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首頁 檢測技術與成果

分享:不銹鋼/低碳鋼擴散焊接接頭的 顯微組織和力學性能

摘 要:采用真空擴散焊接對06Cr19Ni10不銹鋼和 A283低碳鋼進行了擴散連接,并對焊接接 頭的顯微組織和力學性能進行了研究.結果表明:06Cr19Ni10不銹鋼和 A283低碳鋼擴散焊接接 頭的抗拉強度和屈服強度隨著焊接溫度的升高有增大的趨勢;當焊接溫度為850℃時,焊接接頭的 斷后伸長率和沖擊吸收能量達到最大.當 Cr23C6 析出相的尺寸較大時,將降低擴散焊接接頭的韌 性,成為導致該焊接接頭斷裂失效的裂紋源.

關鍵詞:不銹鋼;低碳鋼;真空擴散焊接;顯微組織;力學性能

中圖分類號:TG456.3 文獻標志碼:A 文章編號:1001G4012(2019)09G0607G04

隨著新材料、新設備的不斷涌現,異種金屬復合 而成的零部件在機械工程領域中的應用越來越廣 泛.異種材料零件不僅能充分利用不同材料的優異 性能,而且節約成本,提高經濟效益[1].焊接是異種 金屬材料連接的主要手段.因此,針對提高異種材 料焊接接頭性能的研究成為當前熱點[2].奧氏體不 銹鋼具有強度高、韌性好、耐腐蝕等優異的性能,在 水電、石油化工、交通運輸、食品等行業中有著廣泛 的應用[3].近年來,核電、風電等新能源行業飛速發 展,奧氏體不銹鋼越來越多地應用在核電、風電設備 的結構設計當中[4].隨著奧氏體不銹鋼應用范圍的 擴大,奧氏體不銹鋼與低碳鋼異種材料焊接的場合 越來越多,對焊接接頭質量的要求也越來越高.傳 統的熔化焊和釬焊工藝已經無法滿足新能源裝備對 奧氏體不銹鋼與低碳鋼焊接接頭的質量要求[5].近 年來隨著工業生產的需求,真空擴散焊接技術從航 空、航 天 領 域 逐 漸 擴 展 應 用 到 普 通 機 械 加 工 行 業[6G7].真空擴散焊接技術的特點是在真空環境下, 將焊件緊密貼合,在一定溫度和壓力下保持一段時間,使接觸面之間的原子相互擴散形成連接,這種焊 接方 法 連 接 面 積 大、結 合 強 度 高[8G9]. 筆 者 對 06Cr19Ni10奧氏體不銹鋼和 A283 低碳鋼擴散焊 接接頭的顯微組織和力學性能進行了研究,為奧氏 體不銹鋼與低碳鋼異種材料焊接結構在工程中的應 用提供理論和實踐基礎.

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

試驗選用06Cr19Ni10不銹鋼和 A283低碳鋼 作為待焊材料,其化學成分見表1

1.2 試驗方法

試樣均為直徑200mm,長50mm 的棒材,將兩 種材料試樣端面疊合在一起進行焊接.焊前將兩個 試樣接觸表面先采用磨削方式進行平整、拋光,再進 行清洗和脫脂.A283低碳鋼采用5%~10%(質量分 數)的 H2SO4溶液+2%~10%(質量分數)的 HCl水 溶液進行酸洗,酸洗溫度20℃,酸洗時間5~10min. 06Cr19Ni10不銹鋼采用15%(質量分數)的 HNO3溶 液+50g??L-1 NaF水溶液在室溫下浸蝕5~10s,然 后用熱水清洗,再在100~120 ℃溫度下烘干.兩種 材料的脫脂均采用丙酮超聲波清洗5min.清理后的 試樣立即裝入真空擴散焊接爐中進行焊接,避免試樣 長時間暴露在空氣中發生氧化.

擴散焊接設備為 ZK/LY200 型真空擴散焊接 爐,工作真空度1×10-3Pa,焊接壓力10MPa,升溫速率350℃??h-1,保溫時間60min.分別采用800, 850,900 ℃的焊接溫度進行擴散焊接.

用線切割機制備金相試樣,采用電解拋光和化學 浸蝕的方式處理金相試樣觀察面.電解拋光液為 1∶15(體積比)的高氯酸和乙醇混合液,拋光電壓為 35V,拋光時間約30s.將電解拋光后的試樣用王水 溶液擦拭腐蝕.采用 GSX500型金相顯微鏡(OM)和 SIGMA300型掃描電鏡(SEM)觀察界面結合區域的 組織 特 征.采 用 EPMAG1720Series 型 電 子 探 針 (EPMA)測定界面兩側元素擴散含量.采用 XRDG 6000型 X射線衍射儀(XRD)對擴散焊界面進行物相 分析,工作電壓40kV,工作電流50 mA,掃描范圍 30°~100°,掃描速度2°??min-1.按照 GB/T2651- 2008?焊接接頭拉伸試驗方法?和 GB/T229-2007 ?金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法?對06Cr19Ni10不 銹鋼和 A283低碳鋼擴散焊接接頭進行力學性能試 驗.拉伸與沖擊試樣沿軸向取樣,界面在試樣中間位 置,沖擊試樣在界面處開 V型缺口.

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

圖1為不同焊接溫度條件下06Cr19Ni10不銹 鋼和 A283低碳鋼擴散焊接接頭界面的微觀形貌. 可見隨著焊接溫度的升 高,06Cr19Ni10 不 銹 鋼 基 體內 出 現 碳 化 物 的 析 出 相,當 焊 接 溫 度 升 高 到 850 ℃時碳化物逐漸溶解消失,而當焊接溫度繼續 升高至900 ℃時,06Cr19Ni10不銹鋼基體內又出 現大量的碳 化 物 析 出 相,并 且 這 些 析 出 相 主 要 集 中在晶界交叉處.這是由于擴散焊界面兩側碳的 含量和碳的 化 學 勢 隨 焊 接 溫 度 變 化 而 逐 漸 失 衡, 導致 A283低碳鋼中的碳擴散到了06Cr19Ni10不 銹鋼基體一側.

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