NM450耐磨鋼板焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能

， ，，

(首鋼技術(shù)研究院，綠色可循環(huán)鋼鐵流程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100043)

0 引 言

耐磨鋼憑借其優(yōu)良的耐磨性能被廣泛應(yīng)用于在惡劣工況下使用的部件，特別是煤礦刮板運(yùn)輸機(jī)、礦山自卸車車廂、挖掘機(jī)斗齒、鏟斗，以及各種破碎機(jī)的扎臼壁、破碎壁等。NM450耐磨鋼是在NM360鋼和NM400鋼的基礎(chǔ)上研發(fā)的一種先進(jìn)鋼鐵材料，該耐磨鋼的碳含量高，且含有合金元素鎳、鉻和鉬，以及微合金化元素鈦和鈮，采用淬火+回火熱處理工藝生產(chǎn)，其表面布氏硬度在420～480 HBW，強(qiáng)度和耐磨性比NM360鋼和NM400鋼更高。GB/T 2651-2008標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該鋼板焊接接頭的沖擊韌性要求為：焊縫金屬、熱影響區(qū)及母材的-20 ℃沖擊吸收功均不小于24 J。

耐磨鋼常用的焊接方法有手工電弧焊和氣體保護(hù)焊等。在焊接熱循環(huán)中，焊接熱影響區(qū)在高溫區(qū)會(huì)停留一段時(shí)間，導(dǎo)致局部過熱。過熱區(qū)溫度達(dá)到1 400 ℃左右，使該區(qū)的奧氏體晶粒嚴(yán)重粗化，甚至發(fā)生局部軟化和脆化[1-3]，最終導(dǎo)致焊接接頭沖擊韌性的下降。耐磨鋼常見的焊接問題為熱影響區(qū)的軟化、脆化以及焊接冷裂紋的出現(xiàn)[4]。

目前，對(duì)NM360鋼和NM400鋼的焊接研究較多，但對(duì)于新型NM450耐磨鋼的焊接研究卻鮮有報(bào)道[4-7]。為此，作者利用CO2氣體保護(hù)焊對(duì)NM450耐磨鋼板進(jìn)行了焊接，研究了該鋼板的焊接冷裂紋敏感性，以及焊接接頭的顯微組織和力學(xué)性能，為該鋼的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用鋼板為首鋼生產(chǎn)的NM450耐磨鋼板，厚度為19 mm，表面硬度為440 HBW，熱處理工藝為900 ℃淬火+250 ℃回火。焊接材料為直徑1.2 mm的ER50-6氣體保護(hù)實(shí)心焊絲。試驗(yàn)鋼板和焊絲的化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見表1和表2。計(jì)算得到試驗(yàn)鋼板的碳當(dāng)量為0.45%，其顯微組織為回火馬氏體，如圖1所示，顯微硬度為400 HV。

表1 試驗(yàn)鋼板和焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of tested steel plate and welding wire (mass) %

表2 試驗(yàn)鋼板和焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能Tab.2 Mechanical properties of tested steel plate anddeposited metal of welding wire

圖1 試驗(yàn)鋼板的顯微組織Fig.1 Microstructure of tested steel plate

使用YD-500型氣體保護(hù)焊機(jī)進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊，氣體壓力0.5 MPa，流量20 L·min-1，焊絲干伸長度為15 mm；焊接試樣的尺寸為460 mm×550 mm×19 mm，開單面V型坡口，坡口角度45°，鈍邊高度2 mm，間隙(2±1) mm，坡口長度方向與鋼板軋制方向一致；預(yù)熱100 ℃，層間溫度100～200 ℃，焊接熱輸入7.8～25.6 kJ·cm-1。焊接試樣的坡口形式與焊道分布見圖2，焊接參數(shù)見表3。

圖2 焊接試樣坡口尺寸與焊道分布Fig.2 Groove dimension (a) and welding bead distribution (b) of welded sample

表3 焊接工藝參數(shù)Tab.3 Welding parameters

在母材和接頭上截取金相試樣，經(jīng)研磨、拋光，用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精腐蝕后，在OLYMPUS型激光共焦顯微鏡上觀察顯微組織。根據(jù)GB/T 2651-2008，在焊接接頭上以焊縫為中心，垂直于焊縫方向截取尺寸為19 mm×25 mm×400 mm的拉伸試樣，標(biāo)距為50 mm；根據(jù)GB/T 228.1-2010，在WE-100型拉力試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度25 ℃，應(yīng)變速率0.000 25 s-1。根據(jù)GB/T 2650-2008，在焊接接頭上截取尺寸為10 mm×10 mm×55 m的夏比V型沖擊試樣，缺口方向垂直于焊縫表面，缺口分別位于焊縫中心、熱影響區(qū)(距熔合線2 mm)和母材；根據(jù)GB/T 229-2007，在ZBC2452-3型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為-20 ℃。根據(jù)GB/T 2654-2008制樣，采用HVS-10Z型維氏硬度計(jì)測(cè)試焊接接頭各區(qū)域的硬度，加載載荷為98 N，加載時(shí)間為15 s。

圖 5 焊接接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig.5 Microstructures in different zones of welded joint: (a) weld center; (b) fusion line; (c) coarse-grained zone; (d) normalized zone and (e) incomplete recrystallization zone

依據(jù)ISO 17642-2：2005進(jìn)行斜Y型冷裂紋敏感性試驗(yàn)，試樣尺寸見圖3，圖中t為試樣厚度，g為坡口間隙，取(2.0±0.2) mm。同樣使用YD-500型氣體保護(hù)焊機(jī)進(jìn)行CO2氣體保護(hù)焊，氣體壓力、流量同上，焊接1道，采用ER50-6焊絲焊接拘束焊縫和試驗(yàn)焊縫，焊接時(shí)控制層間溫度低于180 ℃，焊接參數(shù)見表4。焊后48 h后，對(duì)接頭進(jìn)行滲透著色，檢驗(yàn)表面裂紋。通過機(jī)械加工、拋光腐蝕來檢驗(yàn)截面裂紋。將試樣在250 ℃氧化發(fā)藍(lán)后，彎斷檢驗(yàn)根部裂紋。硬度測(cè)試方法同上。

圖3 斜Y型冷裂紋敏感性試驗(yàn)用試樣尺寸Fig.3 Dimension of sample for Y-groove cold crack sensitivity test

表4 冷裂紋敏感性試驗(yàn)用焊接參數(shù)Tab.4 Welding parameters for cold crack sensitivity test

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

由圖4可見，焊接接頭熔合良好。

圖4 焊接接頭截面宏觀形貌Fig.4 Cross-sectional macromorphology of welded joint

由圖5可以看出：接頭的焊縫組織為塊狀鐵素體+針狀鐵素體，近熔合線處的焊縫中塊狀組織明顯；粗晶區(qū)組織為板條馬氏體，晶粒較母材的明顯粗大；正火區(qū)組織為馬氏體的完全分解產(chǎn)物——鐵素體+滲碳體；不完全重結(jié)晶區(qū)組織為馬氏體+鐵素體+滲碳體。測(cè)得焊縫硬度為220 HV，近熔合線焊縫的硬度分別為224，233 HV；粗晶區(qū)、正火區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)的硬度分別為412，234，386 HV，正火區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)馬氏體的分解導(dǎo)致了其硬度的降低。

2.2 力學(xué)性能

測(cè)得焊接接頭的抗拉強(qiáng)度為768 MPa，在焊縫處發(fā)生斷裂。焊縫中心、熱影響區(qū)、母材的-20 ℃沖擊吸收功分別為110，140，88 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求(不低于24 J)。焊縫區(qū)硬度為198～233 HV，熱影響區(qū)硬度為234～415 HV，母材硬度為334～400 HV。焊接接頭的力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，在規(guī)范使用條件下焊縫性能能夠滿足運(yùn)行要求。

2.3 焊接冷裂紋敏感性

由表5可知：采用ER50-6焊絲，在環(huán)境溫度32.6 ℃、不預(yù)熱(試樣1和2)，或環(huán)境溫度-1.4 ℃、預(yù)熱80 ℃(試樣5和6)條件下焊接后，焊接接頭的表面裂紋率、截面裂紋率和根部裂紋率均為0；在環(huán)境溫度-1.4 ℃、不預(yù)熱(試樣3和4)條件下焊接后，接頭的表面裂紋率為0，截面裂紋率和根部裂紋率均為100%，其裂紋形貌如圖6所示。

圖6 接頭試樣截面和根部裂紋形貌Fig.6 Morphology of cross-sectional crack (a) and root crack (b) in joint sample

表 5 不同接頭試樣的裂紋率Tab.5 Crack percentage of different joint samples %

由圖6(a)可知，裂紋起源于根部熔合區(qū)處，在焊縫中擴(kuò)展。耐磨鋼含有大量合金元素，提高了其淬透性。焊接時(shí)在熱影響區(qū)產(chǎn)生大量淬硬組織——馬氏體組織，降低了該區(qū)的塑性儲(chǔ)備，在缺口應(yīng)力集中、較大橫向熱應(yīng)力及拘束應(yīng)力作用下，裂紋萌生并向焊縫內(nèi)部擴(kuò)展。

由表6可以看出，焊接接頭熱影響區(qū)的硬度測(cè)試值大部分高于350 HV，表明冷裂紋敏感性較高。結(jié)合裂紋率的發(fā)生情況，在冬季較低環(huán)境溫度下焊接時(shí)，需要采取預(yù)熱措施，且預(yù)熱溫度不低于80 ℃。

表 6 接頭試樣不同區(qū)域的硬度測(cè)試值Tab.6 Measured hardness in different zones of joint samples HV

3 結(jié) 論

(1) NM450耐磨鋼焊接接頭粗晶區(qū)組織為板條馬氏體組織，正火區(qū)和不完全重結(jié)晶區(qū)馬氏體發(fā)生分解，造成了硬度的降低。

(2) NM450耐磨鋼匹配ER50-6焊絲焊接后，接頭的抗拉強(qiáng)度為768 MPa，焊縫中心、熱影響區(qū)和母材的-20 ℃沖擊吸收功分別為110，140，88 J，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3) NM450耐磨鋼的碳當(dāng)量較高，有一定的冷裂紋敏感性，當(dāng)匹配ER50-6焊絲，在環(huán)境溫度32.6 ℃、不預(yù)熱焊接時(shí)不會(huì)產(chǎn)生裂紋；在環(huán)境溫度-1.4 ℃、不預(yù)熱焊接時(shí)，接頭根部裂紋率和截面裂紋率均為100%，而經(jīng)80 ℃預(yù)熱焊接后不會(huì)產(chǎn)生焊接裂紋。

[1] 董現(xiàn)春，張楠，陳延清，等.高Ti，Nb析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼接頭強(qiáng)度及焊接熱影響區(qū)軟化行為分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2012，33(11):72-76.

[2] 張楠，董現(xiàn)春，張熹，等.鈦微合金化SQ700MCD高強(qiáng)鋼粗晶熱影響區(qū)軟化的原因[J].機(jī)械工程材料，2012，36(4):88-92.

[3] 董現(xiàn)春，張楠，陳延清，等.800 MPa級(jí)鈦鈮析出強(qiáng)化高強(qiáng)鋼焊接接頭的組織與力學(xué)性能[J].機(jī)械工程材料，2014，38(11):21-25.

[4] 王立鵬，周廣濤. 新型耐磨鋼NM400斜Y形坡口焊接抗裂性分析[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2014，35(5):47-50.

[5] 曹藝，王昭東，吳迪，等.NM400高強(qiáng)度低合金耐磨鋼的組織與性能[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(2): 241 -244.

[6] 程巨強(qiáng).HB400級(jí)新型貝氏體鋼耐磨板CO2保護(hù)焊焊接接頭的組織與性能[J].焊接技術(shù)，2004，33(3):10-11.

[7] 周文，周林軍，陳玲，等.NM360高強(qiáng)度耐磨鋼焊接接頭組織和性能[J].電焊機(jī)，2013,33 (5):152-155.