BTW1奥氏体高锰耐磨钢焊接热裂纹敏感性研究

吴 巍

(宝山钢铁股份有限公司中央研究院,上海 201999)

1 概述

耐磨钢产品可广泛应用于刮板输送机、矿山破碎机械、输送管道、工程车辆和挖掘机等耐磨领域。国际上目前应用最为广泛的中低合金耐磨钢属于马氏体贝氏体强化型耐磨板,包括瑞典奥克隆德生产的HARDOX系列耐磨钢,德国迪林根的400 V和500 V系列耐磨钢,德国蒂森克虏伯的XAR400、XAR450、XAR500系列耐磨钢;日本JFE的EH360、EH400和EH500系列耐磨钢等;国内舞阳钢厂、宝钢先后开发并生产的NM系列与B-HARD系列耐磨钢。中低合金耐磨钢依托高强度获得较高耐磨性,普遍具有相对较好的冲击韧性,但长期服役于冲击、磨损双重工况时,材料易发生疲劳应力开裂,服役寿命大幅下降。同时需要引起关注的是,此类耐磨钢普遍采用熔化焊工艺,焊缝及热影响区韧性、塑性储备余量较小,中厚板焊接接头应力集中严重的焊缝根部、熔合区以及过热区存在氢致延迟裂纹倾向。另一方面,中低合金耐磨钢焊接工件必须通过焊前预热、焊后缓冷、后热消氢处理的方式避免耐磨钢焊接接头冷裂缺陷的产生。而焊前及焊后热处理大幅提高了生产成本,增加了生产周期,同时也导致施工条件恶劣、现场施焊难度大幅上升,不利于耐磨钢焊接质量稳定性的提升。

另一类以Mn13为代表,在强冲击、大压力物料磨损作用下具有良好适应性的奥氏体耐磨钢,采用形变强化机制。Mn13高锰钢在球磨机衬板、挖掘机斗齿、破碎机牙板,以及要求以耐磨为主的低冲击铸件,如衬板、齿板、破碎壁、轧臼壁、辊套和铲齿等应用广泛[1-2]。由于高锰高碳含量,此类高锰耐磨钢板的焊接接头晶界处碳化物析出倾向大,导致焊缝及热影响区部位易产生焊接热裂纹,焊接性不良,焊接工艺窗口狭窄,施焊难度高等问题,限制了此类高锰耐磨钢的应用范围[3-5]。

宝钢首发的BTW1改良型高锰耐磨钢,其形变诱导强化特性超过Mn13、Mn18等高锰钢。在载荷600 N石英砂磨损条件下,测得BTW1耐磨钢的抗磨损性能比HARDOX450提高91%。BTW1奥氏体高锰钢的开发满足了矿山机械用耐磨钢产品的个性化与系列化要求,全面提升高锰耐磨钢产品的竞争力与生命力。BTW1奥氏体高锰耐磨钢在工程应用中大量采用焊接结构,母材单一奥氏体组织特征使得此类材料具有焊接热裂纹敏感特性。国内外针对高锰钢焊接热裂纹敏感倾向的研究较少,制约此类耐磨钢焊接结构推广应用。焊接热裂纹是焊接生产中比较常见的一种裂纹缺陷,它是在焊接过程中焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时产生的,主要分为结晶裂纹、液化裂纹和多边形裂纹。本文采用可调拘束度热裂纹敏感试验和焊接温度场数值模拟计算相结合的方法评估BTW1奥氏体高锰耐磨钢的焊接热裂纹敏感性。通过对热裂纹敏感性定量分析,获得材料本身冶金参量,支撑新型高锰钢焊接工艺开发和焊接结构性能优化,满足行业用户对焊接接头性能及现场制造特性的需求。

2 试验材料及试验方法

2.1 试验材料

试验采用宝钢研发的BTW1奥氏体高锰耐磨钢板材,其化学成分见表1,母材微观组织形貌特征见图1。可调拘束度裂纹试板厚度6 mm,试板性能指标见表2。

表1 BTW1奥氏体高锰钢板材成分Table 1 Chemical compositions of BTW1 austenitic high manganese steel %

图1 BTW1奥氏体高锰耐磨钢微观组织Fig.1 Microstructure of BTW1 austenitic high manganese steel

表2 BTW1奥氏体高锰钢板力学性能Table 2 Mechanical properties of BTW1 austenitic high manganese steel

2.2 可调拘束度试验方法

评估焊接热裂纹试验分为三大类,包括自拘束试验、可调拘束度试验、热延性试验。其中自拘束试验对裂纹敏感性不能量化,试验结果仅显示试样开裂或没有开裂,不能获得开裂温度范围、致裂应力、应变等专用数据;而热延性试验只是测定材料在高温时的强度和延性,两种方法均具有局限性[6-8]。目前可调拘束度试验方法是公认的用于评定材料焊接热裂纹敏感性最为有效和直观的方法之一。这个试验设计为简便的施加应变型的试验,可以对引起焊接热裂纹的冶金变量进行表征。焊接性良好的奥氏体合金处理不当,容易引起焊接性问题。焊接过程可能出现凝固裂纹、液化裂纹、固态裂纹等缺陷。凝固裂纹和液化裂纹与材料冶金特性和焊接过程控制相关联,主要发生于焊接高温区间,在BTW1材料应用中需要关注的这两类焊接热裂纹影响因素。应用可调拘束度试验方法,能够定量化材料焊接热裂纹敏感性的大小,获得特定材料受焊接热过程影响的开裂敏感性定量数据,有效支撑材料选用和焊接结构性能优化。

针对BTW1母材具有的单一奥氏体组织特征,本文研究中应用纵向可调拘束度试验方法,对焊接结构安全性有重大影响的焊接热裂纹敏感性进行研究。焊接热循环作用下,奥氏体材料焊缝可能形成凝固裂纹,同时焊接热影响区形成以液化裂纹为主的焊接热裂纹。针对焊接过程产生的此两类热裂纹,热裂纹敏感性研究能够对材料焊接性进行定量表征,有助于材料应用和焊接结构性能优化。试验示意图如图2所示,试验过程中将试板两端固定在弯曲模块上方,然后采用TIG电弧在试板上从A点到C点进行重熔,当电弧移动到B点时,装置加载辊使试板以某一速度快速弯曲,直到试板与带曲率半径的弯曲模块完全贴合为止。电弧在B点弯曲之后仍继续前进,直至C点停机断弧。纵向可调拘束度试验过程中弯矩是沿着焊道长度方向上施加的,在熔合区和邻近的热影响区产生裂纹。焊接热影响区液化裂纹在熔池边界形成,并沿液化的晶粒边界向热影响区方向扩展。

图2 纵向可调拘束度试验方法Fig.2 Schematic diagram of varestraint test

本文研究中应用的试验设备为美国 D.L.WRIGHT 公司生产的MTV2500 型可调拘束度裂纹试验机(图3)。可调拘束度试验中,在试板B点位置施加应变是通过可置换的模块控制的,MTV2500试验机采用不同应变量的模具来实现不同的应变量施加,与传统的可调拘束度裂纹试验设备相比,此设备具有可实现多种形式的试验、试样制备简单、操作方便、数据稳定等特点。

图3 MTV2500 型可调拘束度裂纹试验机系统Fig.3 MTV2500 varestraint test machine

试板承受的应变(ε)可由式(1)计算获得:

(1)

式中:t为试板厚度;R为模块的半径。

可调拘束度试验中采用低倍显微镜(20～50倍)测量试验后试样表面的裂纹长度。采用试样表面观察到的“最长裂纹长度(MCL)”,作为测量参量。最长裂纹扩展路径对应的开裂温度范围定义为焊接热裂纹敏感温度区间(CSR),采用CSR对热裂纹敏感性进行定量评估,反映了材料冶金特性的差异。

可调拘束度试验中,当施加的应变高于一个临界值(命名为饱和应变)后,最长裂纹长度(MCL)不再随应变量增加而增加,此时热裂纹已经扩展到了裂纹敏感区的全部长度。饱和应变值对应的MCL易于测量,因此,最长热裂纹在熔合区和热影响区中扩展区域对应的温度区间,可以通过熔池边缘温度与裂纹扩展终端温度差计算获得,如图4所示。本文研究中,通过温度场数值模拟的方式计算获得热裂纹扩展对应的温度区间。

图4 热影响区热裂纹敏感温度区间Fig.4 The thermal crack-susceptible region

3 试验结果及分析

应用纵向可调拘束度试验方法对BTW1奥氏体高锰耐磨钢进行热裂纹定量分析,试验过程中的TIG自熔焊工艺参数见表3。试验中,在0.25%、0.5%、1%、2%应变条件下没有发现表面裂纹;当测试应变量达到3%时,开始出现表面裂纹,而当应变量达到5%时,最长热裂纹长度达到饱和状态。观察5%应变量下最大裂纹扩展状态,将其对应于模拟计算温度场,获得了奥氏体高锰耐磨钢焊接热裂纹敏感温度区间。BTW1奥氏体高锰耐磨钢焊接热裂纹敏感温度区间见图5。图5(c)中曲线A为熔池边缘温度循环曲线,曲线B为最大裂纹扩展尖端对应的温度循环曲线。5%应变量加载作用下,产生的最大裂纹由图5(b)中A点扩展至B点。扩展路径对应的温度区间由图5(c)曲线A与曲线B在加载时刻对应的温度差值计算获得,即A点对应于图5(c)中曲线A中的实际凝固温度1 339.2 ℃与最长裂纹尖端B点对应于图5(c)中曲线B的温度1 187.0 ℃之差计算获得。热裂纹敏感性评价结果显示,BTW1奥氏体高锰耐磨钢测试临界应变量为3%,热裂纹敏感温度区间为152.2 K,见表4。

表3 TIG自熔焊工艺参数Table 3 Welding parameters for TIG

图5 BTW1热裂纹敏感温度区间Fig.5 The thermal CSR of BTW1

表4 BTW1奥氏体高锰耐磨钢热裂纹敏感性试验数据Table 4 The results of hot cracking susceptibility evaluation of BTW1

对于基体为奥氏体的钢材,MCL与CSR相对应,它与材料冶金特性密切相关。而εmin表征材料萌生裂纹的难易程度,与材料的冶金因素及焊接工艺条件有关,一般而言,εmin越小,材料热裂纹敏感性越高。BTW1奥氏体高锰耐磨钢εmin达到3%,其在实际应用的小应变工况下具有较小的热裂纹发生倾向。

针对BTW1奥氏体高锰耐磨钢材料特性和行业应用工况,采用ER307Si高锰不锈钢MIG焊丝作为匹配焊接材料,完成BTW1钢焊接工艺试验研究,焊丝成分见表5。焊接试验工艺参数见表6。

表5 ER307Si焊丝成分 Table 5 Chemical compositions of filler metals ER307Si %

表6 BTW1-Mn8高锰钢焊接工艺参数Table 6 Welding parameters for MIG welding of the BTW1-Mn8

BTW1奥氏体高锰耐磨钢板材中厚板应用于煤矿机械等典型耐磨领域,开发的匹配焊接工艺,选用高锰钢不锈钢焊接材料,焊前不需要预热处理,焊后不需要消应力退火处理。取消热处理工序节约施工成本,大幅度提高了焊接效率,降低了施焊难度,有利于施工现场工业化推广。BTW1奥氏体高锰耐磨钢通过母材成分控制,硫磷等有害杂质含量低,能够防止焊接热裂纹产生;同时BTW1热影响区晶粒粗化程度较低,小晶粒增加了晶界面积,减少单个晶界上的偏析量和局部应力。由于破坏较多发生在晶界上,较为细小的晶粒进一步增大了热影响区的抗裂性。通过多层多道焊工艺,控制层间温度低于150 ℃,避免过大热输入引起焊接接头高温停留时间过长、焊接热影响区部位产生很陡的温度梯度,有效避免热裂纹的产生。BTW1奥氏体高锰耐磨钢焊接接头熔合区及其相邻热影响区未见焊接热裂纹缺陷(见图6)。

图6 BTW1焊接接头宏观形貌Fig.6 Weld morphologies of BTW1

焊接熔合区和热影响区组织粗化程度较低(见图7),能够有效降低焊接热裂纹敏感性的影响,保证良好的焊接质量。焊接试板性能检测结果显示:焊接接头拉伸性能良好;焊缝中心、热影响区各位置冲击韧性良好,具有较大的塑性、韧性储备,能够满足工程应用需要,见表7。

图7 BTW1焊接热影响区微观组织Fig.7 The microstructure of BTW1 HAZ

表7 BTW1-Mn8高锰钢焊接接头性能Table 7 Mechanical properties of the BTW1-Mn8 welded joint

4 结论

(1) 可调拘束度试验作为BTW1奥氏体高锰耐磨钢焊接热裂纹敏感性定量评价方法,获得了热裂纹敏感性定量分析数据,能够有效支撑此类新型耐磨钢材料应用。

(2) BTW1奥氏体高锰耐磨钢通过控制有害杂质元素含量和晶粒细化,减少了焊接热裂纹发生的倾向,小应变等实际应用工况下具有较小的热裂纹发生倾向。

(3) 针对BTW1奥氏体高锰耐磨钢中厚板典型耐磨应用领域,开发的匹配焊接工艺能够有效避免焊接热裂纹敏感性的影响,满足工程应用需要。