800 MPa 高強實心焊絲用盤條退火工藝的研究

蘭久祥，周秀，肖輝英，張強，李仕臣

(1.天津市永昌焊絲有限公司，天津301900;2.天津市高端裝備制造焊接材料及技術(shù)企業(yè)重點實驗室，天津301900;3.天津市金橋焊材集團有限公司，天津301900)

0 前言

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

目前高強實心焊絲的生產(chǎn)工藝研究資料較少，有資料顯示亞共析鋼也可以通過球化退火處理的方式改善其冷加工性能［2-3］。根據(jù)盤條成分制訂了球化退火工藝及完全退火工藝，通過對兩種退火工藝處理后的盤條進行力學(xué)性能及微觀組織等方面的對比，分析了兩種不同退火工藝對冷變形后盤條性能及組織的影響。并且，根據(jù)盤條后期的拉拔過程實踐驗證，成功地應(yīng)用于批量化生產(chǎn)，并且為以后國內(nèi)此方面相關(guān)研究積累了更多的實踐經(jīng)驗。

1 試驗材料與方法

1.1 原材料分析

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

試驗盤條的主要化學(xué)成分要求見表1，其中C 元素的實測值為0.078%。盤條合金元素總量不超過5%，C 元素含量也相對較低。盤條的規(guī)格及力學(xué)性能見表2。圖1為盤條的金相組織。由圖1可以看出，盤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，表面有少量的氧化皮。

表1 試驗用盤條化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

表2 盤條的力學(xué)性能

圖1 盤條微觀組織

1.2 試驗方法

選擇一捆重2 t 的φ5.5 mm 盤條，粗拔成1 t 重的兩捆φ3.8 mm 盤條。根據(jù)試驗盤條的化學(xué)成分，結(jié)合奧氏體相變點的各種影響因素，估算此種合金鋼的共析轉(zhuǎn)變點，制定出兩種退火工藝參數(shù)。取上述同爐號的兩捆盤條試樣分別進行球化退火和完全退火。退火后對兩組試驗盤條進行性能檢測和微觀組織分析，觀察其可拉拔性，對兩種退火工藝的盤條生產(chǎn)適應(yīng)性進行對比評價。

由于盤條合金元素含量較高，在盤條拉拔制成焊絲的過程中會出現(xiàn)比較嚴重的加工硬化現(xiàn)象。因此在盤條拉拔到一定變形量時，要經(jīng)過一次退火處理，消除加工硬化作用，提高盤條塑性，為下一步拉拔工藝做準備，同時控制成品焊絲的強度，保證成品焊絲的工藝性。退火前粗拔結(jié)束后盤條規(guī)格為φ3.8 mm，盤條的性能見表3。

根據(jù)表2 及表3 可知，試驗盤條在一次拉拔后強度升高200 MPa 左右，如繼續(xù)拉拔需要通過退火處理來消除盤條加工硬化效果，提高盤條的塑韌性。對試驗所用盤條選擇了兩種降低強度的退火處理方法，即球化退火和完全退火。在拉拔過程中，由于盤條產(chǎn)生形變，使其碳化物破碎而作為退火形核的核心，同時鋼塑性變形能夠積累一定的能量，作為退火過程組織變化的驅(qū)動力［4］。因此一次拉拔有利于下一步的退火過程形核，降低原有相變點。同時，結(jié)合球化退火和完全退火的原理及盤條化學(xué)成分，分別制定出這兩種退火工藝的具體參數(shù)見表4。兩種工藝的退火過程均采用RT-105-9 型井式退火爐處理。

表3 一次拉拔后盤條力學(xué)性能

表4 退火工藝參數(shù)

2 試驗結(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行了力學(xué)性能試驗，結(jié)果見表5。由表5 可以看出，經(jīng)不同退火方式處理后的盤條強度及塑性有較大區(qū)別。1 號盤條球化退火后盤條抗拉強度及硬度明顯降低，斷后伸長率大幅度提高。2 號盤條則相對1 號盤條強度較高，塑性較低。退火后盤條的C 元素含量實測值1號為0.067%，2 號為0.069%，未見明顯脫碳現(xiàn)象。

經(jīng)過兩種退火工藝，退火后兩種盤條制成成品過程中的斷絲情況及成品焊絲的強度見表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看，1 號球化退火的焊絲強度相比2 號較低，較低的焊絲強度降低了送絲阻力，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)濟角度來說，球化退火比完全退火的保溫溫度低，升溫所需時間短，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。

表5 退火后盤條力學(xué)性能

表6 退火盤條后續(xù)生產(chǎn)情況

2.2 微觀組織

圖2 為不同退火工藝盤條金相組織對比。由圖2a可知，750 ℃保溫后得到的組織晶粒細小，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。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。由于1 號盤條退火溫度為Ac1點以上溫度，未到Ac3點溫度，片狀碳化物斷開成許多細小點狀的碳化物，但組織沒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 號盤條退火溫度高于1 號盤條的球化退火，已經(jīng)達到Ac3點，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，從而能更有效地阻止變形，并且受力時會使基體產(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。塊狀的鐵素體獨立分開，也會使得焊絲強度高、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條相比晶粒度級別更高，晶粒得到了細化;但完全退火的晶粒度與退火前盤條相比沒有明顯變化，球化退火突出的細化晶粒效果，也更加有效地增加退火后盤條的塑韌性。

圖2 不同退火工藝盤條金相組織

3 結(jié)論

(1)根據(jù)試驗研究得出，適合800 MPa 高強實心焊絲生產(chǎn)的退火工藝為使用RT-105-9 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)通過兩種退火工藝的對比，結(jié)果顯示通過750℃球化退火得到球狀珠光體組織會使盤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，縮短了退火升溫時間，減少工件在爐內(nèi)時間，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)濟性。