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噴瓷管道焊接熱敏感性研究

2016-11-02 14:43:00
sawchina
原創(chuàng)
7681
摘要：用熱模擬、掃描電鏡、X射線衍射等對(duì)噴瓷管道焊接熱敏感性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著峰值溫度的進(jìn)步，基體金屬的硬度進(jìn)步，組織由F+P轉(zhuǎn)變成B+F+ P；峰溫為1350℃、1200℃時(shí)，基體金屬中產(chǎn)生大量晶間微裂紋，金屬與瓷層界面無(wú)裂紋但出現(xiàn)氣泡；峰溫為950℃、700℃時(shí)，金屬與瓷層界面無(wú)氣泡但產(chǎn)生了界面裂紋；峰溫低于1200℃時(shí)，瓷層相結(jié)構(gòu)主要為玻璃態(tài)，由少量晶相Na2MoO4（MoO3）y析出；峰溫為1350℃時(shí)，瓷層全部轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡB(tài)。
1前言

噴瓷管道是將玻璃釉經(jīng)過(guò)高溫火焰噴槍噴熔在管道內(nèi)外壁上形成一種無(wú)機(jī)非金屬涂層，該涂層不老化，耐蝕性優(yōu)異，大幅度進(jìn)步了管道的使用壽命［1］。但是，管道接口在焊接過(guò)程中，由于焊接電弧熱的高溫作用會(huì)使噴瓷涂層熔化、剝離及耐蝕性變化，如不解決焊口的防腐題目，將嚴(yán)重影響管道的使用壽命［2］。目前，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者從事在金屬基體上熔敷耐蝕陶瓷及玻璃涂層的研究［3～5］，而瓷層焊接熱敏感性的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。本報(bào)告采用熱模擬技術(shù)再現(xiàn)噴瓷管道焊接熱影響區(qū)中各微區(qū)組織，以深進(jìn)探討近縫區(qū)基體及瓷層的性能變化規(guī)律，研究焊接熱循環(huán)的影響，對(duì)噴瓷管道的生產(chǎn)應(yīng)用具有重要意義。

2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用噴瓷管道基體金屬為Q235，尺寸為φ159mm×6mm，其成分見(jiàn)表1。采用石油自然氣-氧氣火焰噴熔玻璃釉料，熱噴玻璃釉料組成見(jiàn)表2。

表1Q235基體金屬的化學(xué)成分
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焊接熱模擬試驗(yàn)在Gleeble-1500型熱模擬試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試樣尺寸為100mm×10mm×6mm帶瓷層試樣。根據(jù)實(shí)際管道手工電弧焊工藝制定模擬熱循環(huán)規(guī)范參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。不同熱循環(huán)作用后，試樣沿均溫區(qū)剖開(kāi)，拋光浸蝕，測(cè)定組織硬度；然后噴金，用掃描電鏡（SEM）觀察金屬及瓷層的微觀形貌；用X射線衍射（XRD）分析表面瓷層的相組成。

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3結(jié)果與分析

3.1熱循環(huán)作用后基體金屬的組織與性能

不同熱循環(huán)作用后基體金屬的組織及硬度變化見(jiàn)圖1和表4。試驗(yàn)結(jié)果表明，噴瓷管道受不同焊接熱循環(huán)作用后，基體金屬的組織發(fā)生明顯變化，組織硬度也發(fā)生變化 。峰溫700℃ 時(shí)，組織為F（鐵素體）+P（珠光體）；峰溫950℃時(shí)，組織為細(xì)小F+P；峰溫1200℃、1350℃ 時(shí)組織轉(zhuǎn)變?yōu)锽（貝氏體）+F+P。隨峰溫升高，組織硬度由HV132增加到HV212。 

另外，高峰溫作用后（1200℃，1350℃）基體金屬中產(chǎn)生了大量的晶間裂紋（圖1a,b）。低峰溫950℃作用后沒(méi)有裂紋產(chǎn)生（圖1c），峰溫700℃作用后，又有大量晶間裂紋產(chǎn)生（圖1d）。形成裂紋的原因，一方面由于高溫作用后，基體金屬組織轉(zhuǎn)變成了脆性B組織，B與F、P性能差別大，晶界輕易產(chǎn)生裂紋；另一方面噴瓷時(shí)采用氮?dú)獗Ｗo(hù)，基體金屬中溶解有一定量的氮，氮的擴(kuò)散與聚集，也增加了晶界的脆性，在熱應(yīng)力作用下輕易開(kāi)裂。峰溫950℃作用時(shí)，基體金屬組織細(xì)化，相當(dāng)于Q235鋼焊接熱影響區(qū)的細(xì)晶正火區(qū)，其韌性、塑性很好，不輕易產(chǎn)生裂紋；峰溫700℃作用時(shí)，基體金屬接近珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)，即臨界區(qū)，基體金屬組織出現(xiàn)臨界區(qū)脆化［6］。由于700℃作用后，基體金屬的晶界脆化及氮、內(nèi)應(yīng)力共同作用導(dǎo)致晶間產(chǎn)生裂紋。臨界區(qū)溫度范圍內(nèi)的開(kāi)裂機(jī)制還有待深進(jìn)研究。

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圖1不同熱循環(huán)條件下基體金屬組織
Fig.1Microstructure of base metal 
heat-cycled at different peak temperatures
(a) 1350℃；(b) 1200℃；(c) 950℃；(d)700℃

表4熱模擬后基體金屬硬度
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3.2不同熱循環(huán)作用后瓷層相組成

X射線衍射分析結(jié)果表明，峰溫1350℃熱循環(huán)作用后，噴瓷層全部由玻璃相組成，沒(méi)有晶相析出；峰溫1200℃、950℃、700℃和原始試樣的瓷層主要由玻璃相組成，但有Na2MoO4（MoO3）y晶相析出,見(jiàn)圖2。

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圖2不同熱循環(huán)條件下瓷層X(jué)射線衍射譜

3.3金屬-瓷層的界面形貌

SEM觀察結(jié)果表明，峰溫1350℃、1200℃作用后，金屬與瓷層界面產(chǎn)生大量的氣泡，主要原因是高溫加熱時(shí)，從金屬、瓷釉及金屬與瓷釉的界面析出氣體，焊接熱循環(huán)的冷卻速度快，負(fù)氣體來(lái)不及通過(guò)瓷層逸出，從而產(chǎn)生氣泡。除氣泡外，金屬與瓷層的界面結(jié)合良好，無(wú)界面裂紋產(chǎn)生（圖3a，b）；峰溫950℃、700℃作用后，金屬與瓷層界面無(wú)氣泡產(chǎn)生，卻形成了大量的界面裂紋（圖3c，d）。分析以為這主要是金屬與瓷層的線膨脹系數(shù)不同，焊接熱循環(huán)作用時(shí)，金屬與瓷層之間產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，在內(nèi)應(yīng)力作用下致裂。

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圖3金屬-瓷層的界面形貌
Fig.3Interface image of metal-enamel
(a)1350℃；(b)1200℃；(c)950℃；(d)700℃

4結(jié)論

(1)熱循環(huán)對(duì)噴瓷管道基體金屬組織有明顯影響，隨峰溫進(jìn)步，基體硬度進(jìn)步，組織由F+P轉(zhuǎn)變成B+F+P;峰溫為1350℃、1200℃和700℃ 時(shí)，基體金屬中產(chǎn)生大量晶間微裂紋。

(2)熱作用后瓷層相結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，峰溫為1350℃時(shí)，瓷層相結(jié)構(gòu)為全玻璃態(tài)；峰溫低于1200℃時(shí)， 不同峰溫的瓷層相組成變化不大，以玻璃態(tài)為主，有Na2MoO4（MoO3）y 晶相析出。

(3)熱作用后金屬-瓷層界面形貌變化很大。峰溫為1350℃、1200℃時(shí)，界面產(chǎn)生大量氣泡，但無(wú)界面裂紋；峰溫為950℃、700℃時(shí)，界面無(wú)氣泡，但有界面裂紋產(chǎn)生。(end)
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