超高碳鋼的壓焊頂鍛技術探微及應用

摘要：文章介紹了超高碳鋼（UHCS）的發(fā)展及國內外研究現(xiàn)狀，對其應用領域進行了展望。通過實驗，確定了主要工藝參數(shù)的最佳組合。測定了焊接接頭的硬度、抗拉強度，并利用圖像分析儀分析了焊縫及其熱影響區(qū)的微觀組織。

關鍵詞：超高碳鋼；頂鍛壓焊；頂鍛變形；熱模擬

中圖分類號：TG316 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）12-0070-04

1 概述

超高碳鋼的含碳量在1.0%～2.1%（質量分數(shù)，下同）之間，超過了傳統(tǒng)高碳鋼的含碳量。它的處理工藝與傳統(tǒng)高碳鋼不同，該鋼在奧氏體化加熱時需形變處理以獲得較多的位錯亞結構，完全奧氏體化淬火后經高溫回火獲得彌散球狀滲碳體和鐵素體基體。由于有大量的超細碳化物，在二次加熱過程中碳化物將阻礙奧氏體晶粒長大，獲得超細奧氏體晶粒。細小的奧氏體晶粒在不同的冷卻條件下可獲得所需的超細基體組織，如空冷可獲得超細珠光體，淬火可獲得超細馬氏體。

由于采用傳統(tǒng)方法制備出的超高碳鋼具有極高的脆性，其工業(yè)化應用在過去一直被人們所忽視。然而近30年來的研究結果表明，當采用適當制備工藝使該材料獲得超細鐵素體（0.4～2.0μm）基體上分布著超細粒狀滲碳體（0.2～1.0μm）組織，具有該組織的超高碳鋼稱為超細晶超高碳鋼。該材料不僅在中、高溫下具有高變形速率下的超塑性特性，還在室溫下具有高達1000MPa以上的強度和高達35%左右的塑性，并且通過適當?shù)臒崽幚砉に囘€可使其硬度提高至HRC65～68以上。

晶粒細化是提高金屬材料強度和韌性的有效方法之一，獲得超細晶組織也一直是材料科技工作者夢寐以求的目標。研究發(fā)現(xiàn)，采取各種形變熱處理工藝使超高碳鋼的組織得到充分細化后，該鋼除了具有高強度和一定的韌性之外，還具有良好的超塑性，從而大大拓寬了超高碳鋼的應用前景。后來在1999年日本的K.Tsuzaki等人提出珠光體+淬火+回火的普通熱處理工藝，這種不經過形變的普通熱處理工藝被稱為是制備超細晶超高碳鋼最經濟實用的

工藝。

2 國內外超高碳鋼研究現(xiàn)狀

20世紀70年代中期以來，斯坦福大學O.D.Sherby、美國Lawrence Livemore國家實驗室和日本等國學者開展了一些研究，當采用適當制備工藝獲得超細鐵素體基體上分布著超細粒狀滲碳體組織后，該材料不僅具有高的超塑性和良好的綜合力學性能，而且利用其高溫下良好的固態(tài)連接特性，還可與自身及其他金屬材料（黃銅、鋁青銅等）連接制備成新型高性能層狀復合材料，具有較好的市場前景，而國內至今對其研究甚少。但史海生等人采用的具有快速凝固特點的噴射成形技術，制取的含3%Si的UHCS不僅具有優(yōu)良的顯微組織，同時還具有非常獨特的超塑性。然而，限于噴射成形工藝自身的特點或設備上有待完善的原因，目前由噴射成形工藝獲得的UHCS坯料中難免存在一些孔洞，還需要進行致密化處理才能愈合。

2.1 所有成分的超高碳鋼在A1溫度附近均具有超塑性

原因在于隨著碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大。這種細小彌散分布的第二相質點可以有效阻礙超塑變形過程中基體組織的長大，故超高碳鋼的超塑性屬于細晶結構超塑性。合金元素對超高碳鋼的超塑性具有重要的影響，首先表現(xiàn)在對鐵-碳相圖的影響。如硅的加入，共晶點和共析點都左移，而共晶和共析溫度升高，使轉變溫度成為一個溫度區(qū)間，擴大并穩(wěn)定了兩相區(qū)的溫度范圍，這對于超塑性變形是有利的?，F(xiàn)有的一些研究結果表明，晶界滑移是超高碳鋼超塑性的主要變形機制，晶格擴散以及位錯滑移蠕變對超塑性起協(xié)調變形作用。

2.2 力學性能研究

UHCS作為結構材料有大的發(fā)展前景和市場。UHCS可被加工成錠、薄板和棒，并代替部分共析鋼應用于耐磨件、工模具、汽車和鐵軌等領域。在相同的組織條件下，如球化組織、珠光體、回火馬氏體等，超高碳鋼比共析鋼具有更高的強度，且塑性也略有提高。因為隨著碳含量的增加，通過熱加工等工藝，可使組織進一步細化，從而提高UHCS的強度。UHCS比低碳鋼、高強鋼和雙相鋼具有更優(yōu)良的室溫力學性能。

通過熱處理UHCS可獲得不同的顯微組織，如馬氏體、回火馬氏體、貝氏體、珠光體等。一般來說，晶粒越細，室溫綜合力學性能越好，例如，具有細小貝氏體組織的1.0C-1.5CrUHCS的抗拉強度為1.81GPa，伸長率為18%。對于馬氏體組織，馬氏體針葉的大小直接影響UHCS的力學性能。1.8C-1.6AlUHCS的原始組織為細小的球化組織，1000℃淬火時，大部分碳化物溶解，奧氏體晶粒迅速長大，所獲得的馬氏體也較粗大，這種組織雖然具有高的強度和硬度，但室溫壓縮塑性很差。當800℃淬火時，碳化物不溶解，可獲得光鏡下不可分辨的馬氏體組織和亞微米尺寸的碳化物，該組織具有優(yōu)良的室溫性能：壓縮應變?yōu)?6%，斷裂強度為4.69GPa。

3 選題意義及研究內容

超高碳鋼良好的超塑性和高強度備受材料工作者的青睞，但也給焊接制造業(yè)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，同時給焊接工作者帶來了許多新的研究課題和方向。主要有：焊接熱影響區(qū)的晶粒粗化與細化，局部軟化與脆化，焊縫金屬的純化與細化以及焊接方法的選擇與焊接工藝的改進等等。

通過小能量輸入、高強匹配、焊接區(qū)組織結構調整以及母材/焊縫金屬匹配等多種努力，已經在碳素鋼板帶材和螺紋鋼中實現(xiàn)了超高碳鋼的焊接工藝初步突破，如控制焊縫的組織實現(xiàn)強韌化。對400MPa級細晶鋼，只要通過調整焊縫組織使其獲得針狀鐵素體即可獲得理想的強韌性。而對于800MPa級以上的超高碳鋼，要實現(xiàn)焊縫金屬與母材的等匹配較為困難。但尚需進一步努力在含碳量很高的超高碳鋼中取得成功。

超高碳鋼表現(xiàn)出的優(yōu)良性質，值得材料界同行進一步深入研究，以使超高碳鋼得到更廣泛的工業(yè)化應用。關于UHCS的壓焊頂鍛行為的模擬研究尚未見報道，而且UHCS的壓焊頂鍛大量應用于軌道焊接，以期望UHCS能在軌道上獲得應用，因此，有必要進行UHCS的壓焊頂鍛行為的模擬研究，并為其他超細晶超高碳鋼零部件的焊接提供參考。

研究的主要內容包括：（1）選擇焊接工藝參數(shù)，采用Gleebble熱模擬試驗機，對超高碳鋼進行加壓頂鍛試驗。（2）對焊接接頭進行機械性能測試，檢測焊接接頭性能。（3）對接頭的組織進行觀察。

4 試驗材料及試驗方法

4.1 試驗材料

4.1.1 UHCS的制備工藝。

UHCS的制備工藝主要有：

（1）煉鋼工藝：設備：真空感應爐；配料：總質量50kg；原材料：C、Cr、Al、Si、Mn、Ti、Nb、Fe純金屬，V-Fe，S、P是雜質。鋼錠直徑約16cm，高25cm。

（2）鍛造工藝：預處理：材料表面打磨（粗車），除去氧化皮、涂料。均勻化處理：分段加熱，首先在500℃～600℃預熱1h；再提高爐溫至800℃～900℃加熱1h；然后再提高爐溫至1100℃～1150℃加熱1h。鍛造：連續(xù)鍛造成50×50mm方坯。溫度低時可加熱。

（3）軋制工藝：方坯在爐內分段加熱至1000℃～1150℃，取出連續(xù)軋制10～12道次，至直徑12mm，終軋溫度750℃～800℃。

（4）球化退火工藝：第一，爐內溫度812℃，裝爐，約12min回升到812℃，總加熱時間約40min；第二，1℃/min冷卻到750℃；第三，出爐空冷。

4.1.2 UHCS的化學成分及組織。

實驗材料為UHCS，試樣尺寸為mm圓柱體。

UHCS化學成分如表1所示：

在碳素鋼中加入合金元素后可以改善鋼的使用性能，使合金鋼得到許多碳鋼所不具備的優(yōu)良的或特殊的性質。在鋼中經常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B等。它們以以下四種形式

存在：

（1）溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質形式存在。

（2）形成強化相，如溶入滲碳體形成合金滲碳體，形成特殊碳化物或金屬間化合物等。

（3）形成非金屬夾雜物，如合金元素與O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。故加入Mn元素或其他合金元素，如Si、Al、Mo、Ni、Cr等來減小S、P的有害

作用。

（4）有些元素如Pb、Cu等既不溶于鐵，也不形成化合物，而是在鋼中以游離狀態(tài)存在。在高碳鋼中有時也以自由狀態(tài)（石墨）存在。

碳是超高碳鋼中的基本元素。研究表明，滲碳體之間的間距越小，屈服強度就越高。滲碳體是硬脆相，在超高碳鋼中主要起第二相強化作用，但當碳含量大于1.0%時，鋼中便有明顯的網狀滲碳體形成，網狀滲碳體的存在，導致強度、塑性韌性均明顯下降，而且當碳含量高于1.8%時網狀滲碳體的消除就比較困難，從這個角度講，超高碳鋼的含碳量應取在1.8%以下，故本材料符合要求。

硅具有明顯的石墨化作用，因此在添加硅的同時還應添加抑制石墨化的元素，如鉻等。Cr元素具有在一定溫度和變形條件下促進珠光體球化的作用，適當增加Cr元素含量，對抑制石墨化及穩(wěn)定組織有利。但含鉻鋼強度高塑性低，而且含鉻量大于2%時，材料加工、成形性變差。所以，含鉻量不能超過2%。

鋁也是鐵素體形成元素，超高碳鋼中添加鋁的目的在于：提高A1溫度和改善制備工藝。含Al的超高碳鋼具有良好的抗氧化性能，在1200℃溫度下長時間保溫仍未有氧化膜生成。而且在抑制石墨化和抗氧化方面Al比Si更有效。因此，本試驗材料鋁的含量較高，滿足要求。

4.2 試驗方法

本試驗采用Gleeble 1500熱模擬實驗機。該設備由計算機控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和動力控制系統(tǒng)三大部分組成。其中計算機控制系統(tǒng)是Gleeble 1500D物理模擬試驗機的核心部分，用以控制實驗要求的加熱條件和加載條件，如加熱溫度、加熱速度、冷卻方式以及加載壓力等。溫度控制系統(tǒng)采用電阻加熱方式加熱，溫度控制精度可達±1℃。動力控制系統(tǒng)用來控制加載，可以完成多種工藝實驗和力學實驗，如鍛造、軋制、拉伸和壓縮等過程模擬。此外，設備配有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以同時采集試樣的溫度、真實應變、應變速度等數(shù)據(jù)，實驗完成后，數(shù)據(jù)用Origin軟件輸出，數(shù)據(jù)的后續(xù)處理功能強大。

可實現(xiàn)實驗種類：

4.2.1 過程模擬。熱軋工藝模擬、連鑄工藝模擬、鍛造工藝模擬、對焊工藝模擬、焊接熱影響區(qū)模擬、熱處理工藝模擬。

4.2.2 實驗類型。常溫拉伸/壓縮實驗、高溫拉伸/壓縮實驗、熱疲勞、熱/機疲勞、高溫熱塑性曲線、真應力/真應變曲線、CCT曲線。

4.2.3 基礎材料研究。擴散、熔化及控制固化、應力松弛、再結晶、加工硬化、凍結顯微組織等。硬度測量在維氏硬度計上進行。接頭的抗拉強度在精密萬能試驗機上進行，其型號為AG-I250KN。顯微組織分析采用圖像分析儀，型號為IAS-4。

4.3 焊接方法及焊接工藝參數(shù)的選擇

4.3.1 焊接方法的選擇。為獲得與母材相匹配性能的焊接接頭，需要進行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的合理選擇。眾所周知，隨著碳及合金元素的增加往往會給鋼的焊接帶來不利的影響，而不同鋼種所出現(xiàn)的焊接性問題又不盡

相同。

本試驗用的是超高碳鋼，含碳量很高，普通電弧焊接過程容易產生一系列問題，使焊接過程難以進行，且焊后容易留下焊接缺陷。另外，本試驗材料通過球化退火，其組織為超細珠光體+球狀碳化物，晶粒極度細小，焊接時會出現(xiàn)嚴重的晶粒長大傾向，晶粒長大不僅會造成焊縫及焊接熱影響區(qū)（HAZ）脆化，而且焊接的熱作用還會導致HAZ的軟化。由于焊接性問題的出現(xiàn)，往往會降低焊接結構安全運行的可靠性，造成焊接結構的早期破壞。為了解決這一問題，需要采用高能量密度熱源低熱量輸入的焊接方法進行快速焊接，使焊接熱影響區(qū)變窄，減小軟化區(qū)寬度，有利于防止軟化引起的接頭力學性能的降低。但就目前的研究現(xiàn)狀來看，國內外有關超高碳鋼的壓焊頂鍛行為的研究報道很少，利用電阻熱加熱這些接觸點，使金屬端面熔化，直至端部在一定深度范圍內達到預定溫度時，迅速施加頂鍛壓力完成焊接。因此，采用電阻加熱方式進行焊接模擬，具有極強的熱應力應變模擬功能，而且不需要焊材，不開坡口，還避免了選取焊材難與母材性能匹配的問題，完全適合超高碳鋼的焊接。

4.3.2 焊接工藝參數(shù)的選擇。焊接工藝參數(shù)的選擇如表2所示：

表2 焊接工藝參數(shù)

參數(shù)方案加熱峰值溫度/℃ 加熱速度/℃/s 頂鍛量/cm 頂鍛速度/cm/s 試樣號

11000 250 6 2 1#

21100 250 8 3 2#

31200 250 10 4 3#

以方案3的參數(shù)預焊一對（不做熱處理）作為4#試樣，與1#、2#、3#試樣（經過熱處理）作比較。采用制備好的Φ8mm×60mm的棒料，用砂紙將棒料端面打磨光亮。在試驗過程中計算機記錄試樣加熱溫度、時間、頂鍛量和應力變化情況。將1#、2#、3#試樣進行熱處理，用熱處理加熱爐加熱至770℃保溫3h，爐冷至550℃，然后空冷。

4.3.3 試驗方案，本試驗方案如下：選擇焊接工藝參數(shù)、采用焊接超高碳鋼-超高碳鋼、對焊縫進行熱處理、焊接接頭進行機械性能測試、焊接接頭的組織觀察。

5 超高碳鋼的壓焊頂鍛行為的模擬

5.1 接頭的機械性能

5.1.1 接頭的抗拉強度。

第一步：熱處理前、后焊接接頭的抗拉強度的拉伸數(shù)據(jù)比較。

通過拉伸試驗所得比較數(shù)據(jù)。結果表明：熱處理過的3#試樣的抗拉強度明顯高于未熱處理的4#試樣。

第二步：熱處理后焊接接頭的拉伸數(shù)據(jù)比較。

2#試樣的拉伸強度最高，最大載荷達到30kN（折算應力大約為184.349MPa），說明按第（2）方案的工藝參數(shù)焊接所得的焊接接頭在熱處理后性能最好。

5.1.2 接頭的顯微硬度。

通過力學性能測試，不難發(fā)現(xiàn)2#試樣的力學性能最好，因此以第（2）方案，即加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為3cm/s；再焊一組試樣，記作5#材料。焊完以后進行熱處理：熱處理方法如上。然后沿試樣與焊縫的交叉方向線切割，使焊縫外露。在初磨以后采用維氏硬度計測定硬度：從一側穿過焊縫區(qū)至另一側進行硬度測試。

5.1.3 焊接工藝參數(shù)分析。

本實驗焊接過程是利用電阻熱加熱材料被焊端面使其迅速加熱到熔化狀態(tài)，然后通過施加壓力快速將兩者對焊到一起完成焊接。因此，采用電阻加熱方式進行焊接模擬，具有極強的熱應力應變模擬功能，在焊接時兩個焊接材料熔合區(qū)所受的熱/力條件相同。在焊接過程中焊接參數(shù)的選擇會給焊接帶來不同程度的影響。現(xiàn)通過分析壓焊加熱峰值溫度、加熱速度、頂鍛量、頂鍛速度等參數(shù)，研究頂鍛參數(shù)匹配關系與焊瘤形貌特征。

通過力學性能測試，初判頂鍛參數(shù)的匹配效果。

1#焊接接頭：表面良好，力學性能較差，其原因是加熱溫度太低，原材料兩個表面不能達到溶化狀態(tài)，且頂鍛量太少，以致不能完全焊上，頂鍛參數(shù)匹配效果不好。

2#焊接接頭：表面良好，力學性能良好，頂鍛參數(shù)匹配效果良好。

3#焊接接頭：表面有毛刺，力學性能一般，其原因是加熱溫度過高，以致原材料兩端面溶化過多，且頂鍛量和頂鍛速度太大，以致瘤根部的金屬流線彎曲分層嚴重，熱裂紋、疏松等缺陷較多，頂鍛參數(shù)匹配效果不好。

因此，試驗范圍內最佳的頂鍛參數(shù)為2#焊接接頭，即加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為3cm/s。

5.2 焊縫組織觀察

選取拉伸性能較好的方案所處理后得到的5#試樣，在測完其硬度以后，先在砂紙上磨平表面，接著在拋光機上拋光，再利用4%的硝酸酒精溶液腐蝕磨面，最后在圖像分析儀上觀察焊縫及近縫區(qū)的組織。

超高碳鋼在A1溫度附近均具有超塑性。原因在于隨著碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大，通過適當工藝處理進一步細化晶粒，這種細小彌散分布的第二相質點可以有效阻礙超塑變形過程中基體組織的長大，故超高碳鋼的超塑性屬于細晶結構超塑性。

首先是焊縫比較完整、平齊、外觀良好；其次發(fā)現(xiàn)垂直于焊縫方向有一條黑色區(qū)域。

初步分析，形成的原因如下：在實驗過程中，溫度峰值達定為1100℃，實際溫度峰值波動最大值為1106℃。含碳量為1.58%的超高碳鋼為固相，故試樣端部不會被熔化，但此時又受到外力的擠壓，外觀上焊縫附近出現(xiàn)局部變形，內部組織則在拉應力的作用下發(fā)生不均勻的變化，因此產生了與原始組織不同的黑色區(qū)域。除了外力的作用，超高碳鋼本身所具有的超塑性也是成因之一。

進一步分析，既然1106℃下超高碳鋼不處于熔化狀態(tài)，因此焊縫組織變化不大的黑色區(qū)域為超高碳鋼的原始組織，而呈細帶狀的白色部分為被拉伸了的原始組織。

最終分析，焊接用的試樣為圓柱鋼錠，在焊接過程中，試樣被快速加熱到1106℃，由于材料本身具有散熱性，散熱效果由圓柱壁向軸心逐漸降低，致使由軸心向外壁產生一個逐漸降低的溫度梯度，當外壁為1106℃時，內部溫度會稍高一點，這也是3#試樣在預定峰值溫度為1200℃（實驗峰值溫度為1301℃）時熔化燒損的原因。正是這個因素，導致了試樣軸心部位的組織的流動性比外部的好，在頂鍛焊接時加入了一個頂鍛力，在力的作用下，又因為超高碳鋼具超塑性，因此原始組織被拉伸，呈現(xiàn)大量超細均勻分布的珠光體的帶狀分布，這也是導致顯微硬度在焊縫區(qū)明顯高于母材的直接原因。

6 結語

研究結果表明，最佳工藝參數(shù)組合是：加熱峰值溫度為1100℃，加熱速度250℃/s，頂鍛量為8cm，頂鍛速度為

3cm/s。焊后其焊縫硬度可達到HV254.3左右，接頭硬度不低于母材，焊接熱影響區(qū)（HAZ）未出現(xiàn)軟化。焊后拉伸強度達到184.349MPa。焊縫熱影響區(qū)的組織為珠光體+鐵素體，其中珠光體為呈超細均勻分布的，硬度高于母材，鐵素體部分呈針狀分布。

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作者簡介：高守穩(wěn)（1983—），男，河南濮陽人，中原油田采油一廠電焊技師，助理經濟師，研究方向：電氣焊的操作和應用。

（責任編輯：文 森）