)方法

采用M390 高碳馬氏體不銹鋼和304 奧氏體不銹鋼.其中M390 是退火狀態(tài).表1 是兩種材料的化學(xué)成分表.

表1 M390 與304 的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of M390 and 304

M390 與304 采用尺寸均為60 mm × 60 mm ×4 mm 的板材，試樣的對焊界面尺寸是60 mm ×4 mm.閃光對焊M390 與304 奧氏體不銹鋼示意圖如圖1 所示，對M390 與304 兩側(cè)施加確定的壓力，并通過一定的電流，讓兩者緩慢靠近，產(chǎn)生火花，最終實(shí)現(xiàn)連接.通過多次工藝參數(shù)的嘗試，確定最佳焊接工藝參數(shù)如表2 所示.利用閃光對焊最佳工藝參數(shù)下的焊接件，根據(jù)板材焊接后的實(shí)際尺寸，參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228—2002 《金屬材料室溫拉伸實(shí)驗(yàn)方法》設(shè)計制備出室溫板材拉伸試樣尺寸示意圖，如圖2 所示.在焊接件上制備出焊接接頭試樣，經(jīng)過打磨和拋光后，利用Wilson VH1102顯微維氏硬度機(jī)測量焊接接頭硬度，使用稀釋王水將焊接接頭腐蝕，在SEM 觀察焊接接頭不同區(qū)域的微觀組織，EDS 測量焊接接頭Ni，Cr 和C 等元素擴(kuò)散，采用型號為SHIMADZU 萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸測試，通過SEM 進(jìn)行斷口分析.

圖1 M390 與304 閃光對焊示意圖(mm)Fig.1 Schematic diagram of M390 and 304 flash butt welding

表2 M390 與304 閃光對焊的工藝參數(shù)Table 2 Welding parameters of M390 and 304 flash butt welding

圖2 焊接接頭拉伸試樣的尺寸(mm)Fig.2 Dimensions of the tensile specimens for the welded joints

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 M390 與304 閃光對焊焊接接頭的連接機(jī)理

表2 焊接工藝參數(shù)下所得焊接接頭的宏觀形貌如圖3 所示.焊接接頭宏觀形貌美觀，表面未觀察到缺陷存在.

圖3 焊接接頭的宏觀形貌Fig.3 Macro-morphology of the welded joints

圖4 是M390 高碳馬氏體不銹鋼與304 奧氏體不銹鋼焊接接頭的微觀形貌，M390 與304 焊接接頭連接良好.但由于熱輸入從焊縫向兩側(cè)母材逐漸減少，產(chǎn)生梯度變化，導(dǎo)致焊接接頭的微觀組織產(chǎn)生梯度的變化，焊接接頭的力學(xué)性能也發(fā)生梯度的變化.根據(jù)熱輸入對焊接接頭微觀組織影響，焊接接頭分為M390 母材、M390 細(xì)晶區(qū)、M390 粗晶區(qū)、焊縫、304 熱影響區(qū)和304 母材等6 個區(qū)域.每個區(qū)域?qū)?yīng)的微觀組織如圖5 所示.

圖4 M390 與304 焊接接頭的微觀組織Fig.4 Microstructure of M390 and 304 welded joints

圖5 M390 與304 焊接接頭各區(qū)域微觀組織Fig.5 Microstructure of M390 and 304 welded joints of different zones.(a) M390 base material;(b) M390 fine-grain heat-affected zone (FGHAZ);(c) the interface between M390 FGHAZ and coarse-grain heat-affected zone(CGHAZ);(d) M390 CGHAZ;(e) weld metal;(f) 304 HAZ;(g) 304 base metal

圖5a 是M390 母材，圖5b 是M390 細(xì)晶區(qū)，兩個區(qū)域碳化物尺寸和形貌基本保持一致，都是以顆粒狀存在.表3 中EDS 分析表明，M390 側(cè)及焊縫碳化物為(Cr，V)碳化物.結(jié)合圖6 中XRD 分析，M390 母材組織由馬氏體、殘余奧氏體、M23C6和M7C3組成，M390 細(xì)晶區(qū)組織由馬氏體、M23C6和M7C3組成.圖5c 為M390 粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的分界處，組織由馬氏體、M23C6和M7C3組成，M390 細(xì)晶區(qū)和M390 粗晶區(qū)碳化物尺寸和形貌存在明顯的差異.圖5d 是M390 粗晶區(qū)，組織由馬氏體、M23C6和M7C3組成.在這個區(qū)域內(nèi)，受到熱輸入的影響較大，碳化物聚集長大，且有新的碳化物不斷析出，碳化物形貌存在顆粒狀和長條狀兩種形態(tài).圖5e 是焊縫，組織由馬氏體、奧氏體和M23C6和M7C3組成.焊縫中碳化物數(shù)量較M390 熱影響區(qū)減少，大部分規(guī)則地沿晶界分布.圖5f 是304 熱影響區(qū)，組織由奧氏體、馬氏體、M23C6和M7C3組成.圖5g 是304 母材，組織由奧氏體和M23C6組成.304 熱影響區(qū)中有馬氏體組織形成，馬氏體相較于奧氏體的溶碳能力差，導(dǎo)致基體中過飽和的C 和Cr 元素結(jié)合，而C 元素含量對M23C6向M7C3轉(zhuǎn)變具有關(guān)鍵性作用，因此基體中過飽和的C 元素不僅促使碳化物數(shù)量增加，也導(dǎo)致碳化物類型發(fā)生由M23C6向M7C3轉(zhuǎn)變.M390 熱影響區(qū)相較于M390 母材，殘余奧實(shí)體向馬氏體轉(zhuǎn)變，促進(jìn)碳化物發(fā)生相同的變化.

圖6 焊接接頭不同區(qū)域的XRD 分析Fig.6 XRD analysis of different welded joints zones.(a)M390 heat-affected zone;(b) 304 heat-affected zone；(c) weld metal

表3 圖5中不同相區(qū)的EDS 點(diǎn)成分分析 (原子分?jǐn)?shù),%)Table 3 EDS results of zones 1-2 in Fig.5

圖7 為M390 與304 閃光對焊焊接接頭線掃描分析，通過表1 中M390 與304 化學(xué)成分對比，可以看出M390 與304 之間C,Ni 和Cr 等元素存在著較大的差異.圖7a 為焊接接頭處C 和Ni 元素擴(kuò)散.C 元素從M390 側(cè)向304 側(cè)擴(kuò)散，而Ni 元素從304 側(cè)向M390 側(cè)擴(kuò)散.Ni 元素是促進(jìn)奧氏體形成元素，Ni 元素在焊縫中擴(kuò)散有助于提高焊縫的韌性，在焊后冷卻過程中焊縫不會因?yàn)榇嘈蕴蠖a(chǎn)生裂紋.C 元素在焊縫中擴(kuò)散，使得C 元素含量在焊縫中由M390 側(cè)向304 側(cè)逐漸降低，呈現(xiàn)出梯度變化，這也是焊縫硬度呈梯度變化的原因之一.已有文獻(xiàn)[15-17]表明異種鋼焊接接頭存在增碳層和脫碳層，Cr 元素可以促進(jìn)碳化物的形成，降低碳的活度系數(shù).一方面，M390 側(cè)含有較高的碳化物促進(jìn)元素，而C 元素又具有很強(qiáng)的擴(kuò)散能力，焊縫中C 元素向304 側(cè)擴(kuò)散形成增碳層，如圖7a 中Ⅱ區(qū)域所示，而在M390 側(cè)形成脫碳層，如圖7a 中Ⅰ區(qū)域所示.另一方面，M390 側(cè)熱影響區(qū)有大量馬氏體組織形成，降低了基體溶碳的能力，促使C 元素發(fā)生擴(kuò)散.圖7b 中Cr 元素在Ⅲ區(qū)域有明顯下降，主要是由于擴(kuò)散的C 元素很少溶解到基體中，大部分是與Cr 元素結(jié)合形成碳化物.脫碳層的強(qiáng)度及韌性較低，降低焊接接頭的力學(xué)性能.所以C 元素的擴(kuò)散對焊接接頭的強(qiáng)度和韌性有很大的影響.

圖7 M390 與304 焊接接頭線掃描分析Fig.7 Line scan analysis of M390 and 304 welded joints.(a) C,Ni change;(b) C,Ni,Cr change

2.2 M390 與304 閃光對焊焊接接頭的硬度分析

圖8 為焊接接頭的硬度變化趨勢，M390 熱影響區(qū)由粗大的未回火馬氏體和碳化物組成，因此在M390 粗晶區(qū)硬度達(dá)到最高值為658.6 HV.而焊縫位置處由于C,Cr 和Ni 等元素擴(kuò)散，硬度呈現(xiàn)出從M390 側(cè)向304 側(cè)逐漸降低的趨勢.結(jié)合圖7 中結(jié)果，硬度在焊縫中變化趨勢與C，Cr 和Ni 等元素擴(kuò)散相關(guān)，這也表明焊縫中存在成分不均現(xiàn)象.

圖8 M390 與304 焊接接頭的硬度Fig.8 Hardness of M390 and 304 welded joints

2.3 M390 與304 閃光對焊焊接接頭的拉伸強(qiáng)度及斷裂位置分析

焊接接頭抗拉強(qiáng)度為480.62 MPa，斷后伸長率為6.2%，其室溫拉伸應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)鐖D9a 所示.焊接接頭與M390 和304 母材拉伸結(jié)果相比，焊接接頭抗拉強(qiáng)度較低.但焊接接頭斷后伸長率與M390 母材相同.M390 母材表面存在大量的碳化物，固溶強(qiáng)化作用明顯，而焊縫中碳化物數(shù)量較少，強(qiáng)化作用明顯弱于M390 母材.圖9b 中可以看出，焊接接頭抗拉強(qiáng)度分別為M390 和304 母材的52%和61%，焊接接頭斷后伸長率分別為M390 和304 母材的115%和9%.焊接接頭強(qiáng)度較高，塑性較低.若要進(jìn)一步提高焊接接頭的塑性，一方面是通過熱處理改善焊縫中元素擴(kuò)散不均的現(xiàn)象；另一方面是增加焊縫中Ni 元素含量.

圖9 M390 及304 母材及其焊接接頭的拉伸結(jié)果Fig.9 Tensile results of M390 and 304 base metal and welded joints.(a) stress-strain curves;(b) tensile strength and elongation

圖10 是M390 與304 焊接接頭斷裂位置分析.焊接接頭斷裂位置在焊縫區(qū)域.圖10b 中在M390粗晶區(qū)和焊縫之間出現(xiàn)了明顯的脫碳層區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)碳化物數(shù)量和尺寸相比于M390 粗晶區(qū)明顯下降，碳化物全部以顆粒狀形貌存在，這和圖7的結(jié)果相符，原因是脫碳層中元素向焊縫中擴(kuò)散，導(dǎo)致在該區(qū)域內(nèi)與Cr 和V 元素結(jié)合形成碳化物的C 元素含量下降，而碳化物尺寸和數(shù)量的變化，使得該區(qū)域強(qiáng)化作用下降，影響焊接接頭的力學(xué)性能.但根據(jù)圖11 焊接接頭斷裂位置的面掃描結(jié)果，可以進(jìn)一步斷定斷裂位置在焊縫.在焊縫和M390粗晶區(qū)之間Fe，Cr，V 和C 等元素存在明顯的界線，而Ni 元素并未出現(xiàn)分界線，原因是M390 側(cè)Ni 元素含量很低，如表1，焊縫中Ni 元素主要來自于304 側(cè)擴(kuò)散，所以Ni 元素含量也較低.若斷裂位置中包含304 熱影響區(qū)，Ni 元素必定會產(chǎn)生明顯的分界線，而圖11 掃描結(jié)果中Ni 元素沒有界線，表明斷裂位置是在焊縫.焊接接頭之所以斷裂在焊縫，是因?yàn)楹缚p中存在大量馬氏體組織以及沿著晶粒邊界分布的碳化物，焊縫脆性較高.

圖10 M390 與304 焊接接頭的斷裂位置Fig.10 Fracture location of M390 and 304 welded joints.(a) macromorphology;(b) micromorphology

圖11 M390 與304 焊接接頭斷裂位置處面掃描Fig.11 Surface scanning results of the fracture location of M390 and 304 welded joints

圖12 為M390 與304 母材及焊接接頭拉伸試樣斷口分析.圖12a 是M390 與304 焊接接頭斷口，斷裂類型是脆性斷裂.圖12b 是304 母材斷口，斷裂類型是韌性斷裂.圖12c 是M390 母材斷口，斷裂類型是脆性斷裂.焊縫中存在奧氏體組織，使得其具有一定的塑性，但焊縫中大部分組織均為馬氏體，故以脆性方式斷裂.M390 母材基體組織為馬氏體，且大量碳化物的存在對它有明顯的強(qiáng)化作用，304 的基體組織為奧氏體，塑性很高.

圖12 拉伸試樣斷口分析Fig.12 Fracture analysis of tensile specimen.(a) weld metal;(b) 304;(c) M390

3 結(jié)論

(1) 通過閃光對焊方法、優(yōu)化焊接工藝參數(shù)可獲得成形好、無缺陷和宏觀形貌美觀，且抗拉強(qiáng)度達(dá)到480.62 MPa 的M390 高碳馬氏體不銹鋼與304 奧氏體不銹鋼焊接接頭.

(2) 焊接接頭由M390 母材、M390 細(xì)晶區(qū)、M390 粗晶區(qū)、焊縫、304 熱影響區(qū)和304 母材等6 個區(qū)域組成.焊縫及M390 側(cè)碳化物類型為(Cr,V)碳化物.焊縫組織由馬氏體、奧氏體、M23C6和M7C3組成，C，Ni 和Cr 元素在焊接接頭發(fā)生明顯擴(kuò)散.

(3) 焊接接頭的抗拉強(qiáng)度分別為M390 和304母材的52%和61%.焊接接頭發(fā)生脆性斷裂，斷裂位置在焊縫.主要原因是焊縫基體組織大部分為馬氏體，焊縫中碳化物數(shù)量較少，固溶強(qiáng)化作用弱.