800 MPa高強(qiáng)實(shí)心焊絲用盤(pán)條退火工藝的研究

蘭久祥 周秀 肖輝英 張強(qiáng) 李仕臣

摘要：800 MPa高強(qiáng)實(shí)心焊絲用低合金鋼盤(pán)條后續(xù)拉拔加工過(guò)程中由于加工硬化會(huì)經(jīng)常導(dǎo)致斷絲。采用不同退火工藝對(duì)粗拔后的盤(pán)條進(jìn)行退火處理，并研究了球化退火及完全退火對(duì)其顯微組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，兩種退火方式中球化退火更適合盤(pán)條后續(xù)拉拔。盤(pán)條采用750 ℃保溫6 h，隨爐冷卻至300 ℃出爐空冷的球化退火工藝，可以獲得分布均勻的球狀珠光體組織，同時(shí)晶粒細(xì)小，明顯降低了盤(pán)條的抗拉強(qiáng)度，提高了塑性和可拉拔性。

關(guān)鍵詞：800 MPa高強(qiáng)焊絲;盤(pán)條;顯微組織;球化退火

中圖分類(lèi)號(hào)：TG 422.3

Abstract：Low alloy steel wire bar which is used for 800 MPa high strength solid welding wire， is often broken for the workhardening during the followup drawing process. Wire bar after rough drawing processed was investigated?by different annealing processes. The effect of nodulizing annealing and?full annealing on microstructure and mechanical property of wire bar before annealing was studied. The results show that nodulizing annealing is more suitable?for?followup drawing than full annealing. When wire bar is heated at 750 ℃ for 6 h，cooled by the furnace to 300 ℃ and exited out to cool in air，the microstructure is homogeneously globular pearlite and fine?grains. The process significantly reduces the tensile strength and improves plasticity and drawability.

Key words：800 MPa?high?strength?welding?wire;wire?bar;microstructure;nodulizing?annealing

0?前言

高強(qiáng)實(shí)心焊絲由于其強(qiáng)度較高，韌性較好，被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用于壓力容器、工程機(jī)械、起重機(jī)械、大型船舶、油氣管道、輕量化車(chē)體等重要結(jié)構(gòu)的焊接。焊接是高強(qiáng)鋼構(gòu)件生產(chǎn)中的關(guān)鍵技術(shù)，直接制約著高強(qiáng)鋼構(gòu)件特別是大型構(gòu)件的應(yīng)用及服役壽命[1]。800 MPa高強(qiáng)實(shí)心焊絲熔敷金屬抗拉強(qiáng)度≥790 MPa，屈服強(qiáng)度≥690 MPa， -20 ℃沖擊吸收能量≥27 J。該類(lèi)焊絲含有一定量的合金元素，盤(pán)條強(qiáng)度較高，加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重，不合適的退火處理后焊絲在后續(xù)拉拔加工過(guò)程中，當(dāng)拉拔到一定變形量后會(huì)出現(xiàn)頻繁斷絲的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)無(wú)法繼續(xù)拉拔，造成大量廢料。

目前高強(qiáng)實(shí)心焊絲的生產(chǎn)工藝研究資料較少，有資料顯示亞共析鋼也可以通過(guò)球化退火處理的方式改善其冷加工性能[2-3]。根據(jù)盤(pán)條成分制訂了球化退火工藝及完全退火工藝，通過(guò)對(duì)兩種退火工藝處理后的盤(pán)條進(jìn)行力學(xué)性能及微觀組織等方面的對(duì)比，分析了兩種不同退火工藝對(duì)冷變形后盤(pán)條性能及組織的影響。并且，根據(jù)盤(pán)條后期的拉拔過(guò)程實(shí)踐驗(yàn)證，成功地應(yīng)用于批量化生產(chǎn)，并且為以后國(guó)內(nèi)此方面相關(guān)研究積累了更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1?試驗(yàn)材料與方法

1.1?原材料分析

試驗(yàn)使用添加了幾種合金元素的盤(pán)條，強(qiáng)化機(jī)理主要是通過(guò)添加Mn，Si，Cr等合金元素起到固溶強(qiáng)化作用，與Ni，Ti元素的細(xì)晶強(qiáng)化效果相結(jié)合，并且所有合金元素都不同程度地增強(qiáng)熔敷金屬的淬透性。通過(guò)以上幾種強(qiáng)化效果的共同作用使焊后熔敷金屬在保證強(qiáng)度提高的同時(shí)，還具有良好的韌性。

試驗(yàn)盤(pán)條的主要化學(xué)成分要求見(jiàn)表1，其中C元素的實(shí)測(cè)值為0.078%。盤(pán)條合金元素總量不超過(guò)5%，C元素含量也相對(duì)較低。盤(pán)條的規(guī)格及力學(xué)性能見(jiàn)表2。圖1為盤(pán)條的金相組織。由圖1可以看出，盤(pán)條的原始組織表面及心部組織結(jié)構(gòu)比較均勻，組織為呈島狀分布的粒狀貝氏體及少量鐵素體彌散其中，晶粒度為8～9級(jí)，表面有少量的氧化皮。

1.2?試驗(yàn)方法

選擇一捆重2 t的5.5 mm盤(pán)條，粗拔成1 t重的兩捆3.8 mm盤(pán)條。根據(jù)試驗(yàn)盤(pán)條的化學(xué)成分，結(jié)合奧氏體相變點(diǎn)的各種影響因素，估算此種合金鋼的共析轉(zhuǎn)變點(diǎn)，制定出兩種退火工藝參數(shù)。取上述同爐號(hào)的兩捆盤(pán)條試樣分別進(jìn)行球化退火和完全退火。退火后對(duì)兩組試驗(yàn)盤(pán)條進(jìn)行性能檢測(cè)和微觀組織分析，觀察其可拉拔性，對(duì)兩種退火工藝的盤(pán)條生產(chǎn)適應(yīng)性進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。

由于盤(pán)條合金元素含量較高，在盤(pán)條拉拔制成焊絲的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)比較嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象。因此在盤(pán)條拉拔到一定變形量時(shí)，要經(jīng)過(guò)一次退火處理，消除加工硬化作用，提高盤(pán)條塑性，為下一步拉拔工藝做準(zhǔn)備，同時(shí)控制成品焊絲的強(qiáng)度，保證成品焊絲的工藝性。退火前粗拔結(jié)束后盤(pán)條規(guī)格為3.8 mm，盤(pán)條的性能見(jiàn)表3。根據(jù)表2及表3可知，試驗(yàn)盤(pán)條在一次拉拔后強(qiáng)度升高200 MPa左右，如繼續(xù)拉拔需要通過(guò)退火處理

來(lái)消除盤(pán)條加工硬化效果，提高盤(pán)條的塑韌性。對(duì)試驗(yàn)所用盤(pán)條選擇了兩種降低強(qiáng)度的退火處理方法，即球化退火和完全退火。在拉拔過(guò)程中，由于盤(pán)條產(chǎn)生形變，使其碳化物破碎而作為退火形核的核心，同時(shí)鋼塑性變形能夠積累一定的能量，作為退火過(guò)程組織變化的驅(qū)動(dòng)力[4]。因此一次拉拔有利于下一步的退火過(guò)程形核，降低原有相變點(diǎn)。同時(shí)，結(jié)合球化退火和完全退火的原理及盤(pán)條化學(xué)成分，分別制定出這兩種退火工藝的具體參數(shù)見(jiàn)表4。兩種工藝的退火過(guò)程均采用RT1059型井式退火爐處理。

2?試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?力學(xué)性能

按照表4退火后的兩組焊絲進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。由表5可以看出，經(jīng)不同退火方式處理后的盤(pán)條強(qiáng)度及塑性有較大區(qū)別。1號(hào)盤(pán)條球化退火后盤(pán)條抗拉強(qiáng)度及硬度明顯降低，斷后伸長(zhǎng)率大幅度提高。2號(hào)盤(pán)條則相對(duì)1號(hào)盤(pán)條強(qiáng)度較高，塑性較低。退火后盤(pán)條的C元素含量實(shí)測(cè)值1號(hào)為0.067%，2號(hào)為0.069%，未見(jiàn)明顯脫碳現(xiàn)象。

經(jīng)過(guò)兩種退火工藝，退火后兩種盤(pán)條制成成品過(guò)程中的斷絲情況及成品焊絲的強(qiáng)度見(jiàn)表6。根據(jù)表6總結(jié)情況可以看出，球化退火后的焊絲拉拔效果較好，有利于后續(xù)焊絲生產(chǎn)。從成品焊絲的性能來(lái)看，1號(hào)球化退火的焊絲強(qiáng)度相比2號(hào)較低，較低的焊絲強(qiáng)度降低了送絲阻力，相同的條件下提高了送絲速度，使得成品焊絲具有更好的送絲性，提高了焊絲的品質(zhì)。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)說(shuō)，球化退火比完全退火的保溫溫度低，升溫所需時(shí)間短，縮短了生產(chǎn)周期，并且節(jié)約了能源，降低了退火生產(chǎn)成本。

2.2?微觀組織

圖2為不同退火工藝盤(pán)條金相組織對(duì)比。由圖2a可知，750 ℃保溫后得到的組織晶粒細(xì)小，片狀珠光體中的滲碳體發(fā)生球化，得到球狀珠光體組織，晶粒度在10～11級(jí)。由圖2b可知，830 ℃保溫后的組織為較粗大的先共析鐵素體和片狀的珠光體，先共析鐵素體呈塊狀分布，晶粒度為8～9級(jí)。由于1號(hào)盤(pán)條退火溫度為Ac1點(diǎn)以上溫度，未到Ac3點(diǎn)溫度，片狀碳化物斷開(kāi)成許多細(xì)小點(diǎn)狀的碳化物，但組織沒(méi)有完全溶解奧氏體化就隨爐緩慢冷卻，因此，得到均勻的帶有顆粒狀碳化物的球狀珠光體，均勻的分布在鐵素體晶界處。這種粒狀碳化物造成的應(yīng)力集中小，微裂紋不易產(chǎn)生，故鋼的塑性、韌性好[5]。2號(hào)盤(pán)條退火溫度高于1號(hào)盤(pán)條的球化退火，已經(jīng)達(dá)到Ac3點(diǎn)，完全奧氏體化，隨爐冷卻后得到晶粒較粗大的塊狀先共析鐵素體和片狀的珠光體。良好的塑性是由于有一個(gè)連續(xù)的、塑性好的鐵素體基體。在片狀珠光體中，片狀滲碳體將鐵素體分割開(kāi)，從而能更有效地阻止變形，并且受力時(shí)會(huì)使基體產(chǎn)生很大的應(yīng)力集中，易使碳化物片產(chǎn)生脆斷或形成微裂紋，導(dǎo)致塑性降低。塊狀的鐵素體獨(dú)立分開(kāi)，也會(huì)使得焊絲強(qiáng)度高、韌性差[6]。因此，這種組織與球化組織相比更不利于后續(xù)拉拔。并且球化退火后的晶粒度與退火前盤(pán)條相比晶粒度級(jí)別更高，晶粒得到了細(xì)化;但完全退火的晶粒度與退火前盤(pán)條相比沒(méi)有明顯變化，球化退火突出的細(xì)化晶粒效果，也更加有效地增加退火后盤(pán)條的塑韌性。

3?結(jié)論

（1）根據(jù)試驗(yàn)研究得出，適合800 MPa高強(qiáng)實(shí)心焊絲生產(chǎn)的退火工藝為使用RT1059型井式退火爐，升溫至750 ℃保溫6 h后隨爐冷卻至300 ℃出爐空冷。

（2）通過(guò)兩種退火工藝的對(duì)比，結(jié)果顯示通過(guò)750 ℃球化退火得到球狀珠光體組織會(huì)使盤(pán)條獲得更好的拉拔加工性能。球狀珠光體比片狀珠光體的強(qiáng)度、硬度更低，塑性更好。

（3）球化退火與完全退火相比，球化退火的退火溫度低于完全退火溫度，縮短了退火升溫時(shí)間，減少工件在爐內(nèi)時(shí)間，因此減少了氧化脫碳傾向，更好地保證了成品焊絲的質(zhì)量，同時(shí)也縮短了生產(chǎn)周期，節(jié)約了生產(chǎn)成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

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