蘭久祥，周秀，肖輝英，張強(qiáng)，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津301900;3.天津市金橋焊材集團(tuán)有限公司，天津301900)

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。

表1 試驗(yàn)用盤(pán)條化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 盤(pán)條的力學(xué)性能

圖1 盤(pán)條微觀組織

1.2 試驗(yàn)方法

選擇一捆重2 t 的φ5.5 mm 盤(pán)條，粗拔成1 t 重的兩捆φ3.8 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φ3.8 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RT-105-9 型井式退火爐處理。

表3 一次拉拔后盤(pán)條力學(xué)性能

表4 退火工藝參數(shù)

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。

表5 退火后盤(pán)條力學(xué)性能

表6 退火盤(pán)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(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。

圖2 不同退火工藝盤(pán)條金相組織

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(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。