稀土元素对熔滴的耐腐蚀金属弧焊10 crni3mov钢

文摘

我们修改的内容稀土元素(REE)的药芯焊丝用于生产焊接高强度低合金(HSLA钢)。稀土元素添加在微观结构的影响以及焊接金属的机械和电化学性能(WM)调查。REE-modified焊接金属在电化学阻抗谱显示截然不同的反应,potentiodynamic极化测试。结果表明,添加稀土元素0.3 wt. %促进一个更统一的微观结构和提高机械性能和耐腐蚀性能焊接金属。

1。介绍

焊接是一种常见的加入方法,全球商业使用。制造一艘钢的焊接过程,例如,占总生产时间的30% ~ 40%。熔滴弧焊(FCAW)是一种半自动或自动弧焊过程,涉及药芯焊丝的熔化金属的贱金属。FCAW特别是是使用最广泛的焊接技术在现代造船工业。FCAW关节的特性在很大程度上取决于使用的焊接材料和焊接过程中使用的贱金属。

10 crni3mov钢是典型的高强度低合金钢(HSLA)相结合的强度、韧性和可焊性由于Q-tempered处理。这种类型的钢通常是用作船体材料在高性能海洋车辆(1]。由于高性能要求的焊接接头在这些车辆,低温冲击韧性和焊接金属的耐蚀性决定10 crni3mov钢的整体性能。

最有效的方法来改善焊接金属的韧性和耐蚀性是改变焊接金属成分通过引入合金元素通过药芯焊丝作为FCAW填充金属(2]。一般来说,稀土元素(REE)被认为是最合适的合金化元素对任何成熟的合金系统。小添加稀土元素进入钢可以显著净化钢液和修改任何夹杂物,提高钢的性能(3- - - - - -5]。正确的REE含量可以提高冲击韧性和焊接组件的回火脆性。这是由于它对晶粒细化的影响,晶界清洁,抑制晶界脆化[6]。理论计算显示(7- - - - - -9],稀土元素可以增加钢的晶界凝聚力,导致增韧的材料通过晶界偏析。此外,添加稀土元素还可以提高钢的高温延展性(10,11]。方面(12)发现,添加稀土元素空熔炼AF1410钢可以稳定complex-inclusions和提高韧性。高等人大幅改善H13钢的韧性增加0.015 wt. % REE,有利于更好的和更多的分散夹杂物13]。添加稀土元素对焊接金属看到DH32钢铁促进夹杂物和一个小格子disregistry提高延伸率、抗拉强度和冲击韧性焊接金属(14,15]。还报道,稀土元素可以提高低碳的耐腐蚀钢16,17]。然而,稀土元素的影响焊接金属的特性和属性10 crni3mov钢,特别是,没有受到应有的重视,没有正确的总协定的REE在焊接金属已经被报道。

稀土元素可以很可能提高焊接金属的属性在FCAW通过微观结构控制。在这个工作中,稀土元素的影响以及药芯焊丝在焊接金属的组织和性能研究。特别是,我们专注于REE含量之间的相关性和由此产生的关节的属性。

2。实验

10 crni3mov钢板弧焊用熔线不同稀土元素浓度。稀土元素(包括Ce-rich稀土硅铁、REE-Si-Fe)。REE-Si-Fe的化学成分如表所示1。熔滴线由一个金属护套和核心粉;参见图1。他们准备在冷轧带钢的塑造和填充的空心粉混合物和XZ-YCX8药芯焊丝生产机器。在这项研究中,基本核心粉属于rutile-fluorite合金系统的充填率为20%。完成线的直径是1.2毫米。粉芯的选择REE含量如表所示2。五组样品用不同的稀土元素浓度在焊接金属制造在实验室使用相同的焊接条件。10的化学成分和机械性能crmo3niv钢贱金属如表所示3和4。的条件和参数FCAW流程表中列出5。FCAW槽的图纸和焊接金属机械测试样品准备根据中国标准GB / t17493 - 2008;参见图2。

焊接金属的化学成分(除碳,C)确定使用司法院天涯电感耦合等离子体发射光谱仪。C含量决定用LECO CS600 carbon-sulphur光谱仪。焊接金属内的阶段被确定与D / max-IIIA x射线衍射仪(XRD)。每个焊接金属样品观察和分析数字- 440 d光学显微镜(OM)和jeoljxa - 8100扫描电子显微镜(SEM)和其附属EDX(牛津- 7412)研磨后,抛光和腐蚀natal 4%解决方案。焊接金属的显微硬度测量使用hvs - 1000微负载0.3 kgf维氏硬度计,使用四分在同一圆周半径的1/2为每个样本。样品的电化学阻抗谱(EIS)和potentiodynamic极化(PP)测试中心的被焊接金属沿纵向方向。这样做是通过线性切成方块的10毫米×10毫米×0.5毫米。在电化学测试,样品与2000 -网格砂纸、抛光与丙酮脱脂,用蒸馏水洗净,一丝不苟。工作区域的测试样本1厘米²,其余地区的样本后用蜡密封好。EIS和PP测试进行了使用一个公司P4000电化学工作站与三电极系统。工作电极是测试样本(1厘米²工作区域),辅助电极是Pt板,参比电极是饱和甘汞电极(SCE)。电解液是一个3.5 wt. % NaCl水溶液。工作电极浸泡在电解液在open-circuit-potential ((OCP)模式测试前30分钟。EIS模式被设置为10的频率⁻²Hz ~ 10⁵赫兹和(OCP交流传动信号振幅的±5 mV。以下potentiodynamic偏振模式选择扫描电位范围的-1.0 V ~ + 1.5 V和(OCP扫描速度为1 mV / s。极化样品用扫描电镜观察。

3所示。结果与讨论

3.1。化学成分分析

焊接金属的化学成分(只有关键要素)表中列出6。REE除了引起重大变化的C和倪内容但是如果只有轻微的变化,Mn和莫内容的焊接金属。此外,有罕见的变化和艾尔Ti焊接金属的内容。

3.2。焊接金属的机械性能

表7和图3显示FCAW-welded金属的机械性能与不同REE补充道。在图3(一个)抗拉强度的值,屈服强度和延伸率增加稀土元素后突然增加0.3%。然而,上述测试结果表明逐步减少稀土元素含量超过0.3%时,它是低于REE-free焊接金属(REE0)前1.0%的稀土元素添加。图3 (b)显示了对焊接金属低温冲击能量。所有焊接金属的冲击能量与添加稀土元素高于REE-free焊接金属,和它增加显著REE含量增加到0.3%。然而,焊接金属的冲击能量会导致轻微的减少出现进一步的REE含量增加到1.0%。有关样品的显微硬度很低。轻微的波动可能是由于C在焊接金属的存在18]。这是因为较高的C含量REE1 REE2焊接金属检测;见表6。换句话说,添加稀土元素改善焊接金属的机械性能显著。正确的添加适量的稀土元素可以改善焊接金属的强度,而稀土元素添加超过0.7%降低了强度。

3.3。微观结构分析

图4显示了FCAW-welded金属的光学形态不同的稀土元素的添加。很难找出任何前奥氏体晶界(PAGB),这意味着一个完整的相位变换(铁氧体)发生在冷却。REE-free焊接金属的微观结构由前共析铁素体(PF)、针状铁酸盐(AF)和少量的贝氏体(B);参见图4(一)。没有形成的贝氏体焊接金属与稀土元素添加;参见图4 (b)- - - - - -4 (e)。这表明不同形式的铁素体组织,即。、房颤、板条铁素体(低频),粒状铁素体(GF)成立。稀土元素添加0.3%和0.5%后,如图3 (b)和3 (c)焊接金属的微观结构变得更加精炼。此外,PF的大小是有限的,由于抑制成核PF。此外,有增加了成核和房颤增长由于添加稀土元素。由于持续增长形成的一些小低频房颤。晶界的总量明显增加,因为房颤的形成。有一个高密度的内部混乱的针状铁素体,很少有角度的界限。这些需要更高的能量穿过房颤的微裂隙,使裂纹抗生长(19]。因为有很多大角度晶界在相邻的谷物,从而增加位错运动的阻力和塑性变形,形成房颤增加强度和低温冲击韧性(20.,21];参见图3。REE含量REE超过0.5%时,抑制房地产的PF恢复成核。这是由于晶界污染的稀土元素,它表现为PF的不成比例的增长22];参见图4 (d)和4 (e)。0.3%和0.5%的稀土元素除了可以细化颗粒有效地通过促进房颤的形成。这提高了焊接金属的机械性能。REE含量超过0.5%时,房颤是有限的增长促进低频和PF。这导致减少强度和低温影响焊接金属的韧性。

如果合适大小的第二相粒子均匀分布,在凝固过程中充当核。研究[23,24比0.6)表明,颗粒细μm促进铁素体的成核,而更有效的成核发生在0.2 ~ 0.6μ米的范围内。图5显示了扫描电镜图像的焊接金属与不同数量的REE补充道。第二相粒子REE-free焊接金属的数量很小,和他们的大小是相对较大(3.3μ米直径);看到图中的黑点5(一个)。很明显,第二相粒子的数量显著增加,而更高的平均尺寸逐渐降低瑞瑞内容;参见图5 (b)- - - - - -5 (e)。这是大大不同于REE-free焊接金属,基于100多个粒子的测量。后进一步增加的REE含量(1.00%),第二相粒子的数量继续增加离散分布和平均尺寸减少。第二相粒子(微量)开始出现在视野中。

第二相粒子的数量和不同颗粒大小的分数计算使用扫描电镜图像。统计结果如图6。REE含量较高,第二相粒子的尺寸范围逐渐变小。一些超大的粒子(3.3μ米REE-free焊接金属)不会出现在REE-added焊接金属。第二相粒子的分数在0.2和0.6之间μ在数据6(一)- - - - - -6 (e)70.2%、77.8%、74.4%、49.9%和46.4%,分别。这显示了第一次增加然后减少趋势如果REE含量增加。然而,粒子的分数低于0.2μm是0%、0%、8.1%、28.1%和44.9%,分别代表增加REE含量的上升趋势。因此,一个非常高的REE含量可以减少第二相粒子的大小,和斜率描述焊接金属的机械性能变得消极。当稀土元素含量最优(0.3%),大部分的第二相粒子在0.2到0.6的尺寸范围μ米,这促进了房颤的形成和结果最好的焊接金属的机械性能。

第二相粒子的EDS结果如表所示8。主要有三个元素(铁、锰、镍)矩阵,波动变化的组件。然而,元素的类型和组成粒子的不同的样品有所不同,其主要元素包括O,铝、硅、钛、锰,铁。因为粒子位于矩阵,矩阵的EDS决心将包括组件部分的结果。此外,铁的含量约为45%,所有元素的最高;它可以认为铁主要源于矩阵。有少量的年代的第二相粒子在三组样本0.3%的稀土元素,稀土元素0.5%,和0.7%的稀土元素,分别。合金钢中一定量的年代元素有利于改善其切削加工性能。然而,对于焊接金属,极少量的年代可以大大降低其性能。在这个工作,它可以发现正确的REE含量有助于积累到第二相粒子,这原本溶解在矩阵。 Thus, it will reduce the harmful effects on the matrix to increase the strength of weld metal. This conclusion is consistent with the above discussion of the mechanical properties in Figure2。随着稀土元素,非金属元素的相对内容啊,如果,和S的第二相粒子表现出上升趋势,而中铝、铁等含量略有增加,而Ti和Mn略有下降。锰和钛还原并去除杂质,形成不应期杂质如MnS或TiO,加上年代或O .这些退出焊接金属焊渣与非金属元素O和美国的权利内容浓缩在焊接金属与氧气会增加焊缝气孔的产生的可能性,从而诱导裂缝,成为外部负载下的微裂隙的来源。这降低了强度和焊缝金属的低温冲击韧性。硫磺可以形成带状菲斯,当结合铁和削弱焊缝金属的一致性。适量的如果不能仅仅作为一种还原剂还Al-Mn硅酸盐粒子和促进成核。因此,添加稀土元素使元素啊,年代,而如果积累的第二相粒子的矩阵,矩阵和改进谷物或净化的同时有效的微观结构。因此,焊缝金属的强度和低温冲击韧性提高使用稀土元素。

使用XRD相成分为每个样品测定,结果如图所示7。矩阵由α铁(AF),第二阶段主要由一个及阶段(硅酸Al-Mn)阶段。此外,(铝、锰)是由各种金属或非金属氧化物包括艾尔₂O₃MnO, SiO₂在脱氧作用发挥强有力的作用,因此能大大减少氧气在焊接金属。在熔池的凝固过程,第二相粒子,包括₂O₃MnO, SiO₂,最好是具有高表面能形成25),铁氧体的晶体核形式。这样可以大大减少对成核相变时的势垒γ来α阶段。焊缝金属中的第二相粒子主要是不同阶段的复杂混合物。因此,每个阶段可以被视为一个高能量区域,形成针状铁素体的细胞核。多维成核发生在最后导致针状铁素体重叠,从而导致细粮。

3.4。电化学性能

EIS的反应FCAW-welded金属与不同REE含量3.5 wt. %氯化钠溶液测定研究对电化学性能的影响。我们的结果显示为奈奎斯特、波德和Bode-phase阴谋在图8。所有焊接金属的奈奎斯特图是不完美的半圆图形(图8(一个)),即。,capacitive arcs with similar capacitive response. Only a single depressed semicircle for each welded metal appears in the Nyquist plots, which indicates that only one time-constant is present in EIS. The imperfect semicircle-diameter for REE4 is the largest. It shows the largest capacitive arc and the best antidissolution properties. The imperfect semicircle-diameters for REE welded metals, with REE added (REE1, REE2 and REE3), are smaller than the REE-free welded metal. In the low-frequency range of the Bode plots (Figure8 (b)),电阻较高的样本具有更强的耐腐蚀性能。这是符合我们上面的奈奎斯特图的分析。在图8 (c)每个光谱显示一个顶点,最大相位低于70°。这意味着EIS电容焊接金属的反应,有或没有瑞,不纯或理想。因此,只有一个时间常数和低反应阻力,这是类似于智慧化结果报道Domene et al。26]。

模拟测量阻抗数据和解释一般的腐蚀过程,如图所示的等效电路9被采用。阻抗参数的变化如表所示9,和相应的误差低于5%。与主动解散机制一致,是溶液电阻,代表了电荷转移电阻的金属电解质,可定义为在电解液样品的耐腐蚀性能。此外,相对应的固定相元素占金属在该等效模型,据陈y . et al。27]。焊接金属(1.00 wt. % REE加法)最高(983.0Ω·厘米²),REE1焊接金属最低(447.6Ω·厘米²)。只有REE4焊接金属1.00 wt. % REE含量显示更高比其同行REE-free焊接金属。

EIS测试后,potentiodynamic极化测量进行了,在3.5 wt. %氯化钠溶液在室温下。结果如图所示10和表10。腐蚀电位()是一个静态指标电化学耐蚀性来描述材料的腐蚀敏感性。在这项研究中,所有焊接金属与稀土元素显示比REE-free焊接金属腐蚀电位较低;见表10。REE-free焊接金属最高(-344 mV),而最小的REE1 REE最低(-546 mV)。这表明一个小瑞除了已经显著影响焊接金属的腐蚀敏感性。然而,高腐蚀性的敏感性并不意味着很容易腐蚀的材料。根据塔费尔规则,腐蚀电流密度()是一个关键因素和corrosion-dissolution率密切相关。此外,相关的极化电阻()是用来确定腐蚀率在任何给定的时间。此外,低和更高的显示更高的耐蚀性。所有焊接金属的极化曲线有或没有REE显示典型的主动解散的迹象3.5 wt. %氯化钠溶液。活性溶解机制是进一步证实了高相比计算10μ一个/厘米²对所有焊接金属;见表10。REE-free焊接金属(REE0)最高(24.9μ一个/厘米²)和最低的(1047.2欧姆/厘米²)。稀土元素可以阻碍阳极过程和阴极过程减少焊接金属的腐蚀速率。消极的移动,由于更大的稀土元素对阴极反应的平衡电势的影响(28]。极化曲线的形状基本相同,这表明不同稀土元素的腐蚀机理没有改变。这两个和焊接金属的改善,由于稀土元素的添加。他们比身旁不要焊接金属。REE除了可以减少corrosion-dissolution率和提高焊接金属的耐腐蚀性能。REE1, REE增加0.2%,显示了最高最强的腐蚀效果,减少(1945.7欧姆/厘米²)和最低的(13.4μ一个/厘米²)。换句话说,减少效应削弱了添加稀土元素后,由于增加了和减少REE2 REE4。

有趣的是,和焊接金属与不同的稀土元素内容的显示不同的趋势。考虑到稀土元素的影响,之间的差别和值可能取决于第二相粒子。第二相粒子大小和电阻之间的相关性如图所示11。据报道,铁氧体阶段更好的溶解在电化学腐蚀(29日),和中学阶段作为通路在腐蚀性环境中(30.]。REE第二相粒子没有显著影响的阻力REE-free焊接金属。稀土元素与第二相粒子的大小成反比焊接金属含有稀土元素;参见图11 (b)和11 (d)。第二相粒子在EIS提供电荷转移通道测试。大的第二相粒子提供较大的通道,提高活性溶解效率。通过增加稀土元素的内容,细化颗粒限制焊接金属和电解质之间的电荷转移过程。这就增加并导致更好的耐腐蚀性。极化测试考虑复杂因素的评估腐蚀特性,包括EIS的回应。REE-containing焊接金属的值是成正比的第二相粒子尺寸焊接金属;参见图(11日)和11 (c)。的价值观是截然相反的值。焊接金属与更大的第二相粒子显示更高值。这可能是由于第二相粒子的电势增加含有稀土元素。REE含量影响第二相粒子的大小和比例和HSLA焊接金属的腐蚀性能以及机械性能。

焊接金属的形态后电化学测试如图12。可以观察到大量微裂隙的腐蚀表面REE-free焊接金属如图12(一个)。微裂隙随的数量价值观的不同REE-containing焊接金属。没有发现明显的微裂隙REE1样品的腐蚀表面;参见图12 (b)。然而,微裂隙REE REE4上可以清楚的看到样品图12 (e)。在电化学测试,微裂隙中生成氧化膜氧化提供渠道电解质渗透到电影。因此,焊接金属的电解质的电荷转移过程加速。REE-modified第二相粒子和焊接金属的微观结构促进致密氧化膜的形成由于稀土元素。

10 crmo3niv高强度钢的腐蚀稳定性和焊接金属的微观结构是影响稀土元素,从的角度对第二相粒子的大小和比例的影响。EIS的结果测试和potentiodynamic极化曲线表明,药芯焊丝的添加稀土元素改善耐蚀性在10 crmo3niv焊接金属。获得详细的第二相粒子的结果影响焊接金属的电化学行为,我们计划使用扫描振动电极技术(SVET)进一步研究。这将有助于揭示稀土元素的基本机制:REE如何改变对不同腐蚀时间和电解质。

4所示。结论

稀土元素被添加到药芯焊丝修改与10 crmo3niv FCAW-welded金属钢的性能。OM和SEM研究表明,稀土元素内容更改焊接金属的显微组织细化第二相粒子。内容0.3 wt. % REE的药芯焊丝是最佳的促进合适的第二相粒子在焊接金属(0.2μ米至0.6μ米直径)和主要的针状铁素体组织。如此大量的稀土元素也有助于避免非金属元素的积累和提高焊接金属的机械性能。potentiodynamic极化和EIS测试表明,稀土元素添加减少了第二相粒子的电荷转移通道效应。总的来说,腐蚀性能以及焊接金属的机械性能可以通过添加0.3 wt. % REE大大改善。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(没有。51601043),广义的科学项目(2016 gdaspt - 0205),广东的技术项目和广州(b090918120 201604046026, 2016, 201508030024, 201704030112)。

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