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54 现代冶金 2016年第1期 添加钛对焊接显微组织和贝氏体GMA 焊接夹杂物特征的影响 (韩国)Jun Seok SEO等 摘要：采用氧含量相同的两种不同贝氏体焊接，研究了钛含量对焊接显微组织和夹杂物特征的影响。为了研究 夹杂物特征，对薄金属片试样进行透射电子显微镜分析，主要关注结晶结构和组元相的化学特征，这些结果与在光 学显微镜下测量的针状铁素体比例有关。对于钛含量0．002％的焊体来说，在不定形夹杂物表面出现含锰富钛氧 化物层，其似乎与在贝氏体结构中形成相当数量的针状铁素体有关，大约50％。当钛含量增加到0．07％时，形成的 Ti：O，夹杂物伴随着锰的贫化区，并最终导致针状铁素体明显增加，超过90％。因此，推断在高钛焊接情况中，锰贫 化伴随着Ti：O，夹杂物形成可能是针状铁素体形核的机理。 关键词：针状铁素体；非金属夹杂物；添加钛；形核机理；锰贫化 1 前言 众所周知，非金属夹杂物在钢焊缝金属显微组 织演变中起到了十分重要作用，因为它们作为针状 铁素体活化形核场所。然而，即使存在的夹杂物数 量够多也不能保证焊接显微组织中有较高的针状铁 素体比例，因为夹杂物的形核潜能很大程度上取决 于许多其它因素，其与夹杂物的几何形状和化学特 征有关。至于化学特征，钛特别引人关注，因为许多 报道钛的添加可促进针状铁素体显微组织形成。 二十世纪七十年代，Ito和Nakanishi报道了钛 的添加超过0．03％时能提高焊接金属韧性，同时明 显得到细小针状铁素体显微组织。随后对含有 Ti—B焊接金属电解提取的夹杂物完成了x一射线 分析，结果表明，大部分夹杂物含有TiO，说明该相 为针状铁素体形核场所。从那时起，许多研究工作 者在焊接含钛钢时，观察到夹杂物表面出现富钛相， 认为该相为TiO、TiN或Ti(C，N)。最近，Osaka大 学的研究者确认在0．02％钛焊接过程中，发现的富 钛表面层为一氧化钛(TiO)，通过电子衍射分析。 与之相反，一些研究者报道了添加钛促进夹杂物的 结晶，从不定形硅酸锰转变成锰尖晶石(MnO· A1 O )晶体，导致焊接显微组织以针状铁素体为主。 上述提到的那些相(TiO、TiN、MnO·A12O3)在 某个定向结晶上，是与体形立方晶格铁素体相匹配 的良好晶格，因此，该事实适用于解释为什么针状铁 素体形核具有较高的潜能，添加钛如何促进针状铁 素体的形成。而且，由于发现的那三个相在焊接金 属中是针状铁素体最有效的形核剂，所以‘与体心 立方晶格铁素体相匹配的良好晶格’最有可能是焊 接金属中针状铁素体形核的机理。 二十世纪九十年代，Evan及其同事完成了在 C—Mn钢焊接中钛含量影响的～系列系统研究。他 们发现添加钛至一20 X 10 (一0．002％)能诱导针 状铁素体含量明显增加，超过60％，当钛含量进一 步增加到0．05％时，不能明显增加针状铁素体含 量。后来，在焊接钛含量28 X 10。。钢中，确认在夹 杂物表面形成的不连续岛状富钛相为MnTi O ，其 是造成此焊体形成高含量针状铁素体的主要原因。 然而，MnTi O 促进针状铁素体的机理仍不十分清 晰，因为MnTi O 和铁素体两者之间晶格的错配值 为6．4％，有相对较高的TiO(3．0％值)、TiN (4．6％)和MnO·A12O3(1．8％)。 正如上面所述，现在的文献提示在钛含量范围 介于0．002％至0．05％时，添加钛对促进针状铁素 体形成起有益作用的观点大抵相同，但是夹杂物对 针状铁素体形核的准确本质还存在争议。值得注意 的是在钛含量超过0．05％的高钛焊接钢工作报道 的内容较少，并且没有高钛焊接夹杂物特征的详细 研究。本研究的主要目标是在两个焊体的焊接显微 组织特征以及形成的夹杂物，两个焊接金属的钛含 量明显不同，其值分别为0．002％和0．07％。通过 夹杂物化学和组成相的精确分析，期望可能得到的 结论是含钛相有利于针状铁素体的形成，其机理是 2016年第1期 55 那些夹杂物成为可利用相。为了评价钛含量自身的 影响，其它元素包括氧倾向于常数，铝含量保持最小 值。 2试验步骤 2．1焊接试验准备 本试验研究的焊接所有都是坡口堆GMA焊 接。正如先前文献所报道，为了使基础金属浓度稀 释降到最小，采用两种焊接方法。第一种焊接是在 钢板表面加工成10 mm深的V型坡口，熔敷五个缓 冲层，第二种焊接是指试验焊接，在缓冲层的中心加 工成5 mm深坡口。正如表1所示，现有研究选择 的焊丝钛含量和铝含量非常低，但是其它合金元素 相对较高，满足AWS ER100S要求的拉伸性能。所 有焊接都在Ar+20％CO：作为保护气体，试验焊接 采用相当高的线能量(25 kJ／cm)完全注满焊缝，采 用单道焊接。 表1 基体板和使用焊丝的化学组成(％) 为了焊接高钛钢，在底部5 mm深焊缝处加工 出一个小的坡口，如图1所示，在实施试验焊接前将 纯钛丝插入。参考预试验数据，将直径0．3 mm的 三个焊丝插入高钛焊接钢中，钛含量为0．07％。这 种焊接被指定为‘3Ti焊接’，而没有钛丝的称为 ‘0Ti焊接’。 在试验焊接中心，采用发射光谱仪(OES)完成 了化学分析，氧和氮采用真空熔化法确定。 2．2金相检验和夹杂物分析 采用光学显微镜(OM)完成了金相检测，通过 从500倍的显微图中标点计数方法，测量了针状铁 素体的比例，试样经2％硝酸酒精溶液腐蚀。通过 扫描电镜(SEM)也观察了非金属夹杂物，并且分析 测量了它们的尺寸和密度。在SEM分析中，在放大 10 000倍提取的背散射电子像中，小型粒子的直径 小于0．01 m。为了获得可靠的数据，在每个焊接 材料中至少有600个微粒。 堆焊 加工坡口或槽缝 臣里]一[ ] l 试验焊 插入Ti丝 (s) [ ]一[ ] i．．。．．． ． ．．．．．．．．．． ．．．．J j．．．． 。．．．．．．．．．．．．．． ．．．一 图1~L(3Ti)焊接试样准备 I 器 量 图2 0Ti和3Ti摆锤式冲击试验表明的 塑性一脆性转变曲线 通过分析各种不同模式的透射电子显微镜 (ATEM)，研究了夹杂物相和化学组成。将试样经 过几步离子铣削并经双流抛光后，制备薄箔试样，然 后在200 kV下的ATEM操作检验。在5％高氯 酸+95％甲醇溶解中完成双流抛光，温度228 K 为了帮助相的确定，在STEM模式下，采用能量散射 x一射线光谱仪(EDX)，完成了元素图和线扫描。 为了确定轻元素的存在，例如碳、氮和氧，采用了电 子能量损失光能谱(EELS)。 2．3机械性能试验 采用98N(10 kg)载荷，在两个焊接试样中完成 了维氏硬度试验。对每个试样进行了5次测量，然 后记录平均值。在试验焊接金属的中心位置凹口机 加工成一半尺寸(10×5 mm)的夏比V形缺口试样。 为了建立完整的塑性一脆性转变曲线，在各种不同 温度区间完成了冲击试验，温度从77K到室温，在 2016年第1期 59 其中包含被MDZ包裹的Ti O，主相。在文献中，在 Ti O 附近锰贫化的试验依据已经在板厂很好地报 道。但是，就作者目前了解情况，没有文献表明 MDZ来自焊缝熔敷。这可能是由于焊接金属先前 的研究都是低钛含量，以致于夹杂物中不包含大量 的Ti：O 相。温度保持1 200℃，时间为1 s时，计 算锰在奥氏体中的扩散距离(、／Dt)大约为100 nm， 因此，MDZ具有如图l0所示的宽度，其在焊接热循 环冷却阶段过程中产生。一旦在夹杂物附近形成 MDZ，它能增加夹杂物周围奥氏体到铁素体转变的 化学驱动力，因此，促进在Ti O 夹杂物中晶间铁素 体的形核，依次导致焊接显微组织以针状铁素体为 主。正如图2所示。 关于在Ti O，颗粒周围MDZ形成的起源，有两 个不同观点。其一是因为Ti，O，具有明显数量的阳 离子空位，其能从铁基体自身周围吸收锰原子。另 一种可能性是在冷却过程中，通过从Ti O 的相转 变，增加锰吸收到Ti O 夹杂物内。热力学计算表 明通过从Ti 05(在高温下稳态相)到Ti O，(在低温 下稳态相)的相转变，增加钛氧化物中的平衡锰含 量，因此，在冷却过程中，当这种相发生变化时，很容 易开发出MDZ。 5 结论 对于两个不同贝氏体GMA焊接材料，钛含量 范围为0．002和0．072％，但是具有相似的氧含量， 根据焊接显微组织和夹杂物化学本质两者之间的关 系可得出如下结论： (1)贝氏体GMAW焊接的准焊缝显微组织由 贝氏体和针状铁素体组成，它们的比例随焊接金属 中的钛含量不同呈现不同的变化。钛的数量级为痕 迹时，即钛含量为0．002％时，在焊接组织中可生成 大约50％的针状铁素体，而当钛的添加量达到 0．07％时，可促进针状铁素体的形成，数量达92％。 钛含量0．07％的焊接显微组织这种变化可通过低 的DBTr和较高的平均能很好地体现出来。 (2)夹杂物的化学特征与焊接金属中的钛含量 密切相关。当钛含量为0．002％时，在非晶型硅酸 锰夹杂物表面形成结晶(Ti，Mn)氧化物层。仅有 40$的夹杂物为(Ti，Mn)氧化物层，说明这种为 (Ti，Mn)氧化物相对此焊接中针状铁素体的形成有 关，接近50％。有关形核机理，可以考虑‘铁素体固 有的低界面能’概念。 (3)在钛含量为0．07％(3Ti焊接)的焊接夹杂 物中，其组成以Ti 0 相为主，周围被MDZ包覆。 因此，认为在此焊接中控制针状铁索体形成的有效 机理是MDZ的形成与Ti：O 颗粒有关，其作为锰渗 透的通道。 (4)根据上述发现以及其它作者的研究结果， 进一步断定当含钛相充分暴露在夹杂物表面时，所 有含钛夹杂物是形核物质。铁素体形核的可能机理 因暴露在夹杂物表面的含钛相不同呈现不同的差 异，也就是说MDZ形成的机理是因为在0．07％Ti 焊接钢中形成以Ti O 为主的夹杂物，同时认为在 0．002％Ti焊接中，低界面能的概念是由于夹杂物 被(Ti，Mn)氧化物层所包覆。 张怀军译I~<