海洋工程用CHE607RH焊条熔敷金属显微组织与耐蚀性研究

范银东，蒋 勇，罗昌森，陈 慧，阮诗忆

(1.四川大西洋焊接材料股份有限公司，四川 自贡 643010；2.四川轻化工大学 材料科学与工程学院，四川 自贡 643000)

海洋平台属于超大型焊接钢结构，随着科技的不断发展，正在向复杂化、大型化、高参数、严工况的方向发展[1]。由于海洋工程装备及结构件是在苛刻的腐蚀性环境下工作，其水下结构长期受到海水及生物的侵蚀，因此对其耐蚀性提出了较高的要求，在焊接材料选用上必须满足海洋工程的特殊要求，如焊接效率高、焊接质量稳定、扩散氢含量极低、强度要求高、低温冲击韧性要求高，具有良好的抗裂性能和良好的耐腐蚀性[2-4]。海洋工程用CHE607RH焊条是无裂纹钢使用的超低氢钠型船用焊条，拥有良好的缺口冲击韧性和抗裂性能，可进行全位置焊接。该焊条适于焊接普通强度的船用钢材建造的压力容器、桥梁、水电站下降管及海洋工程等关键结构[5-6]。由于焊后冷却速度与热处理工艺的不同，其熔敷金属的显微组织会发生变化，本文结合显微组织与力学性能对熔敷金属的耐蚀性进行了研究，以此为海洋工程用CHE607RH焊条的应用提供理论参考。模拟海洋环境，对热处理前后的熔敷金属进行浸泡实验和盐雾实验，研究热处理温度和保温时间对熔敷金属耐蚀性的影响。

1 实验材料及方法

实验材料为海洋工程用CHE607RH焊条，其化学成分(质量分数，%)为：0.08 C ， 1.5Mn ，0.30Si ，0.010S ，0.015P，1.03 Ni ，0.10Cr，0.24 Mo；应用手工电弧焊进行焊接实验，焊接采用直流反接，焊接电流160A。将熔敷金属试样置于陶瓷纤维马沸炉，分别进行250℃、600℃加热，保温30min、60min后，出炉空冷。应用尼康EPIPHOT200金相显微镜观察分析样品的显微组织，HV-1000显微维氏硬度计测量熔敷金属的硬度值。经过热处理的熔敷金属样品打磨抛光后模拟海水环境(3.5% NaCl盐水)，进行浸泡实验和盐雾试验。

2 结果与讨论

2.1 显微组织

2.1.1 熔敷金属显微组织

未经热处理的CHE607RH焊条熔敷金属显微组织见图1。

(a) 200×；(b) 500×

由图1可见，焊条CHE607RH熔敷金属显微组织由铁素体+珠光体+贝氏体构成。贝氏体是一种由含碳过饱和的铁素体与碳化物组成的混合组织，图中贝氏体为粒状贝氏体。粒状贝氏体是在低、中碳合金钢奥氏体化后，以一定速度连续冷却或在上贝氏体相变区高温范围等温而形成的一种复相组织，由板条铁素体作为基体，且在上面分布着富碳奥氏体岛和它的转变产物。一个粒状贝氏体晶粒的形成，并不是贝氏体-铁素体界面简单地向未转变的奥氏体中推移的结果，在其生长的前方可能有几个或多个小晶体，而后汇结于一个晶粒，其生长也可能是不连续的[7]。

2.1.2 250℃热处理后的显微组织

CHE607RH熔敷金属样品于250℃下保温30min、60min的显微组织见图2。

(a)30min 200×；(b)30min 500×；(c)60min 200×；(d)60min 500×

由图2可见，250℃保温30min、60min的熔敷金属显微组织都由铁素体+珠光体+少量贝氏体构成。经过加热保温后，随着保温时间延长，铁素体条略为长大，见图2c、图2d。图2中的铁素体为针状铁素体，针状铁素体能够形成具有良好稳定性、高位错密度、相互交错的联锁组织，提高了组织的韧性。随着保温时间的增加，铁素体变粗，组织的韧性与塑性能得到提高，但是硬度会降低[8]。

2.1.3 600℃热处理后的显微组织

CHE607RH熔敷金属样品于600℃下保温30min、60min的显微组织见图3。

图3a、图3b可见，600℃下保温30min后，CHE607RH熔敷金属样品显微组织由铁素体+珠光体+少量贝氏体构成。铁素体呈树枝状，个别铁素体条发生了聚集长大。图3c、图3d可见，600℃下保温60min后，CHE607RH熔敷金属样品显微组织是由铁素体+珠光体构成，白色部分为铁素体，深色部分为珠光体。图3中的铁素体均为针状铁素体，大量针状铁素体组织的存在能够显著提高熔敷金属的抗拉强度、屈服强度，以及良好的伸长率和较低的屈强比，综合力学性能比较好[9]。

(a)30min 200×；(b)30min 500×；(c)60min 200×；(d)60min 500×

2.2 硬度

应用HV-1000显微维氏硬度计，测量热处理前后CHE607RH熔敷金属样品的维氏硬度值，硬度值数据见表1。

表1 CHE607RH熔敷金属样品维氏硬度

由表1可见，CHE607RH熔敷金属硬度值最高，达到了296HV0.2，经过600℃加热保温60min后，样品硬度值降低至183HV0.2。由于CHE607RH熔敷金属的显微组织是铁素体+珠光体+贝氏体，其中粒状贝氏体对基体产生了强化作用，从而提高了熔敷金属的硬度、强度。随着样品热处理加热温度的提高和保温时间的延长，熔敷金属中的贝氏体组织分解成为铁素体与碳化物，粒状贝氏体的强化作用消失，硬度值发生明显下降。样品经过600℃加热保温60min后，显微组织变为铁素体+珠光体，硬度值降低至183HV0.2。

2.3 耐蚀性

2.3.1 海水模拟实验

应用3.5%NaCl盐水溶液模拟海洋环境进行耐蚀性浸泡试验，将熔敷金属样品浸泡于3.5%NaCl溶液中放置1天、3天、8天、10天、12天，测量样品的增重，用增重法公式计算样品单位面积、单位时间的增重腐蚀速度。将试样质量随腐蚀时间的变化数据，绘制于图4中。

图4 样品腐蚀增重(Δm)与浸泡时间关系曲线

熔敷金属样品经过十二天的浸泡腐蚀后，平均增重腐蚀速度见表2。

表2 12天平均增重腐蚀速度

综合图4与表2，经过十二天的浸泡腐蚀后，由600℃保温60min处理的熔敷金属样品的耐蚀性最好，耐蚀性最差的是未处理的熔敷金属原始样品。经过600℃保温60min处理后，熔敷金属样品显微组织转变为铁素体+珠光体，样品内部缺陷减少，耐蚀性提高。未处理的熔敷金属原始样品显微组织是铁素体+珠光体+贝氏体，样品内部缺陷多，耐蚀性较差。

2.3.2 盐雾实验

热处理前后CHE607RH熔敷金属样品盐雾试验后的腐蚀形貌见图5。

图5 盐雾腐蚀形貌(a)原始样；(b) 250℃×30min；(c) 250℃×60min；(d) 600℃×30min(e)600℃×60min

图5可见，通过盐雾试验腐蚀形貌图分析，由600℃×60min处理的CHE607RH熔敷金属的腐蚀最小，即耐蚀性最好。随着加热温度的提高和保温时间的延长，熔敷金属中的贝氏体组织分解，样品内部缺陷减少，耐蚀性逐渐提高。图5a，可见明显的的铁锈，还能观察到河流状沟壑。形成沟壑状形貌的原因有两方面，内因是NaCl溶液能够促进腐蚀产物颗粒的快速生长，使得表层腐蚀产物疏松，容易脱落，外因是试样在盐雾试验箱中的放置与垂直方向呈15～30°的角，沉降在试样表面的盐雾凝结，沿着试样表面向下流动，冲刷表层疏松的腐蚀物质，形成沟壑形貌[10]。

试样表面由于焊接缺陷的大量存在，加速了腐蚀速度。腐蚀反应原理是：阳极反应为铁基体的溶解，并分解形成铁离子Fe2+，阴极反应为电解质中的水及氧气反应形成氢氧根离子OH-，总反应式形成铁的氢氧化物Fe(OH)2，具体反应式如下：

阳极反应式：Fe→ Fe2+

阴极反应式：O2+ 2H2O+4e-→4OH-

总反应式：2Fe+O2+2H2O→ 2Fe(OH)2

由于Fe(OH)2为暂态产物，极易转化为FeOOH(羟基氧化铁)，FeOOH在不同的腐蚀时间、腐蚀环境下呈现不同的晶体类型。因此，腐蚀产物检测到α- FeOOH和γ- FeOOH两种类型。随着腐蚀时间的增加，FeOOH会进一步分解为含铁的氧化物，因此会看到试样上生成红棕色的Fe2O3和黑色的Fe3O4。

焊缝缺陷也产生明显的腐蚀，如焊缝中产生的气孔。气孔不仅加速腐蚀，而且影响焊缝的致密性，产生应力集中，降低焊缝的韧性、强度和承载能力等。

3 结论

(1)CHE607RH焊条熔敷金属显微组织为铁素体+珠光体+粒状贝氏体，铁素体为针状铁素体。经250℃×60min加热保温的熔敷金属显微组织为铁素体+珠光体+少量贝氏体； 600℃×60min加热保温后，熔敷金属样品显微组织为铁素体+珠光体。

(2)CHE607RH熔敷金属显微组织中的粒状贝氏体对基体产生了强化作用，从而提高了熔敷金属的硬度，达到了296HV0.2。经过加热保温后，熔敷金属中贝氏体组织分解，粒状贝氏体的强化作用消失，硬度值发生明显下降。经过600℃加热保温60min后，硬度值降低至183HV0.2。

(3)海水模拟实验中，经过600℃×60min处理的熔敷金属样品的耐蚀性最好，耐蚀性最差的是未处理的熔敷金属原始样品。经过600℃保温60min处理后，熔敷金属样品显微组织转变为铁素体+珠光体，样品内部缺陷减少，耐蚀性提高。

(4)盐雾实验显示，由600℃×60min处理CHE607RH熔敷金属的腐蚀最小，即耐蚀性最好。样品表面的大量铁锈是由焊接缺陷引起。