分析了T4003、410L、410S、409L、430、30Cr13和20Cr13不銹鋼高溫熱影響區(HTHAZ)的顯微組織和焊接性能。結果表明，T4003不銹鋼的HTHAZ組織為70%M+F，鐵素體晶粒大小為30μm。409L不銹鋼的HTHAZ為全鐵素體粗大組織。410L、410S和430不銹鋼的HTHAZ為鐵素體晶界連續分布馬氏體的雙相組織，馬氏體含量較少，鐵素體晶粒粗大。20Cr13和30Cr13的HTHAZ基體為馬氏體，并且在20Cr13中孤立分布有高溫鐵素體，在30Cr13中存在未溶解的碳化物。根據成分計算各鋼種KF值，其在Kaltenhauser相圖的位置基本與實際相符。彎曲試驗表明只有KF小于一定程度的T4003鋼具有良好的焊接性能，這不僅與低含量的C、N有關，更重要是由奧氏體元素Mn、Ni誘導HTHAZ中產生大量低碳馬氏體，從而阻礙鐵素體晶粒長大所致。
鐵素體不銹鋼不僅具有成本優勢，而且耐蝕性能優異，在很多領域將逐漸代替奧氏體不銹鋼。隨著VOD冶煉技術的發展，C+N總含量小于150×10-6的成分設計變得容易實現[1]，這使鐵素體不銹鋼在成形和耐蝕方面應用領域進一步擴大。然而，焊接性能是限制鐵素體不銹鋼應用的最大障礙，其高溫熱影響區(HTHAZ)僅有少量甚至沒有γ相變，晶粒劇烈長大，力學、沖擊和耐晶間腐蝕性能將極大降低[2-4]。引入奧氏體形成元素將擴大α+γ兩相區，形成更多奧氏體阻礙鐵素體長大，但卻需要考慮奧氏體冷卻過程中轉變為馬氏體所導致的焊接接頭脆化問題。Kaltenhauser和Lippold在預測焊縫組織方面做了大量工作。其中，Kaltenhauser研究了鐵素體/馬氏體不銹鋼的組分相圖，提出了鐵素體因子(KF)，用來確定鐵素體不銹鋼焊縫形成馬氏體的傾向[5]，而Lippold用Kaltenhauser因子開發出鐵素體不銹鋼相圖[6]。此外，合適的焊絲材質可以保證焊縫具有良好的力學性能，然而鐵素體不銹鋼HTHAZ對焊接接頭性能影響卻很難消除。本文對酒鋼生產的T4003、410L、410S、409L、430、30Cr13和20Cr13鋼種焊接接頭HTHAZ組織轉變進行了研究，借鑒鐵素體焊縫組織預測研究成果，分析了(C+N)含量、KF值對HTHAZ組織變化和性能的影響。
1試驗方法
取厚度為4mm的熱軋退火態T4003、410L、410S、409L、430、30Cr13和20Cr13鋼種，化學成分如表1所示。T4003、410L、410S和409L為11%~12%的低Cr鐵素體不銹鋼，430為中Cr鐵素體不銹鋼，30Cr13和20Cr13為馬氏體不銹鋼。T4003、410L和409L屬于低碳不銹鋼，T4003為Ti、Nb雙穩定化不銹鋼，且Mn、Ni等奧氏體形成元素較高，409L為Ti穩定化鋼。
采用直流氬弧焊機進行焊接，焊絲為準1.2mm的ER309L-Si，I型坡口對接焊，間隙為1.6mm，工藝如表2所示。不進行預熱和焊后熱處理。利用顯微鏡觀察母材和HTHAZ組織，按照GB/T15825.5-2008進行焊接接頭正反面的折彎試驗(MTSBHT5505,α=180°,D=2a)。
2結果與分析
圖1為實驗鋼熱軋退火態母材組織。可以看出，T4003、410L、410S和430均沿著軋制方向呈現出竹節狀或條帶組織。409L和馬氏體鋼均為等軸晶粒，馬氏體鋼組織為F+Cr23C6，并且Cr23C6沿晶界和晶內析出。409L只在晶內析出少數碳化物。
圖2給出了實驗鋼HTHAZ的金相組織。可以看出，T4003不銹鋼的HTHAZ形成了大量馬氏體，含量在70%左右，鐵素體晶粒尺寸在30μm以內，如圖2(a)所示。410L、410S、409L和430不銹鋼的HTHAZ晶粒劇烈長大，尺寸均在150μm以上，如圖2(b)~圖2(e)所示。410L、410S和430鐵素體晶界連續分布馬氏體組織，430不銹鋼晶內存在大量點狀Cr23C6析出物，410S和410L則較少。409L不銹鋼的HTHAZ為全鐵素體組織，除了晶內彌散析出碳化物，還出現碳化物在晶界聚集析出的現象，如圖2(d)所示。馬氏體鋼的HTHAZ組織基體是馬氏體，組織細小。30Cr13含有少量碳化物，20Cr13在晶界分布有孤立的高溫鐵素體，如圖2(f)和圖2(g)所示。
圖3為Kaltenhauser相圖。可以看到，409L在全鐵素體相區，30Cr13在全馬氏體相區，其余鋼種均在F+M雙相區，Kaltenhauser相圖預測結果基本符合HTHAZ實際組織，見圖2。不同的是，Kaltenhauser預測30Cr13焊縫為全馬氏體組織，而HTHAZ存在未溶解碳化物。這說明Kaltenhauser相圖對預測馬氏體不銹鋼HTHAZ組織不十分精確，這是因為焊縫組織變化是從液態開始，而HTHAZ組織是從母材(退火態)開始轉變的。30Cr13在焊接過程快速冷卻抑制焊縫碳化物析出，卻使HTHAZ中碳化物來不及溶解，因此保留部分碳化物。鐵素體不銹鋼的HTHAZ組織預測十分精確。對比圖3和圖2可看出，T4003成分最接近馬氏體相界，馬氏體含量最多。相反，越是接近鐵素體相區的鋼種，馬氏體含量就越少。
圖4為不同鋼種對應的KF值、(C+N)含量和折彎試驗結果。可以看出，只有T4003鐵素體不銹鋼180°彎曲結果為合格，其余均出現裂紋。T4003具有和其他鋼種不同的成分特點，相對30Cr13和20Cr13馬氏體不銹鋼，其C、N含量較低。相對其他鐵素體不銹鋼，T4003的KF值最小，為7.34。409L雖然(C+N)含量最低，但是其KF值卻是最高，為14.45。
3討論
為了揭示成分對實驗鋼HTHAZ組織的影響，對焊接后的HTHAZ組織形成過程和性能進行了如下分析。T4003不銹鋼由于高的Nieq當量，奧氏體相區非常寬，高溫鐵素體相區區間被極大壓縮，焊接過程鐵素體晶粒來不及長大就發生相變，有效阻礙晶粒長大，晶粒大小僅為30μm，如圖2(a)所示。根據T4003成分計算TiN、TiC、NbN和NbC在不同相區的固溶度積和形成熱力學可知，Ti在液相幾乎就和所有的N反應析出TiN，焊接過程中并不溶解，C則會在奧氏體相偏析冷卻時保留在馬氏體中或者在鐵素體晶內形成Nb和Ti的碳化物，這樣避免C、N化合物在晶界析出敏化。同時馬氏體板條狀束位向各不相同，這對提高焊接接頭折彎性能和沖擊韌性十分有效。410L、410S和430彎曲性能之所以不良，是有HTHAZ晶粒劇烈長大導致的，如圖2所示。Cr13和Cr17鐵素體不銹鋼相圖表明[7]，接近固相線溫度時，鐵素體中碳的溶解度在較高的水平，降至1000℃時溶解度已經幾乎為零，因此HTHAZ鐵素體中碳化物發生重新溶解和析出過程。同時焊接加熱過程鐵素體晶界最先發生奧氏體相變，C元素有更大的固溶度，碳化物在溶解過程一直向晶界奧氏體擴散，致使冷卻轉變的晶界馬氏體周圍基體沒有析出物，晶內則存在點狀Cr23C6析出，這在碳氮含量高的430最為明顯，如圖2(e)所示。雖然避免了晶界碳化物析出敏化，但是馬氏體相溶解了更多的碳，且沒有抑制鐵素體劇烈長大，較T4003有較大的脆性。相對410S和430，410L有更低的Creq和KF值，馬氏體最易形成。對照圖3和圖2還可以看出，更高的Cr含量將促使形成更多的碳化物而不是馬氏體，馬氏體含量430<410S<410L，析出碳化物含量則相反。409L處于全鐵素體相區，整個固相溫度范圍不存在相轉變，如圖3所示。焊接過程主要發生晶粒劇烈長大，這是導致折彎性能不良的重要原因。409L是Ti穩定化不銹鋼，由于C與Ti相對Cr有更大的化學親和勢，優先形成TiC。HTHAZ晶界中TiC或Cr23C6的析出則說明409L在焊接過程中就已經發生晶間敏化。JeongKilKim[8-11]等對409L進行固溶和時效處理發現晶界和晶內析出物均為TiC，焊接過程已經形成的TiC被重新溶解，并在晶界聚集析出，導致Cr在晶界TiC顆粒處偏析引起貧化，最終引起晶間腐蝕。JeongKilKim認為要避免409L敏化，碳含量要低于0.0023wt%，Ti/(C+N)大于48.18。試驗用鋼Ti/(C+N)為10.34，存在焊接敏化行為。30Cr13由于較高的碳含量，KF為2.78，Kaltenhauser相圖預測為全馬氏體組織，如圖3所示。但是HTHAZ碳化物卻沒有完全溶解，如圖2(f)所示。這是因為碳化物溶解速度與溫度和時間都有關系，隨著HTHAZ區域遠離熔合線溫度降低，碳化物溶解受到限制，只能聚集粗化。熔合線附近的碳化物也因為高溫停留時間太短而未能完全溶解。20Cr13馬氏體鋼KF值較高為5.93，如圖4所示。固相線溫度以下不全為奧氏體，還存在高溫鐵素體，冷卻過程中鐵素體保留至室溫，奧氏體則轉變為馬氏體[12,13]，如圖2(g)所示。
對比分析了各鋼種HTHAZ組織和Kaltenhauser相圖位置，HTHAZ緊挨著熔合線，具有和焊縫類似的相轉變過程，Kaltenhauser相圖基本可以準確預測鐵素體不銹鋼HTHAZ組織。和焊縫組織轉變不同的是，HTHAZ中馬氏體含量的多少與焊接參數和輸入熱有直接關系，這影響HTHAZ在奧氏體區停留的時間，最終影響馬氏體形成數量，因此Kaltenhauser相圖對HTHAZ組織的預測只能定性，它給出了鐵素體不銹鋼HTHAZ馬氏體形成能力。對不同KF值鐵素體不銹鋼焊接組織和性能進行分析發現，低的碳氮和低的KF值設計有助于形成低碳馬氏體，對改善焊接性能有很大作用，試驗結果表明只有較低KF設計的T4003折彎試驗為完好。低C、N設計的鐵素體不銹鋼HTHAZ中具有更多的低碳馬氏體，會有效制約鐵素體晶粒長大和避免晶間析出物導致敏化。HTHAZ形成低碳馬氏體的成分設計是有益的，因為鐵素體晶粒長大可明顯增加韌脆轉變溫度，而HTHAZ為低碳馬氏體的焊接接頭依然具有良好的彎曲性能和沖擊韌度。已經對T4003不銹鋼HTHAZ低溫沖擊韌度進行了研究，發現其-40℃沖擊功仍大于10J，一般鐵素體不銹鋼卻不能達到。
4結論
（1）T4003不銹鋼HTHAZ為70%M+F的雙相組織，鐵素體晶粒在30μm以內。而409L為粗大晶粒的全鐵素體組織，410L、410S和430不銹鋼存在少量晶界馬氏體，鐵素體基體仍然粗大。馬氏體鋼的HTHAZ主要為馬氏體，20Cr13分布有高溫鐵素體，30Cr13含有未溶碳化物。
（2）Kaltenhauser相圖基本可以預測鐵素體不銹鋼的HTHAZ組織，HTHAZ具有和焊縫類似的相轉變過程。
（3）409L不銹鋼處于全鐵素體相區，不可避免晶粒長大。T4003添加Ni、Mn奧氏體形成元素具有較小的KF值，焊接過程HTHAZ形成大量馬氏體，有效制約鐵素體晶粒長大。
（4）在低C、N設計基礎上，鐵素體不銹鋼較低的KF值成分設計對改善焊接性能十分有效。