热处理对超低碳马氏体不锈钢焊缝熔敷金属性能的影响

热处理对超低碳马氏体不锈钢焊缝熔敷金属性能的影响
摘要：超低碳马氏体不锈钢大型铸锻件最终回火热处理温度一般不超过600℃，因而其焊后回火热处理温度要低于600℃，一般为550~570℃，这样造成其焊接区的强度，比正常回火热处理温度下的强度、硬度偏高。

在限制条件下，为了尽量降低超低碳马氏体不锈钢铸件焊接接头的焊后残余应力，改善焊接接头的综合性能，进行了焊后回火热处理试验，分析了延长回火保温时间，对超低碳马氏体不锈钢焊缝强度、硬度、冲击韧性和组织的影响。

关键词：超低碳马氏体不锈钢铸件；焊缝熔敷金属；焊后回火热处理；强度；硬度；冲击韧度
abstract: the super low carbon martensite stainless steel forging the final heat treatment temperature less than 600℃, the postweld heat treatment temperature lower than 600 ℃, usually 550~570℃, this caused the weld strength, than normal tempering heat treatment intensity, hardness higher temperatures. under the limiting conditions, in order to minimize the super low carbon martensite stainless steel welded joints of welding residual stress, improve the comprehensive properties of the welded joint, heat treatment after welding test was carried out, analysis of the extension of tempering time, influence of joint strength, hardness, impact toughness and microstructure of ultra low carbon
martensite stainless steel welding.
keywords: super low carbon martensite stainless steel; weld metal; postweld heat treatment; strength; hardness; impact toughness
中图分类号：tg441.3 文献标识码：a文章编号：2095-2104（2013）1前言：低碳马氏体不锈钢具有良好的淬透性、优良的室温和低温力学性能、腐蚀疲劳强度和动静态断裂韧性，是国内外大型水轮机铸件（上冠、下环、叶片等）广泛应用的材料。

作为水轮机材料，除具有一定的耐腐蚀性能，耐磨性能以外，还需具有良好的抗空蚀性能和可焊性，因此为了提高水轮机铸件的抗气蚀性能和焊接性，现在多设计采用00cr13ni5mo 类型的超低碳马氏体不锈钢材料。

对于超低碳马氏体不锈钢的焊接，现在发展方向是采用同材质焊接材料焊接00cr13ni5mo 型马氏体不锈钢。

水轮机大型、重要的不锈钢铸件上冠、下环、叶片明确要求使用同材质焊接材料补焊。

因此针对此种情况，研制开发了00cr13ni4mo 型马氏体不锈钢焊接用本体焊条 ty-cr13ni4l。

但超低碳马氏体不锈钢是可调质类型钢，经调质后其强韧性较好，而焊缝熔敷金属组织为铸态板条马氏体, 由于回火条件的限制，其强度、硬度偏高，冲击韧性偏低。

为消除焊后残余应力，提高焊缝熔敷金属的韧性，希望焊后回火温度尽量高些。

因此，为了找到兼顾母材和焊缝性能的最佳焊后回火工艺参数，使焊接接头具有良好的综合性能，对超低碳马氏体焊缝熔敷金属进行了不同回火参数下的回火热处理试
验研究。

2试验材料和方法试验材料焊条 tycr13ni4l，是专门研制用于 zg00cr13ni4mo 超低碳马氏体不锈钢铸件补焊
试验材料用本体焊条，铸件化学成分。

本试验即采用自行研制的ty- cr13ni4l 超低碳马氏体不锈钢焊条，焊对接焊缝试板，焊接规范，取焊缝无稀释熔敷金属进行试验研究，对焊接试板进行焊后热处理试验，焊缝熔敷金属化学成分。

试验方法分析回火热处理保温时间的延长对熔敷金属硬度影响，根据转轮上冠、下环和叶片等大型铸件焊接技术要求，焊后回火热处理温度一般比性能热处理回火温度低30~50℃，本实验确定研究回火热处理温度为570℃，分别制取5 个试块, 在该温度下进行了保温4h、8h、12h、16h、20h 的回火热处理试验，并对五个试块进行了维氏硬度分析，检测设备为 tukon 2100b 全自动显微维氏硬度计，热处理设备 dl07-1040 台车式热处理炉，回火曲线。

2.2.2 延长回火热处理保温时间对熔敷金属强度、冲击韧度的影响
在完成试验后，根据试验结果，取两块试板，在570℃的回火热处理保温温度，分别进行保温4h、16h 焊后回火热处理试验，并分别对两块试板的焊缝无稀释熔敷金属进行冲击（0℃）、常温拉伸和金相分析；检测设备为 cbd-500电子式摆锤冲击试验机、css44300 电子拉伸试验机，200mat 金相显微镜图像分析仪，热处理设备 dl07-1040台车式热处理炉。

3 试验结果与讨论不同回火热处理保温时间对熔敷金属硬度的影响
超低碳马氏体不锈钢是可调质类型钢，其本体焊条熔敷金属力学性能受焊后热处理影响[3]，对不同的试块同在570℃时进行不同保温时间的焊后回火热处理，其对应硬度值。

从中可以看出，随着回火保温时间的延长焊缝无稀释熔敷金属维氏硬度逐渐降低，在达到16h 时得到了熔敷金属硬度最低值，继续保温其硬度值出现上升；本次试验用同种焊条进行了两次重复试验得到相同规律，分析认为，在回火保温过程中发生了铬的碳化物聚集成微观粒子，随着碳化物从基底组织中析出越来越多，硬度迅速降低；保温到一定时间，在该温度，铬的碳化物聚集到最大值硬度会降到一个最低值，继续保温硬度值不会再降低。

不同回火热处理保温时间对熔敷金属强度、冲击等力学性能的影响根据试验结果，确定采用
ty-cr13ni4l 超低碳马氏体不锈钢焊条，焊对接试板，进行在570℃时，分别保温4h、16h 焊后回火热处理对比试验, 热处理规范同，对热处理试板焊缝无稀释熔敷金属进行了力学性能和组织分析，力学性能。

通过力学性能可以看出，在同一温度, 即由于锻件本体最终性能回火热处理温度限制，焊后回火温度不能太高时, 通过延长焊后回火热处理保温时间，焊缝熔敷金属的抗拉强度有所下降，（0℃）冲击值提高，即随着保温时间的延长，熔敷金属的韧性得到改善, 综合力学性能趋向更好。

分析可以看出，在回火热处理时，只保温4h 时，组织为板条马氏体和晶界碳化物，
但板条马氏体较粗大，回火的迹象不明显，对比分析，为回火保温16h 的马氏体组织, 回火作用明显，板条马氏体组织较细小，并且与组织比较，其组织晶界明显，即铬的碳化物聚集多；是因为在延长回火保温时间时，铬的碳化物由过饱和组织内析出[4]逐渐的在晶界处发生聚集，延长保温时间，铬的碳化物析出聚集增多；对应分析相应试板性能，可见延长回火保温时间，组织细化和过饱和组织内碳化物的析出, 使熔敷金属的抗拉强度略有下降，而韧性和综合力学性能得到改善。

4 20crni2mo钢是一种新型的渗碳齿轮钢，合金元素含量较高，经过热处理后因具有优异的综合力学性能以及耐磨性，而被广泛应用在重载齿轮、渗碳轴承以及农用机械磨损件等要求耐磨损、耐冲击的零件上。

当其用于制造重载齿轮时，由于重载齿轮传递动力大，承受较大载荷，因此在实际应用时存在众多的问题和缺陷。

在重载齿轮热处理时，工艺复杂，不便控制且成本也较高，易产生变形。

因此针对热处理后变形问题提出了新的热处理工艺，研究了新的热处理工艺以及原始工艺尺寸对20crni2mo钢性能的影响，旨在探索新的热处理工艺提高20crni2mo钢的性能，减少热处理变形量。

实验所用的20crnimo钢已经过轧制退火处理，研究两种热处理工艺方案对其拉伸性能、冲击性能、硬度、畸变量以及显微组织的影响。

原始热处理工艺方案是：920℃×8h渗碳+650℃×3h回火、820℃×6h淬火+180℃×2h回火。

改进后的热处理工艺方案是：
930℃×4h正火+930℃×10h渗碳、830℃×3h淬火+180℃×8h回火。

对经两种工艺热处理的试样，分别进行性能测试和显微组织观察。

拉伸性能测试在instron-5569万能电子材料试验机上进行。

硬度测试采用两种硬度测量方法（洛氏硬度和显微硬度），用hr-150手动型洛氏硬度计测量金相试样表面的硬度；显微硬度的测量采用hv-1000型显微硬度计进行测量。

采用夏比u形缺口试样测试冲击韧度。

分别对经过不同热处理工艺加工的试样进行磨光、抛光、腐蚀，制成相应的金相试样，然后用olympusbh2-uma型光学金相显微镜对显微组织进行观察，结果表明：采用改进后的热处理的热处理工艺，试样的伸长率、断面收缩率、冲击韧度与原始工艺相比变化不大，抗拉强度、表面硬度、热处理畸变量均比用原始热处理工艺处理的性能要好（见表1），因此重载齿轮用20crni2mo钢热处理时应采用改进后的热处理工艺代替原始工艺，为扩大20crni2mo钢应用领域奠定了基础。

5 结束语
在本实验研究中得出，在一定回火热处理保温温度下，对
tycr13ni4l 超低碳马氏体焊条熔敷金属进行焊后回火热处理：5.1 随着保温时间的延长，焊条熔敷金属的硬度逐渐降低，延长到一定时间，硬度降到最低值。

5.2 延长焊后回火热处理的保温时间, 板条马氏体组织内过饱和碳化物在晶界聚集析出，组织得到细化，使熔敷金属的强度略有下降而冲击韧性有所提高，综合力学性能得到一定改善。

参考文献
[1] 徐玉君. 00cr13ni5mo 马氏体不锈钢焊接材料及焊接工艺方法的研究[j]. 机械科学研究院哈尔滨焊接研究所硕士研究论文.
[2] erich folkhard 著, 栗卓新,朱学军译. 不锈钢焊接冶金[m]. 北京: 化学工业出版社.2004. [3] 马迅. 热处理对0cr13ni4mo 马氏体不锈钢组织和性能的影响[j]. 特殊钢, 1995(5): 19~22. [4] 伊延国,朱元吉. 马氏体不锈钢的热处理和性能[j]. 国外金属热
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