13CrMo44+H309L焊接金相试样的制备及显微组织分析

王有良

(渤海船舶职业学院,辽宁葫芦岛125005)

摘　要:文章提出了13CrMo44+H309L焊接金相试样的制备方法及各区显微组织分析,解决了长期以来异种钢焊接时结构钢和不锈钢层分别制样、分别进行组织分析的难题.

关键词:结构钢;不锈钢;焊接;试样;组织分析

某造船厂研制生产的热壁加氢精制反应器是采用板焊结构.外壁材料为13CrMo44,内壁用带极堆焊615mm不锈钢焊层,内壁过渡层为309L不锈钢,H347L堆焊层厚度应大于4mm.其堆焊层修补及内外构件焊接采用手工堆焊.根据规范要求,反应器需采用分段中间消除应力热处理及整体最终热处理交验.加氢反应器主体材料13CrMo44与堆焊层H309L之间为异种钢区域,由于焊接工艺及热处理制度不同,其金相组织及性能有较大差异,将直接影响其使用,为此进行了一系列工艺及性能试验,下面仅就金相试样的制备方法及金相检验作如下介绍.

1　母材、焊接材料与堆焊层化学成分

母材13CrMo44为西德进口材料,H309L、H347L为国内研制生产.母材、焊接材料及堆焊层化学成分(见表1).

2　金相试样的制备与显微组织分析

2.1　金相试样的制备

金相试样的取样、打磨及抛光与一般焊接材料的要求及制作过程相同,但不宜采用电解抛光和化学抛光.试样的浸蚀经多种试剂,反复实验后发现采用下述方法较好,即抛光后的试样先用4%硝酸酒精溶液浸蚀5～10s,以显示母材组织.再以试样为正极,不锈钢片为负极,在铬酐溶液中进行电解,显示不锈钢堆焊层组织,其溶液配比及规范为铬酐10g+水100(ml),空载电压6V,浸蚀时间为60～120s.化学浸蚀及电解浸蚀后均按一般要求将浸蚀观查面擦拭,冲净吹干.试样一定要先化学浸蚀后电解浸蚀,否则将会出现组织不清晰和其它假象,影响正确判断和观察.化学浸蚀要较一般结构钢试样稍重一些,经电解浸蚀后,母材部分方可观察分析.电解浸蚀时间不宜过长,也不宜反复进行,否则将会使熔合线附近出现深且宽的腐蚀沟,影响近缝区组织及形貌分析.

2.2　显微组织分析

13CrMo44+H309L焊接与同种钢焊接不同,其熔合区位于熔合线之上,属焊缝组成部分,部分熔化区位于熔合线之下,属母材组成部分(见图1).

堆焊过程中,由于浓度梯度、温度梯度和反应扩散的共同作用,母材中碳将迅速向熔池迁移进入焊缝,而熔池中的Cr、Ni等反向迁移进入熔合区,其结果使熔合区的成分在原来母材成分的基础上增加了相当数量C、Ni、Cr、Mo等元素,使其成分即不同于母材,也不同于堆焊层,试验数据(见表2).熔合区的宽度取决于焊材成分和焊接规范,焊前的预热和焊后的热处理都将增加熔合区的宽度.一般熔合区的宽度在0.1mm以下,其组织为奥氏体+马氏体,其中马氏体带的宽度在0.05mm以下.熔合区显微硬度值一般为309.8～450.4,马氏体带显微硬度值可高达612.8～677.3(见图2).

由于碳的扩散和迁移,在靠近熔合线的母材一侧(包括部分溶化区)脱碳而形成的铁素体带.在焊接规范相同的前提—下,随着热处理温度的提高和保温时间的延长,其宽度也随着增大(见表3).

熔合区及脱碳层宽度除显微组织观察确定外,还可用微区成分分析及显微硬度法来判断.

不锈钢堆焊层显微组织为奥氏体+铁素体,其中铁素体含量在3%～10%.随着回火处理温度的提高和时间的延长,部分铁素体相(主要是二次铁素体相)将发生分解,650℃以下热处理铁素体分解产物是碳化物和低铬奥氏体相,碳化物以NbC和M23C6为主,高温长时间的热处理,铁素体将分解为δ相、碳化物和贫铬的奥氏体相,碳化物以NbC为主(见图3),其中黑色部分为δ相.

母材过热区组织为贝氏体+马氏体,其回火后组织形态(见图4),正火区组织为贝氏体+铁素体+珠光体,半正火区及母材组织为铁素体+珠光体.

 3　结论

1、金相分析结果证明,13CrMo44+H309L异种钢焊接接头组织分析采用本文所述的金相试样制备方法是可行的.

2、从焊缝到母材的金相组织依次为奥氏体+铁素体→奥氏体→奥氏体+马氏体→铁素体→贝氏体+马氏体→贝氏体+铁素体+珠光体→铁素体+珠光体.