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冷却速率对高氮钢焊缝组织和性能的影响

明珠, 王克鸿, 王伟, 王有祁

明珠, 王克鸿, 王伟, 王有祁. 冷却速率对高氮钢焊缝组织和性能的影响[J]. 焊接学报, 2019, 40(10): 31-35. DOI: 10.12073/j.hjxb.2019400259
引用本文: 明珠, 王克鸿, 王伟, 王有祁. 冷却速率对高氮钢焊缝组织和性能的影响[J]. 焊接学报, 2019, 40(10): 31-35. DOI: 10.12073/j.hjxb.2019400259
MING Zhu, WANG Kehong, WANG Wei, WANG Youqi. Effect of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of high nitrogen stainless steel weld metal[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2019, 40(10): 31-35. DOI: 10.12073/j.hjxb.2019400259
Citation: MING Zhu, WANG Kehong, WANG Wei, WANG Youqi. Effect of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of high nitrogen stainless steel weld metal[J]. TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION, 2019, 40(10): 31-35. DOI: 10.12073/j.hjxb.2019400259

冷却速率对高氮钢焊缝组织和性能的影响

基金项目: 总装备部预先研究项目(JSCG2017606B005)
详细信息
    作者简介:

    明珠,男,1973年出生,博士,研究员,主要从事焊接材料设计与开发工作. 发表论文10余篇. Email:mingzhu73424@126.com

    通讯作者:

    王克鸿,男,教授,博士研究生导师. Email:wkh1602@126.com

Effect of cooling rate on the microstructure and mechanical properties of high nitrogen stainless steel weld metal

  • 摘要: 研究了水冷和空冷条件下高氮不锈钢焊缝金属微观组织和力学性能的变化规律,讨论了冷却速率对高氮不锈钢焊缝微观组织和力学性能的影响规律. 结果表明,冷却速率增加能够有效增加高氮钢焊缝金属中的氮含量,尤其对于含氮量0.85%的高氮含量焊丝,增氮效果更明显. 冷却速率增加对高氮钢焊缝金属抗拉强度提高程度取决于焊丝中的氮含量,对于低氮含量高氮钢焊丝,冷却速率增加能够显著提高焊缝金属抗拉强度,当焊丝中氮含量超过0.58%时,冷却速率增加对焊缝金属抗拉强度影响不大,最终接头强度达到850 MPa.
    Abstract: The micro-structure and mechanical properties of high nitrogen stainless steel weld metals prepared under air and water cooling conditions were investigated and the effect of cooling rate on the micro-structure and mechanical properties of high nitrogen stainless steel weld metal was discussed in this study. The results indicated that an increase in the cooling rate would significantly increase the nitrogen content in the high nitrogen stainless steel weld metal, especially for the one with nitrogen content of 0.85%. Increasing cooling rate could result in the increase in the tensile strength of high nitrogen stainless steel weld metal, which was found to be strongly dependent on the nitrogen content in high nitrogen stainless steel weld wire. For the lower nitrogen content of high nitrogen austenitic stainless steel welding wire, increasing cooling rate could significantly improve the tensile strength of weld metal, but had no influence on the one of weld metal when the nitrogen content beyond 0.58% in the welding wire. The tensile strength of the joint reached 850 MPa finally.
  • 高氮钢(high nitrogen steel,HNS)是指钢中的实际氮含量超过了在常压下(0.1 MPa)制备材料所能达到的极限值的不锈钢,主要利用N元素部分甚至完全代替合金元素Ni在室温甚至低温下获得单相奥氏体组织[1]. 高氮钢利用氮进行合金化具有很多优点[2-4]:①与碳相比,氮是更加有效的固溶强化元素,同时可以促进晶粒细化;②氮是强烈的奥氏体形成元素,可以减少合金中的镍含量,降低铁素体和形变马氏体形成能力;③尽管氮对材料在酸中抗均匀腐蚀性能没有明显改善,但可以极大地提高材料抗点蚀和缝隙腐蚀能力以及应力腐蚀开裂性能. 因此,高氮钢具备高强度、高塑性和高韧性的综合机械性能,被广泛应用于电子工程、精密仪器和深冷加工工程.

    高氮钢能否得到广泛应用,在很大程度上取决于其焊接特性[5-10],在高氮钢的研制和应用中焊接技术的研究具有较重要的意义. 高氮钢在焊接过程中一个重要的问题就是氮元素逸出问题. 氮元素减少会显著降低高氮钢的力学性能和腐蚀性能. 针对这一问题,国内外学者陆续开展了一系列的研究工作[2, 5, 11]. 已有研究结果表明合适的激光焊接条件可以避免高氮钢焊缝区氮的损失以及氮气孔,但其在激光焊接条件下焊缝区组织、性能特性控制仍是一个重要难题[12]. 对于其它熔焊工艺而言,焊缝区氮元素损失问题仍然难以克服,同时还需要考虑焊接裂纹等质量缺陷及氮化析出等问题[13]. 到目前为止,高氮钢熔化焊焊接过程中氮元素的逸出问题仍没有理想的解决方法,仍需要开展进一步的研究工作. 因此,文中以高氮钢MIG焊接为研究对象,研究冷却速率对高氮钢焊缝金属微观组织、氮含量和力学性能的影响规律,为高氮钢熔化焊焊接工艺参数和焊接材料合金成分设计及优化提供指导依据.

    采用非真空感应炉+保护气氛电渣炉冶炼3种不同成分的高氮钢焊丝,如表1所示. 试验使用1 t非真空感应炉进行冶炼,冶炼过程中加氮气保护,采用上浇铸法浇铸出直径为300 mm的圆锭. 随后对非真空铸锭进行自耗式电渣重熔处理,去除钢中非金属夹杂物,均匀成分和组织. 在加热炉中对高氮钢电渣锭进行1 200 ℃保温2 h处理,紧接着将钢锭在800 t快锻机上锻造成60 mm × 60 mm的方棒,轧制成ϕ8 mm盘条,表面酸洗后拉拔成ϕ1.2 mm的焊丝待用.

    表  1  焊接母材与焊丝钢化学成分(质量分数,%)
    Table  1.  Chemical composition of base metal and welding wire
    材料CSiMnCrNiMoN
    母材0.1060.43315.8821.61.80.0260.75
    1号0.0710.8329.2821.567.420.010.35
    2号0.0430.34514.0618.911.590.010.58
    3号0.0330.11818.0822.212.250.910.85
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    采用开发的高氮钢焊丝,对厚度20 mm的高氮钢母材进行6层6道次MIG焊接试验,如图1所示. 焊接电压30 V,电流180 ~ 270 A,焊接保护气体为Ar + N2,气体流速20 L/min,焊接速度180 ~ 300 mm/min. 为了提高焊接熔池冷却速率,抑制氮气泡逸出,焊接母材底部设置水冷铜板,如图2所示.

    图  1  焊接道次示意图
    Figure  1.  Schematic of multiple pass welding
    图  2  水冷铜板焊接装置示意图
    Figure  2.  Schematic of copper plate cooled by water used in the welding process

    采用扫描电子显微镜对空冷和水冷条件下高氮不锈钢焊缝微观组织进行观察,分析高氮奥氏体不锈钢焊缝微观组织随冷却条件的变化规律. 采用X射线衍射对空冷和水冷条件下高氮不锈钢焊缝进行物相分析. 此外,为了衡量冷却速度对高氮不锈钢焊缝力学性能的影响,测量了空冷和水冷条件下高氮不锈钢焊缝室温拉伸性能、冲击性能.

    随着温度的降低,从液相中首先析出δ铁素体相,氮元素溶解度急剧降低,当转变为奥氏体γ相后固相中的氮元素溶解度又会很快升高. 但是在低温区重新进入铁素体α相区后,氮元素溶解度又会显著降低. 因此,凝固初期形成的凝固组织对于焊缝氮含量的影响较大,先奥氏体后铁素体的凝固模式有利于增加焊缝氮含量.

    氮元素在钢中的溶解度是高氮钢焊丝开发需要考虑的重要因素,研究表明钢中的有些元素有利于增加氮元素的溶解度,如Cr,Mn,Mo等元素;另外一些元素如Ni,Cu,C等元素则会降低钢中氮元素的溶解度. 同时高温阶段的凝固路径和冷却速率对于熔池中氮含量也有重要影响,为此,文中基于Thermo-Calc计算得到了焊接母材和3种焊丝钢的二元平衡相图,如图3所示. 由图3a母材相图可以看出,该成分的母材在高温区(800 ℃以上)凝固过程中各相形成次序为L→L + δ→L + δ + G→δ + γ→γ→γ + Cr2N→γ + Cr2N + σ,初始凝固先形成铁素体组织,温度降至1 170 ℃左右才进入单相奥氏体区,这种凝固模式不利提高熔池中氮含量,需要与合适的焊丝进行混合改善凝固相组成. 就化学成分设计而言,从1号、2号到3号焊丝均保持Cr元素含量相对稳定,通过增加Mn元素含量和N元素含量来降低Ni元素含量,达到以N元素代Ni元素的成分设计目标. 从平衡相图上可以看出,这三种焊丝液相熔池中氮元素的最大溶解度分别可以达到0.62%,0.66%和1.05%. 这三类焊丝的凝固路径相似,高温阶段均是先形成铁素体组织,约1 200 ℃以下进入单相奥氏体组织区域.

    图  3  母材及焊丝钢平衡相图
    Figure  3.  Equilibrium phase diagrams of base metal and welding wires of high nitrogen stainless steel

    图4为不同合金成分高氮钢焊缝金属空冷和水冷条件下的微观组织. 整体上而言,水冷和空冷条件下1号、2号和3号焊丝焊缝金属均为奥氏体 + 高温铁素体两相组织,高温铁素体成骨架状分布在奥氏体基体中. 采用XRD进行物相分析,如图5. 从结果可以看出,对于不同冷却条件下,高氮含量(高锰低镍)的焊缝金属中铁素体含量高于低氮含量焊缝(低锰高镍),这是由于高氮含量焊丝焊接过程中氮元素更容易逸出,而镍、锰等奥氏体化元素对镍当量的贡献不变,从而导致焊缝中的镍当量降低程度高于低氮含量焊缝. 对于同一种成分的焊丝焊缝金属,水冷条件下高氮钢焊缝金属高温铁素体含量少于空冷条件下的铁素体含量. 这是因为水冷条件下,焊缝金属在高温铁素体温度区间停留时间更短,使得焊缝凝固后铁素体含量低于空冷条件下的焊缝.

    图  4  不同合金成分高氮钢焊缝金属空冷和水冷条件下的微观组织形貌
    Figure  4.  Microstructure of weld metals with different compositions prepared under air cooling and water cooling
    图  5  空冷和水冷条件下不同合金成分高氮钢焊缝金属XRD分析结果
    Figure  5.  XRD profiles of the weld metals with different compositions prepared under air cooling and water cooling

    试验采用图2所示的冷却装置对焊后金属施行不同的冷却方式——常规空冷和通水强制冷却,截取焊缝区试样测试氮含量结果如表2所示. 从表中可以看出,纯氩气保护条件下,焊件底部通水冷却方式可以明显提高焊缝区的氮含量,平均氮含量提高了15% ~ 30%. 这主要是由于随着焊缝熔池冷却速率的提高,钢中氮原子的扩散速率减缓,更多的氮原子被固溶在焊缝中,氮气泡逃逸速率显著降低. 所以,从氮气泡形成的动力学角度可知,加快焊缝熔池的冷却速率可以达到固氮的控制目标.

    表  2  不同冷却方式条件下焊缝氮含量
    Table  2.  Nitrogen content of wled metal prepared under different cooling conditions
    序号焊丝氮含量保护气体焊缝区氮含量
    空冷水冷
    10.35%纯Ar气0.36%0.42%
    20.58%纯Ar气0.53%0.61%
    30.85%纯Ar气0.51%0.66%
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    图6为空冷和水冷条件下不同合金成分高氮不锈钢焊缝抗拉强度. 从图中可以看出,当高氮钢焊丝氮含量低于0.58%时,水冷条件下高氮钢焊缝金属的抗拉强度明显高于空冷条件下高氮钢焊缝金属的抗拉强度,这是由于水冷条件下降低了熔池中氮元素的逸出;当氮含量超过0.58%时,水冷和空冷条件下高氮钢焊缝金属的抗拉强度差别不大,这是由于超过0.58%后,焊缝中氮元素固溶量已趋近于极限(如表2所示),水冷无法有效的抑制熔池中氮元素的逸出. 上述研究结果表明冷却速率增加对高氮钢焊缝金属抗拉强度提高程度取决于焊丝中的氮含量:对于低氮含量高氮钢焊丝,冷却速率增加能够显著提高焊缝金属抗拉强度,当焊丝中氮含量超过0.58%时,冷却速率增加对焊缝金属抗拉强度影响不大.

    图  6  空冷和水冷条件下不同合金成分高氮不锈钢焊缝抗拉强度
    Figure  6.  Tensile strength of weld metals with different compositions prepared under air cooling and water cooling

    (1)冷却速率增加能够降低高氮奥氏体不锈钢焊缝中的高温铁素体含量. 冷却速率增加能够有效增加高氮钢焊缝金属中的氮含量.

    (2)冷却速率增加对高氮钢焊缝金属抗拉强度提高程度取决于焊丝中的氮含量:对于低氮含量高氮钢焊丝,冷却速率增加能够显著提高焊缝金属抗拉强度,当焊丝中氮含量超过0.58%时,冷却速率增加对焊缝金属抗拉强度影响不大.

  • 图  1   焊接道次示意图

    Figure  1.   Schematic of multiple pass welding

    图  2   水冷铜板焊接装置示意图

    Figure  2.   Schematic of copper plate cooled by water used in the welding process

    图  3   母材及焊丝钢平衡相图

    Figure  3.   Equilibrium phase diagrams of base metal and welding wires of high nitrogen stainless steel

    图  4   不同合金成分高氮钢焊缝金属空冷和水冷条件下的微观组织形貌

    Figure  4.   Microstructure of weld metals with different compositions prepared under air cooling and water cooling

    图  5   空冷和水冷条件下不同合金成分高氮钢焊缝金属XRD分析结果

    Figure  5.   XRD profiles of the weld metals with different compositions prepared under air cooling and water cooling

    图  6   空冷和水冷条件下不同合金成分高氮不锈钢焊缝抗拉强度

    Figure  6.   Tensile strength of weld metals with different compositions prepared under air cooling and water cooling

    表  1   焊接母材与焊丝钢化学成分(质量分数,%)

    Table  1   Chemical composition of base metal and welding wire

    材料CSiMnCrNiMoN
    母材0.1060.43315.8821.61.80.0260.75
    1号0.0710.8329.2821.567.420.010.35
    2号0.0430.34514.0618.911.590.010.58
    3号0.0330.11818.0822.212.250.910.85
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    表  2   不同冷却方式条件下焊缝氮含量

    Table  2   Nitrogen content of wled metal prepared under different cooling conditions

    序号焊丝氮含量保护气体焊缝区氮含量
    空冷水冷
    10.35%纯Ar气0.36%0.42%
    20.58%纯Ar气0.53%0.61%
    30.85%纯Ar气0.51%0.66%
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  • [1]

    Speidel M O. Nitrogen containing austenitic stainless steels[J]. Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 2006, 37(10): 875 − 880.

    [2]

    Qi X, Mao H, Yang Y. Corrosion behavior of nitrogen alloyed martensitic stainless steel in chloride containing solutions[J]. Corrosion Science, 2017, 120: 90 − 98. doi: 10.1016/j.corsci.2017.02.027

    [3]

    Reyes-Hernández D, Manzano-Ramírez A, Encinas A, et al. Addition of nitrogen to GTAW welding duplex steel 2205 and its effect on fatigue strength and corrosion[J]. Fuel, 2017, 198: 165 − 169. doi: 10.1016/j.fuel.2017.01.008

    [4]

    Li M, Wu H, Wang Y, et al. Immobilization of heparin/poly-l-lysine microspheres on medical grade high nitrogen nickel-free austenitic stainless steel surface to improve the biocompatibility and suppress thrombosis[J]. Materials Science and Engineering: C, 2017, 73: 198 − 205. doi: 10.1016/j.msec.2016.12.070

    [5]

    Qiang W, Wang K. Shielding gas effects on double-sided synchronous autogenous GTA weldability of high nitrogen austenitic stainless steel[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2017, 250: 169 − 181. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.07.021

    [6]

    Zhang H, Wang D, Xue P, et al. Achieving ultra-high strength friction stir welded joints of high nitrogen stainless steel by forced water cooling[J]. Journal of Materials Science & Technology, 2018, 34(11): 2183 − 2188.

    [7]

    Mohammed R, Reddy G M, Rao K S. Welding of nickel free high nitrogen stainless steel: microstructure and mechanical properties[J]. Defence Technology, 2017, 13(2): 59 − 71. doi: 10.1016/j.dt.2016.06.003

    [8]

    Li X, Zhang H. Analysis of microstructure and properties of welded joint of high nitrogen steel by hybrid welding[J]. Materials Research Express, 2018, 6(4): 1 − 4.

    [9]

    Lan H F, Du L X, Liu X H. Microstructure and mechanical properties of a low carbon bainitic steel[J]. Steel Research International, 2013, 84(4): 352 − 361. doi: 10.1088/2053-1591/aad6c5

    [10] 赵 琳, 陈武柱, 张旭东. 新一代超低碳贝氏体钢激光焊接热影响区的组织和性能[J]. 中国激光, 2006, 33(3): 408 − 412.

    Zhao Lin, Chen Wuzhu, Zhang Xudong. Microstructure and mechanical properties of laser welded heat-affected zone in new ultra-low carbon bainitic steel[J]. Laser Technology, 2006, 33(3): 408 − 412.

    [11]

    Ming Zhu, Wang Kehong, Qu Tianpeng, et al. Thermodynamic study on welding wire design of high nitrogen austenitic stainless steel[J]. China Welding, 2019, 28(1): 49 − 55.

    [12] 赵 琳, 田志凌, 彭 云, 等. 1Cr22Mn16N高氮钢激光焊接I. 焊接保护气体组成和热输入对焊缝氮含量及气孔性的影响[J]. 焊接学报, 2007, 28(8): 89 − 91.

    Zhao Lin, Tian Zhiling, Peng Yun, et al. Laser welding of high nitrogen steel 1Cr22Mn16N I .influence of shielding gas composition and heat input on N-content and porosity of weld metal[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2007, 28(8): 89 − 91.

    [13] 明 珠, 王克鸿, 王 伟, 等. 焊丝含氮量及焊接电流对高氮钢焊缝组织和性能影响[J]. 焊接学报, 2019, 40(1): 104 − 108.

    Ming Zhu, Wang Kehong, Wang Wei, et al. Effects of nitrogen content and welding current on microstructure and properties of the weld of high nitrogen austenite steel[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2019, 40(1): 104 − 108.

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-06-03
  • 网络出版日期:  2020-07-12
  • 刊出日期:  2019-09-30

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