奥氏体不锈钢焊条焊缝成分对组织的影响规律

张婉云，邓火生，龙昌茂，肖　勇，蒋成刚，文铁生

（1.广西机电职业技术学院，广西南宁530007；2.桂林市宇力工程机械有限公司，广西桂林541002）

奥氏体不锈钢焊条焊缝成分对组织的影响规律

张婉云1，邓火生1，龙昌茂1，肖勇1，蒋成刚2，文铁生2

（1.广西机电职业技术学院，广西南宁530007；2.桂林市宇力工程机械有限公司，广西桂林541002）

介绍了由铬镍当量（Creq、Nieq）关系式决定的奥氏体不锈钢焊条焊缝金属的4种金相组织图，即Schaeffler、Delong、WRC-1988和WRC-1992组织图的特点和适用条件。其中Schaeffler组织图是应用最多的一种相图，而利用WRC-1988和WRC-1992组织图是通过成分预测双相组织的不锈钢焊条焊缝金属中的铁素体数（FN）是最精确的。同时还介绍Cr、Ni和C、N等主要成分对组织影响规律的研究成果：Cr、Ni对组织起决定性影响，合金元素总量为50％～65％，Ni/Cr略大于0.8和Creq>（0.93Nieq+6.7）时，焊缝为纯奥氏体组织；合金元素总量为35～45％，Cr/Ni约大于1.4和Creq>（0.93Nieq+6.7）时，焊缝为双相组织；通过控制Cr、Ni、C、N等合金元素含量和Creq、Nieq在一定范围内的变化，可使铁素体含量达到所需要的最佳值；强力的奥氏体形成元素C和N，可大大提高Nieq值，明显影响组织。对奥氏体不锈钢焊条的研究，特别是对焊丝化学成分的设计，具有实际意义和参考价值。

奥氏体不锈钢焊条；焊缝成分；焊缝组织

0　前言

具有单相奥氏体组织或奥氏体+铁素体双相组织的焊缝金属不产生相变，故奥氏体不锈钢焊条化学成分决定焊缝金属的金相组织，即取决于铁素体形成元素（Cr、Si、Mo、V、Nb、Ti等）和奥氏体形成元素（Ni、Mn、N、C等）的含量，即铬当量（Creq）和镍当量（Nieq）。

然而，奥氏体不锈钢焊条的主要性能如力学性能、抗裂性能和耐腐蚀性能等，不仅取决于成分，还取决于组织对其产生的重要影响。因此，研究和掌握成分对组织的影响规律以及成分和组织对性能的影响规律，对奥氏体不锈钢焊条的研究，特别是对其焊丝（焊缝）化学成分的设计具有重要意义。

1　Creq和Nieq关系式决定的金相组织图

金相组织图是研究奥氏体不锈钢焊条的有力工具。而金相组织图则是依据Creq和Nieq的计算结果及无数次焊缝中铁素体含量等的实测结果绘制而成。由于Creq和Nieq关系式不同，故有不同式样的组织图。目前应用较多的有Schaeffler组织图、Delong组织图及WRC-1988和WRC-1992组织图等，它们都可用于电弧焊方法（如焊条电弧焊SMAW、钨极氩弧焊GTAW、熔化极气体保护焊GMAW和埋弧焊SAW）中对成分、组织和性能的研究。为了正确应用相图，特对它们的基本特点和适用条件等进行分析总结。

1.1Creq和Nieq关系式与Schaeffler组织图

Schaeffler（舍弗勒尔）1949年版本的Schaeffler组织如图1所示。决定其组织图的铬镍当量关系式，即Creq、Nieq关系式[1]为

图1　Schaeffler组织

上述公式中的元素符号仅代表其质量分数的分子部分，而不是百分数的全部（以下同），如：Cr的质量分数为21％时，则在式（1）中的Cr取21，而不是0.21；Ni的质量分数为10％时，则在式（2）中的Ni取10，而不是0.10。

根据文献[2]，决定Schaeffler组织图的Creq和Nieq关系式为

鉴于此，在应用Schaeffler组织图时，当焊缝金属不含氮时，就用式（1）、式（2）计算Creq和Nieq；当含氮时，就采用式（3）、式（4）计算Creq和Nieq。不难看出，式（3）和式（4）包括了奥氏体不锈钢焊条焊缝金属中所有可能有的合金元素项，故更具实用性。因此，在我国应用最多的是Schaeffler组织图。

1.2Creq和Nieq关系式与Delong组织图

Delong（德龙）等人于1973年在Schaeffler组织图基础上确定了Delong组织图，如图2所示。其Creq表达式不变，即为式（1）。因研究发现氮对铁素体影响较大，所以在Nieq关系式中加进了氮元素项，其镍当量关系式[1]为

因此，Delong组织图和Scheaffer组织图有如下区别：

（1）在铬当量不变的情况下，在镍当量关系式中增加了氮元素项，使相区界线位置发生了变化，即增大了铁素体线的斜率。

（2）前者的铁素体线间距离相对是恒定的，而后者是变化的。

（3）增加了表示铁素体含量的“铁素体数”（FN）的标度。虽然FN单位与铁素体百分数含量没有直接关系，但在图内双相组织区域中在小于10的范围内时，两者基本相近或相同。

1.3Creq和Nieq关系式与WRC-1988和WRC -1992组织图

WRC（美国焊接研究会不锈钢委员会的简称）分别于1988年和1992年提出了WRC-1988组织图（见图3）和WRC-1992组织图（见图4）。而决定WRC-1988组织图的铬镍当量关系式[1]分别为

WRC-1992组织图与WRC-1988组织图基本相同，铬当量关系式也相同，即为式（6），只是镍当量关系式中增加了系数为0.25的铜元素项，故镍当量关系式为

图2　Delong组织

图3　WRC-1988组织

图4　WRC-1992组织

WRC-1988和WRC-1992组织图与Delong组织图相比较，其铁素体数由0～18扩展到了0～100；而与Schaeffler组织图相比较，0～100之间的铁素体线更多。WRC-1998和WRC-1992组织图广泛应用于预测双相组织不锈钢焊缝金属中的铁素体数，且较其他组织图会更可靠和更精确。

2　化学成分对金相组织的影响

与低中合金钢（焊缝）不同的是，奥氏体不锈钢焊缝金属的组织，仅取决于其化学成分，因不发生相变，与焊接工艺参数和热处理制度基本无关。因此，在研究成分对组织的影响时，就显得更直接和简单。

2.1合金元素对组织的影响

合金元素Cr、Ni、Mn、Si、Mo、C、N等对焊缝组织都会产生影响，其中影响最大的是Cr、Ni和C、N等元素。

（1）Cr、Ni对组织的影响。

根据对50多种国产奥氏体不锈钢焊条的统计得知，其熔敷金属中Cr、Ni之和约占合金元素总量的85％，最高达90％以上。并且铬和镍分别是形成铁素体和奥氏体的基本元素，故Cr和Ni对组织起到决定性作用。

（2）C、N对组织的影响。

C和N都是奥氏体形成元素，其作用分别为Ni的30倍或35倍和20倍或25倍或30倍（指在不同Nieq公式中的作用），故可大大提高Nieq值。

由于C对抗裂性能和耐晶间腐蚀性能等的影响极为不利，故焊缝金属中C含量通常均为0.10％的低C和小于等于0.04％的超低C。在这种情况下，C对其组织的影响较小。然而，在研究铸铁型不锈钢堆焊焊条时，为提高焊缝金属硬度，就含有大于1％的C，其组织就成了纯奥氏体组织。

焊缝金属中N含量一般为0.10％～0.25％（也有0.30～0.50％），且其溶解度是随着Cr、Mn、Mo等元素含量增加和Ni含量降低而提高[3-4]。因此，通过控制焊缝金属中的N含量，即可调整奥氏体相区的变化和微观组织的平衡。

（3）Mn和Mo、Si对组织的影响。

Mn是奥氏体形成元素，而Mo、Si是铁素体形成元素。在通常情况下，虽然它们都是奥氏体不锈钢焊缝金属中基本元素，但含量一般都较低，特别是Si一般控制在1.00％以下，故对组织的影响有限。如果为了提高氮的溶解度，即主要为了提高焊缝强度，焊缝金属中的Mn和Mo的含量可达到5％甚至更高。在这种情况下，Mn和Mo对组织会产生较大影响。

此外，Nb、Ti、V、W等铁素体形成元素和Cu、Co等奥氏体形成元素，在焊缝金属中含量更低或不存在，对组织的影响很小。

2.2成分对组织影响的试验及结果

2.2.1试样制备

（1）试验用焊条有：A557[3]、A807[4]焊条及资料[5]中具有代表性的16种焊条（参见表1），规格均为φ4.0 mm。使用前焊条均经250℃×2 h烘焙。

（2）试验用钢板为1Cr18Ni9不锈钢，试板尺寸为12 mm×50 mm×100 mm（厚×宽×长）。

（3）堆焊试验在不锈钢权上进行，焊接电流155A，共堆焊6层，层间温度140℃。

（4）分别在18块试板上取铁屑样和加工金相试样。

2.2.2试验结果

18种焊条熔敷金属的主要化学成分（Cr、Ni、C、N和Mn、Mo）的分析结果及金相组织试验结果如表1所示。

表1　奥氏体不锈钢焊条熔敷金属成分对组织的影响

铁素体含量由三种方法获得：表中①为按式（9）的计算值；②是按Creq和Nieq的计算值在Sheffler组织图上读出的结果；③为采用磁性法测定的结果（平均值）。

2.3化学成分对金相组织的影响规律

（1）当合金元素总量为50％～65％时，焊缝金属为纯奥氏体组织；当合金元素总量约为35％～45％时，焊缝金属为双相组织。

（2）当Ni/Cr大于0.8时（一般都大于1），焊缝金属为纯奥氏体组织；当Cr/Ni大于1.4时，焊缝金属为双相组织。

（3）根据文献[1]提出的无氮的奥氏体焊缝金属中铁素体含量的表达式为

当Creq<（0.93Nieq+6.7）时，焊缝金属为纯奥氏体组织；当Creq>（0.93Nieq+6.7）时，焊缝金属为双相组织，且Creq的值越大，铁素体含量越高。

（4）在双相组织的相区中，当Creq值增大和Nieq值减少时，其铁素体百分数（或铁素体数）增加；反之则减少。而当Creq>30以上时，组织中的铁素体含量可达到30％以上，如表1中的E312和E2209焊条等。但双相组织焊缝金属中的铁素体含量，一般为3％～9％或3％～10％。鉴此，通过化学成分的设计和控制Creq和Nieq在一定范围内变化，可获得所需要的金相组织（含铁素体含量）。

3　结论

（1）由铬镍当量（Creq、Nieq）关系式决定的奥氏体不锈钢焊条金相组织图有Schaeffler组织图、Delong组织图、WRC-1988和WRC-1992组织图共四种，以用来研究其成分对组织的影响及成分和组织对性能的影响。其中Schaeffler组织图是应用最多的相图，而WRC-1988和WRC-1992组织图用来预测双相组织不锈钢焊缝金属中的铁素数（FN）是最精确的。

（2）奥氏体不锈钢焊条焊缝金属中的合金元素总量约35％～65％，而Cr、Ni之和约占合金元素总量的85％，且Cr和Ni分别为铁素体和奥氏体的形成元素，故Cr和Ni对组织起着决定性作用。即合金元素总量为50％～65％、Ni/Cr略大于0.8（一般大于1）和Creq<（0.93Nieq+6.7）时，焊缝金属为纯奥氏体组织；合金元素总量约为35％～45％、Cr/Ni略大于1.4和Creq>（0.93Nieq+6.7）时,焊缝金属为双相组织。

（3）C和N是强力的奥氏体形成元素，分别为Ni的30倍或35倍和20倍或25倍或30倍，可大大提高Nieq值。因此，焊缝金属中的C、N含量对调整奥氏体相区的变化和微观组织的平衡起重要作用。

（4）在双相组织的相区中，当Creq的值增大和Nieq值减少时，其铁素体百分数或铁素体数增加；反之则减少。可通过化学成分的设计和控制Creq和Nieq值在一定范围内变化，使双相组织中的铁素体百分数达到所需要的最佳值。

[1]John C.Lipold，Damian J.Kotecki.不锈钢焊接治金学及焊接性[M].陈剑虹，译.北京：机械工业出版社，2008.

[2]R.W.R霍尼库姆.钢的显微组织和性能[M].付俊，等译.北京：冶金工业出版社，1985.

[3]蒋成刚.氮强化奥氏体不锈钢焊条的研究[J].船舶工程，1986（4）：6，55-59.

[4]蒋成刚.784MPa级奥氏体不锈钢焊条的研究[J].焊接技术，1992（5）：11-15.

[5]GB/T983-2012《不锈钢焊条》[S].

Influencing rule of austenitic stainless steel welds to organization

ZHANG Wanyun1，DENG Huosheng1，LONG Changmao1，XIAO Yong1，JIANG Chenggang2，WEN Tiesheng2
（1.Guangxi Electomechanical Institute of Vocation and Technology，Nanning 530007，China；2.Guilin Construction MachineryCo.，Ltd.，Guilin 541002，China）

The thesis introduces the 4 kinds of metallograph of Austenitic stainless steel weld metal decided by chromium nickel equivalent relationship，i.e.the characteristics and applications of Schaeffler，Delong，WRC-1988 and WRC-1992 organization graphs. Schaeffler organization graph is the most commonly used phase diagram，WRC-1988 and WRC-1992 are the most abstract graphs used to predict the FN of stainless steel weld of metal duplex stainless steels.At the same time introduces Cr，Ni and the main effect regular of the main constituent of C，N to the steel:Cr，Ni have a decisive effect on the organization，when the amount of alloy elements is about 50％～65％，Nr/Cr is about more than 0.8 and Creq(0.93 Nieq+6.7)，the weld is pure austenite;when the amount of alloy elements is about 35％～45％，Cr/N is more than 1.4 and Creq>(0.93 Nieq+6.7)，weld is dual phase microstructure;by controlling the content of Cr，Ni，C，N and other alloy elements and the change of Creq，Nieq in a certain scope，the ferrite content could reach the best;as the strong Austenite formation elements，C and N can improve the Nieq value greatly，impact on the organization clearly. All of the above points have practical significance and reference value on the study of austenitic stainless steel electrode，especially to the design of the chemical composition of welding wire.

austenitic stainless steel electrode；weld constituent；weld organization

TG422.1

A

1001-2303（2015）11-0136-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.29

2015-04-09

张婉云（1971—），女，广西全州人，副教授，学士，主要从事机械基础、金属材料及热处理等课程的教学及金属材料方面的研究工作。