（材料加工工程专业论文）贝氏体焊条在工程材料中的基础应用研究.pdf

、，： 。；。，| t 西华大学学位论文独创性声明 7 删 f y 1 7 5 醚鲻 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：化身 日期： 互以b - 1 3 指导教师签名：雾父 日期砷气丁聆加 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 、用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 兰论文作者张书均 日期 。，及一0 ，及6 3 舯教师张靠丞 日期w l 。彳ff m 扣 匹华大学硕士学位论文 摘要 由于堆焊技术具有成本低、工艺简单、易操作等特点，为此，国内开发了一种新型 贝氏体堆焊焊条，其性能优于传统的堆焊焊条。本文主要研究在冷焊条件下，不同焊接 工艺对贝氏体焊条堆焊4 2 c r 2 m o 钢、2 0 c r l m o l 0 钢、4 5 钢以及贝氏体辙叉心轨的堆焊 层、热影响区、熔合区的组织、性能的影响。通过对比在不同焊接工艺下得到的组织和 缺陷，确定最佳工艺以满足使用性能。这为实际工程中的焊接应用提供依据。 通过对比堆焊层的组织和硬度研究表明：采用贝氏体焊条，焊前不需预热，焊后不 用热处理。焊条的工艺性能较好，电弧稳定，飞溅较少，熔化系数大，脱渣性好，焊缝 成形好；焊缝组织主要是贝氏体( 粒状贝氏体) 。焊缝硬度测试表明，焊缝硬度均匀， 堆焊层金属硬度明显高于母材，达到了增强其耐磨性的要求。 研究结果表明，在本实验条件下，随着焊接电流和层间温度的增大，焊缝熔敷层的 组织越细小。随着层间温度提高，焊缝的硬度增加。 。 关键词：粒状贝氏体堆焊贝氏体焊条 贝氏体焊条在工程材料中基础应用与研究 a bs t r a c t b e c a u s eo fw e l d i n gt e c h n o l o g y 丽ml o wc o s t , s i m p l ep r o c e s s ，e a s yt oo p e r a t ea n ds oo n c u r r e n t l y , a n e wt y p eo fb a i n i t e s u r f a c i n g e l e c t r o d eh a dd e v e l o p e di nd o m e s t i c ，i t s p e r f o r m a n c ew a sb e t t e rt h a nt r a d i t i o n a lw d d i n ge l e c t r o d e t h i sp a p e rs t u d i e dt h ed i f f e r e n t w e l d i n gt e c h n o l o g yt h a t4 2 c r 2 m ob a i n i t i cs t e e l ，2 0 c r lm o l0s t e e l ，4 5s t e e l ，a n db a i n i t i cf r o g s t e e lw e r eb e a dw e l d e dd i r e c t l yb yu s eo fb a i n i t ee l e c t r o d ei nc o l dw d d i n gc o n d i t i o n s ，t h e h e a t - a f f e c t e dz o n e ，t h em e l ta r e ao fm i c r o s t r u c t u r ea n dm e i rp r o p e r t i e sw e r ea n a l y z e di nt h e b e a dw e l d i n gl a y e r s t h eb e s tw e l d i n gt e c h n o l o g yw a so b t a i n e dt h r o u g ht h em i e r o s t r u c t u r e a n dt h ep r o p e r t i e si nt h ed i f f e r e n tw e l d i n gc o n d i t i o n ，t h er e s e a r c h e sc o u l db es a t i s f i e dt h e e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n t h er e s e a r c ho ft h ea n a l y s i sb e a dw e l d i n gl a y e r sm i c r o s t r u c t u r e 嬲w e l l 嬲h a r d n e s s c h a n g eh a v es h o w nt h a tt h es u b s t r a t em a t e r i a ld i dn o tp r e h e a tb e f o r es u r f a c i n ga n dt h e p o s t w e l dh e a tt r e a t m e n td i dn o tp e r f o r mw h e nb a i n i t i cw e l d i n ge l e c t r o d ew a su s e d t h e w e l d i n ge l e c t r o d ec h a r a c t e r i s i t i c sa r eg o o d , t h ee l e c t r i ca r cs t a b i l i t yi sf i n e ，t h es p l a s ha r e f e w , t h em e l t i n gc o e f f i c i e n ti sb i g ，t h er e m o v a b i l i t yo fs l a g si sg o o d ，t h ew e l d e dj o i n tf o r m si s g o o d a tt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n ，t h eb e a dw e l d i n gl e v e lm e t a lm i c r o s t r u e t u r em a i n l yi s t h eg r a n u l a rb a i n i t e t h eh a r d n e s so fb e a dw e l d i n gl a y e ri su n i f o r m i t y ，t h eh a r d n e s so fb e a d w e l d i n gl a y e rl a y e rw a ss i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h a to fm e t a lm a t e r i a l s ，i tc a nm e e tt h e r e q u i r e m e n t st oe n h a n c ei t sw e a rr e s i s t a n c e b yag r e a td e a lo fe x p e r i m e n t sa n da n a l y s i s ，t h ei n v e s t i g a t i o nr e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h e i n e a s eo fh a r d n e s si nw e l d i n gl a y e rw i t ht h ei n e a s eo fw e l d i n gc u r r e n ta sw e l la s t e m p e r a t u r eu n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s ，a tt h es a m et i m e ，t h em i e r o s t r u c t u r eo f w e l d i n gl a y e rb e c o m e sf i n e k e yw o r d s ：g r a n u l a rb a i n i t e ，b e a dw e l d i n g ，b a i n i t ew d d i n g e l e c t r o d e i i 西华大学硕士学位论文 目录 摘j i l g ：j i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1工程材料的发展概况和趋势l 1 2 常用工程材料的性能及焊接性2 1 2 1 珠光体耐热钢用途及性能2 1 2 24 5 鼻钢的用途及性能6 1 2 3 新型贝氏体钢辙叉心轨的用途及性能8 1 3堆焊技术应用及特点9 1 3 1堆焊的目的及要求1 0 1 3 2 堆焊的技术应用。1 0 1 4 焊接冶金及贝氏体相变理论基础1 1 1 4 1覆层与母材的冶金结合。11 1 4 2 粒状贝氏体焊缝组织的形成机理1 3 1 4 3焊缝组织粒状贝氏体转变15 1 4 4 自制贝氏体焊条的合金元素的作用1 5 1 5 主要研究内容1 6 2 实验内容及方法17 2 1技术路线17 2 2 试验材料。18 2 2 1 焊接母材1 8 2 2 2 堆焊焊条1 9 2 3 试验设备1 9 2 4 实验过程19 2 3 1 焊件的前处理1 9 2 3 2 焊前准备2 0 2 3 3 焊接工艺参数确定2 0 2 3 4 施焊2 1 2 3 5 分析实验一2 1 3 试验结果及分析2 3 3 1贝氏体焊条堆焊4 2 c r 2 m o 钢特性研究2 3 i 贝氏体焊条在工程材料中基础应用与研究 3 1 1 焊缝宏观观察2 3 3 1 2 堆焊层组织的分析2 3 3 1 3 显微硬度结果及分析2 7 3 1 4 小结2 9 3 2 贝氏体焊条堆焊2 0 c r l m o l o 钢特性研究2 9 3 2 1 焊缝宏观观察。2 9 3 2 2 堆焊层组织的分析3 0 3 2 3显微硬度结果及分析3 4 3 2 4 小结3 5 3 3贝氏体焊条堆焊4 5 # 钢特性研究3 5 3 3 1 焊缝宏观观察。3 5 3 3 2 堆焊层组织的分析3 6 3 3 3 显微硬度结果及分析4 0 3 3 4 小结4 l 3 4 堆焊贝氏体辙叉心轨特性研究4 1 3 4 1 焊缝宏观观察4 1 3 4 2 堆焊层组织的分析4 2 3 4 3 显微硬度结果及分析4 5 4 结论4 7 参考文献4 8 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况5 0 致谢51 西华大学硕士学位论文 1绪论 1 1 工程材料的发展概况和趋势 材料作为人类生活与发展的主要物质基础，其品种、数量和质量是人类文明和社 会进步程度的标志。材料作为能制造有用物品的物质，与能源和信息共同构成了人类 社会赖以生产与发展的基本资源，而在这三者之间，材料又是最重要的基础。 1 8 世纪，以欧洲为中心的世界工业工迅速发展，对材料的品质和数量都提出了越 来越高的要求，形成并推动了材料工艺的进一步发展。1 8 6 9 年，光学显微镜首次应用 于金属的微观研究，出现了“金相学”，并在化学、物理、材料力学的基础上产生了 一门新科学“金属学”。随着1 9 1 2 年x 射线衍射技术和1 9 3 2 年电子显微分析技术及后 来出现的各种谱仪的应用，“金属学 便日趋完善，大大推动了金属材料及其学科的 研究与发展。 2 0 世纪以来，随着现代科学技术和生产的迅速发展，对材料的要求也越来越高。多 数发达的国家都非常重视工程材料的科学研究。如美国的研究机构、企业和大学均有许 多课题进行材料研究，据1 9 7 2 年美国国家科学院的白皮书报告，全美科技人员中有2 5 从事材料问题的研究，而且还有2 5 以某种形式参与材料的研究；1 9 8 6 年科学的美 国人杂志专期讨论有关材料研究的文章中指出“材料科学的进展决定了经济关键部门 增长速率的极限范围；1 9 9 0 年，美国总统的科学顾问更是明确地说“材料科学在美国 是最重要的学科 ；美国的许多技术性问题是通过采用新开发的材料来解决的，如高性 能飞机就是突出的例子。我国对材料的研究、开发一直放在重要的位置，进入2 0 世纪 9 0 年代，在“八五”科技攻关、高技术发展计划及基础中都给予了高度重视【l 】。 其中工程材料又是材料中重要的一部分。工程材料是指固体材料领域中与工程( 结 构、零件、工具等) 有关的材料，主要应用于机械制造、航天航空、化工、建筑与交通 等部门。依据不同的分类方法，工程材料的种类繁多。其按应用领域可分为机械工程 材料、建筑工程材料、电子工程材料、航空材料等等。按其性能特点可分为结构材料 和功能材料。按材料的化学属性可分为金属材料，高分子材料、陶瓷材料及其由三者 组合而成的复合材料等四大类。金属材料又包括黑色金属和有色金属。 1 、黑色金属 指铁及铁基合金材料，即钢铁材料，它占金属材料总量的9 5 以上。钢铁材料又分 为钢与铸铁两张，其中钢占9 0 以上。在2 0 世纪3 0 5 0 年代，钢铁材料处于最鼎盛时 期，是材料科学技术的中心。随着钢铁材料的强度和质量的提高，以及现代高新技术对 特殊性能材料( 如陶瓷、高分子、复合材料) 的需求增加，钢铁材料虽已走过了它最辉 贝氏体焊条在工程材料中基础应用研究 煌的时代，但因其具有优良的力学性能、工艺性能和低成本等综合优势，使之在2 1 世 纪仍占据主导地位，故绝不是“夕阳产业 。 2 、有色金属 指除铁基合金之外的所有金属及其合金材料( 又称非铁合金) 。它又分为轻金属( 如 铝、镁、钛) ，重金属( 如铅) ，贵金属( 如金、银、镍) 和稀有金属等。其中以铝及 其合金、铜及其合金用途最广。 黑色金属用量极大，是当代社会的主要材料，亦是本文所讨论的重点。 在我国加入“w t o ”以后，作为全球最大的发展中国家和经济活力最强的国家， 工程材料的发展充满了机遇和挑战。在2 1 世纪，工程材料总的发展趋势可以概括为一 句话，即“发展高强、轻质，耐久，多功能的新型工程材料，并适应2 1 世纪科技进步 发展趋势的需求”。 1 2 常用工程材料的性能及焊接性 1 2 1 珠光体耐热钢用途及性能 ( 1 ) 珠光体耐热钢的用途 珠光体耐热钢以c r o m o 以及c r - m o 基多元合金钢为主，加入合金元素c r 、m o 、v ， 有时还加入少量w 、t i 、n b 、b 等，合金元素总的质量分数小于1 0 。低、中合金珠 光体耐热钢具有良好的抗氧化性，工作温度可达6 0 0 。珠光体耐热钢广泛用于动力机 械，如锅炉、汽轮机、核反应堆及换热器等设备的零部件。这些长期在高温、高压下工 作，要求有较高的抗蠕变性能和持久强度，还要求组织稳定。中高压以上锅炉中各种直 径的管子，如过热器管、再热器管、集箱、蒸汽导管等绝大多数都采用珠光体耐热钢1 2 j 。 ( 2 ) 珠光体耐热钢的缺陷分析 珠光体耐热钢钢焊接时，在焊接区存在着易产生冷裂纹，热裂纹和再热裂纹的可能， 焊接接头韧性低，长期使用后的回火脆性，蠕变脆性，氢脆性和应力腐蚀裂纹等问题。 焊接接头产生冷裂纹原因 由于含有铬，钼，钒等元素，加热后在空气中冷却时，具有明显的淬火倾向，焊接 时在焊缝和热影响区，很容易出现硬而脆的马氏体组织。这不仅影响焊接接头的机械性 能，而且产生很大的内应力，常常导致焊缝的热影响区产生冷裂纹。 影响冷裂纹敏感性的主要因素是钢材的淬透性，碳的影响是关键。含碳和铬量越多， 硬化越严重，钢板越厚，截面越大，硬化越严重：焊接时产生的热焊接接头产生冷裂纹原 因量小( 如细焊条，小电流) ，硬化越严重，焊件不预热或预热温度过低( 特别是在气温较 低时) 硬化越严重。除硬化外，扩散氢也是一个重要因素。 西华大学硕士学位论文 可采用低氢焊条和控制焊接热输入在合适的范围，加上适当的预热、后热措施，来 避免产生焊接冷裂纹。实际焊接生产中，正确选定预热温度和焊后回火温度对防止冷裂 纹是非常重要的。 焊缝中产生热裂纹原因 焊缝中易产生热裂纹在凝固区或凝固温度以下，较高温度时，由于应力作用产 生的晶间裂纹。珠光体耐热钢焊接热裂纹多产生在焊缝上，特别是在弧坑处。有结晶裂 纹和高温液化裂纹( 低熔点共晶物造成的裂纹) 两种。 1 ) 产生热裂纹的主要因素是低熔点共晶物的存在，在凝固的最后阶段产生晶间界 偏析，相当的液相存在时间增长，使焊缝金属的在凝固温度区间进一步增大，则产生热裂 纹的可能性增多。这种热裂纹多数在焊缝柱状晶的回合处，即焊缝凝固的最终位置，也 是最容易引起低熔点共晶偏析的位置。 合金成分s ，p ，c ，c u ，n i 等元素对热裂纹有恶劣的影响，易形成低熔点化合物： f e s ( 熔点11 9 0 c ) ，f e 3 p ( 熔点11 6 0 。c ) 或低熔点共晶f e s f e ( 熔点9 8 0 。c ) ，f e 3 p - f e ( 熔 点1 0 5 0 c ) ，n i 洲i ( 熔点6 4 5 c ) ，n i 3 p - n i ( 熔点6 4 5 c ) 。这些低熔点共晶物在凝固区 的最后阶段，以液相形成，产生晶界偏析，在热应力的作用下产生热裂纹。而m n ，c a 在不同程度上带来良好的结果所以，严格控制有害元素( 特别是s ，p ) 的含量是非常重要 的。 2 ) 此外，热裂纹还与焊缝成形系数( 、i ，= b 1 1 ) 有关。焊缝成形系数、i ，小于l ，则容易 产生热裂纹。因为焊缝成形系数越小，焊缝柱状晶越容易在焊道横向会合，在焊缝中心 形成脆断面，低熔点杂质也聚集在该脆断面处，故焊缝易产生纵向热裂纹。 ，+ _ 焊缝成形系数小的焊缝呈梨形。其它条件不变时，焊接电流过大，则易成梨形焊缝。 焊接时要选择不会形成梨形焊缝的焊接规范；u 形坡口底部的圆角半径r 尽可能选的大 些。 、- 焊缝成形系数、i ，= b g a 小的“梨形 焊缝，即深而窄的焊缝，也较容易产生热裂纹。 过大焊接电流，会加大熔深，产生“梨形 焊缝。 3 ) 焊接热输入量大小，对珠光体钢热裂纹影响很大，过大的热输入量，对防止热 裂纹的产生是不利的。所以，焊接热输入量不能选的过大。 4 ) 焊缝厚度较大，拘束度较大，对防止热裂纹的产生是不利的，焊接这样的压力 容器时，要特别注意防止热裂纹的发生。 热影响区产生再热裂纹的原因 热影响区再热裂纹的产生与残余应力，应力集中，缺口的存在，消除应力的条件， 特别是钢材的成分，组织等有关。 1 ) 化学成分的影响 贝氏体焊条在工程材料中基础应用研究 对再热裂纹起促进作用的，主要是碳化物形成元素。其中v 和c r ，m o 对再热裂纹 都非常敏感，杂质s n ，a s ，s b ，p 等是促进形成元素。按影响的强弱顺序为：v ，n b ， t ，m o 。c r 比较特殊，当c r l 时，随含c r 量的增加，再热裂纹敏感性下降。碳对再 热裂纹的产生起着重要的作用。在含v 的钢中，含碳量从0 0 5 增至o 1 0 时，再热裂 纹显著增加。 钢中含有高的锰和镍，对避免再热裂纹有良好的作用；用铝细化晶粒，能阻止焊接 热影响区的晶粒长大，对防止再热裂纹发生也有好处。 严格控制杂质元素，降低s ，p ，s b 的含量，再热裂纹敏感性可得到改善。 2 ) 焊接工艺的影响 a 选用低一个强度等级的焊条，使焊缝金属具有良好的塑性，让其释放一部分由热 处理过程消除的应力，对减少再热裂纹有好处。 b 预热能降低焊接结构的残余应力，减少含氢量，减慢焊后冷却速度，故能降低再热 裂纹敏感性。 c 再热裂纹一般都产生在工件较厚的部位。当焊缝焊到一定高度后，为防止焊接应 力进一步提高，先进行一次中间热处理，消除一部分应力，从而降低整个焊接接头的应 力水平。 d 为防止冷裂纹的产生，适当增大焊接线能量是有利的，但要选择适当地焊接线能 量。过大的焊接线能量，会增加焊件的焊接应力和变形，同时对焊接接头的冲击韧性也 很不利，使焊接接头的冲击韧性降低。因为热影响区过热程度大，晶粒粗大，晶界的结 合能力降低，则产生再热裂纹的可能性增加。所以，焊接线能量多大和过小均是不好的， 两者对热影响区的粗晶区抗裂性均不利。过大的焊接线能量，还会增加焊件的焊接应力 和变形。这些均可能导致产生再热裂纹。高的残余应力和应力集中处，如咬边，根部未 焊透，表面夹渣等，都会导致产生再热裂纹。 f 焊后用砂轮将焊缝的余高和焊趾打磨圆滑，可降低焊接接头的应力集中，对防止 再热裂纹的出现十分有利。 3 ) 热影响区残余应力和应力集中的影响 再热裂纹总是出现在残余应力高的部位或产生在焊接接头的咬边，根部未焊透等应 力集中处。因此，改进焊接结构和获得无缺陷得焊接接头，是控制再热裂纹的重要措施。 4 ) 热处理工艺的影响 5 0 0 c 7 0 0 ( 2 是再热裂纹的敏感温度区，热处理时避开此温度区，可减少再热裂纹 产生的可能性。必要时，热处理前可做热处理工艺试验1 3 】。 ( 3 ) 珠光体耐热钢的常用焊接方法和焊接材料 珠光体耐热钢的常用焊接方法 4 西华大学硕士学位论文 焊条电弧焊、埋弧焊、熔化极气体保护焊、电渣焊、钨极氩弧焊等均可用于珠光体 耐热钢的焊接。但是，常用的焊接方法以焊条电弧焊为主，埋弧焊和电渣焊也经常应用， 气体保护焊和窄间隙焊也正在扩大应用。 钨极氩弧焊用于管道生产可以实现单面焊双面成形，但当母材c r 的质量分数超过 3 时，焊缝背面应通氩气保护，以改善成形，防止焊缝表面氧化。钨极氩弧焊具有超 低氢的特点，焊接是可以适当降低预热温度。这种焊接方法的缺点是焊接效率低，生产 中往往采用钨极氩弧焊焊接根部焊道，而填充层采用其它高效率的焊接方法，以提高生 产率。 低合金耐热钢的管件和棒材可采用电阻压力焊、感应加热压力焊以及电阻感应焊。 这些焊接方法的优点是无需填充金属，但须严格控制焊接参数，才能获得优质的焊接接 头。在焊接合金含量较高的耐热钢时，必须想焊接去吹送氩气等保护气体，以保证接头 的致密性。此外，局部加热往往导致c r - m o 钢焊后产生低塑性组织，而需对接头区作相 应的热处理。 珠光体耐热钢焊接材料的选用 。 为了保证焊缝性能与母材匹配，具有必要的热强性，珠光体耐热钢的焊缝成分应与 母材相近，这与其它合金结构钢不同。为了防止焊缝有较大的热裂倾向，焊缝中碳的质 量分数要求比母材低一些( 一般不希望低于o 0 7 ) 。实践中，若焊接材料选择适当， 焊缝的性能是可以和母材匹配的。 珠光体耐热钢焊接材料的选择原则是：焊缝的合金成分及使用温度下的强度性能应 与母材相应的指标一致，或应达到产品技术条件提出的最低性能指标。如焊后需经退火、 正火或热成形等热处理或热加工，应选择合金成分或强度级别较高的焊接材料。当需要 将珠光体耐热钢和普通碳钢焊在一起时，一般选用珠光体耐热钢焊条或焊丝进行焊接【4 】。 ( 4 ) 珠光体耐热钢的预热及焊后热处理 珠光体耐热钢焊接时，为了防止冷裂纹和消除热影响区硬化现象，正确选用预热温 度和焊后回火温度是非常重要的。生产中需结合具体条件，通过试验来确定预热及焊后 热处理温度。预热温度的确定主要是依据钢的合金成分，接头的拘束度和焊缝金属的氢 含量。母材碳当量大于0 4 5 、最高硬度大于3 5 0 h v 时，应考虑焊前预热。 后热去氢处理是防止冷裂纹的主要措施之一。氢在珠光体中的扩散速度较慢，一般 焊接后加热到2 5 0 以上，保温一段时间，可以促使氢加速逸出，降低冷裂纹的敏感性。 采用后热处理可以降低预热温度约5 0 1 0 0 。耐热钢焊后热处理的目的不仅是消除焊接 残余应力，更重要的是改善焊接区组织和提高接头的综合力学性能，包括提高接头的高 温蠕变强度和组织稳定性，降低焊缝及热影响区硬度等。 5 贝氏体焊条在工程材料中基础应用研究 1 2 24 5 。钢的用途及性能 ( 1 ) 4 5 # 钢的用途 4 5 # 号钢是机械中的中碳优质碳素钢结构钢，有良好的冷热加工性能，机械性能较 好，且价格低、来源广，所以应用广泛。它的最大弱点是淬透性低，截面尺寸大和要求 比较高的工件不宜采用，但是热处理时，淬透性差、水淬变形大，裂纹倾向敏感，尤以 4 0 左右水淬时更为明显；而焊接性能一般。通常在调质或正火状态下使用，经调质成 索氏体时，具有高的强度和塑性，具有一定的韧性。 4 5 # 钢制造强度要求较高的零件，如齿轮、轴、曲轴、活塞销、工夹具等零件时， 要求零件表面高硬度、高耐磨性，而心部具有高强度和高韧性，调质后进行高频或火焰 表面淬火。经低温球化退火后，可冷挤压成形零件，如球头销、推力杆等1 5 】。 ( 2 ) 4 5 # 钢热处理工艺及性能 4 5 # 钢淬火工艺 4 5 # 钢淬火温度在8 2 0 c - 一8 6 0 ，4 5 钢导热性良好，淬火时不需预热而直接入炉加 热。在实际操作中，一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速度加快，表面 氧化减少，且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化，就需要足够的保温时间。如果实 际装炉量大，就需适当延长保温时间。不然，可能会出现因加热不均匀造成硬度不足的 现象。但保温时间过长，也会也出现晶粒粗大，氧化脱碳严重的弊病，影响淬火质量。 一般情况下，如装炉量大于工艺文件的规定，加热保温时间需延长1 5 ，本试验的保温 时间为6 0 分钟。 4 5 # 钢中碳含量较高，通过调质处理( 淬火+ 回火) 可获得较高的强度性能。4 5 钢 调质件淬火后的硬度应该达到h r c 5 6 - - 5 9 ，截面大的可能低些，但不能低于h r c 4 8 ， 不然，就说明工件未得到完全淬火，组织中可能出现索氏体甚至铁素体组织，这种组织 通过回火，仍然保留在基体中，达不到调质的目的。 4 5 # 钢调质工艺 4 5 # 钢淬火后的高温回火，加热温度通常为5 6 0 - - 6 0 0 ，硬度要求为h r c 2 2 - 一3 4 。 因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽。但试验有硬度要求的，就 要按试验要求调整回火温度，以保证硬度。本试验回火温度为6 0 0 。c ，选择最高的回火 温度是因为偏高的回火温度可以使工件加热速度加快，表面氧化减少，且能提高工效， 而且在工件取出冷却的过程中，工件温度将有所降低，所以选择偏高的温度进行热处理。 如有些轴类零件要求强度高，硬度要求就高；而有些齿轮、带键槽的轴类零件，因调质 后还要进行铣、插加工，硬度要求就低些。关于回火保温时间，视硬度要求和工件大小 而定，一般工件回火保温时间总在一小时以上【6 1 。 ( 3 ) 4 5 # 钢的焊接性能 6 西华大学硕士学位论文 焊缝中的热裂纹 调质态4 5 钢含碳量及合金元素较高，焊缝凝固结晶时，固液相温度区间较大，结 晶偏析倾向严重，具有较大的热裂纹敏感性。为防止产生热裂纹，要求采用低碳低硅焊 丝，严格限制母材及焊丝中的s 、p 含量，对于重要产品的刚材和焊丝，要求采用真空 熔炼或电渣精炼，将s 和p 总质量分数限制在0 2 5 以下。 焊接中碳调质钢时，应考虑到出现热裂纹的问题，尽可能选用碳含量低以及含s 、 p 杂质少的焊接材料。在焊接工艺上应注意填满弧坑和保证良好的焊缝成型。因为热裂 纹容易出现在未填满的弧坑处，特别是在多层焊时第一层焊道的弧坑中以及焊缝的凹陷 部位。 淬硬性和冷裂纹 调质态的4 5 钢的淬硬倾向十分明显，焊接热影响区容易出现硬脆的马氏体组织， 增大了焊接接头的冷裂纹倾向。母材含碳量越高，脆硬性越大，焊接冷裂纹倾向也越大。 由于马氏体中的含碳量较高，有很大的过饱和度，点阵畸变更严重，因而硬度和脆性更 大，冷裂纹敏感性也更突出。焊接时，为防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量， 除了采取焊前预热措施外，焊后须及时进行回火处理。 焊接中碳调质钢时，为防止冷裂纹，应尽量降低焊接接头的含氢量，除了采取焊前 预热措施外，焊后须及时进行回火处理。此外，中碳调质钢高强钢还具有应力腐竹开裂 倾向，应采用热量集中的焊接方法和较小的焊接热输入，避免焊件表面的焊接缺陷和划 伤。 热影响区脆化和软化 一 1 ) 热影响区脆化调质态4 5 钢由于碳含量较高，有相当大的淬硬倾向，马氏体转 变温度低，无“自回火 过程，因而在焊接热影响区容易产生大量脆硬的马氏体组织( 尤 其是高碳、粗大的马氏体) ，导致热影响区脆化。生成的高碳马氏体越多，脆化越严重。 为了减少热影响区脆化，从减小脆硬倾向出发，本应该采用大热输入才有利，大由 于这种钢的淬硬性强，仅通过增大热输入还难以避免马氏体的形成，相反却增大了奥氏 体的过热，促使形成粗大的马氏体，反而使热影响区过热区的脆化更为严重。因此，为 防止热影响区脆化的工艺措施主要是采用小的热输入，同时采取预热、缓冷和后热等措 施。因为采用小热输入减少了高温停留时间，避免奥氏体晶粒的过热，同时采用预热和 缓冷等措施来降低冷却速度，这对改善热影响区的性能是有利的。 2 ) 热影响区软化焊前为调质态的钢材焊接时，被加热到该钢调质处理的回火温 度以上时，焊接热影响区将出现强度、硬度低于母材的软化区。如果焊后不再进行调质 处理，该软化区可能成为降低接头区强度的薄弱区。中碳调质钢的强度级别越高时，软 化问题越突出。因此，在调质状态下焊接时应考虑热影响区的软化问题。 贝氏体焊条在工程材料中基础应用研究 母材焊前所处的热处理状态不同，软化区的温度范围和软化程度有很大差别。低温 回火的钢材，热影响区软化区的温度范围越大，相对于母材的软化问题程度也越大。从 韧性方面出发，过热区是接头中最薄弱的环节；而从强度方面考虑，软化区是接头中最 薄弱的环节。 中碳调质钢热影响区软化最明显的部位，是温度处于a e l a c 3 之间的区段，这与 该区段的不完全淬火过程有密切关系。因为不完全淬火区的奥氏体成分远未达到平衡浓 度，铁素体和碳化物均未充分溶解，冷却时奥氏体易发生分解，造成这个区段的组织强 度和硬度都较低。 热影响区软化程度和软化区的宽度与焊接热输入、焊接方法等有很大关系。焊接热 输入越小，加热和冷却速度越快，软化程度小，软化区的宽度越窄。 4 5 # 钢焊接工艺特点 调质态4 5 钢最好在退火( 或正火) 状态下焊接，焊后通过整体调质处理获得性能 满足要求的焊接接头，这是焊接中碳调质钢的一种比较合理的方法。如果必须在调质状 态下焊接，而且焊后不能再进行调质处理的焊接构件，这时的主要问题是防止焊接裂纹 和避免热影响区软化。除了裂纹外，热影响区的主要问题是：高碳马氏体引起的硬化和 脆化，以及高温回火区的软化引起的强度降低。由于焊后不能再进行调质处理，焊缝金 属成分和母材有差别。为防止焊接冷裂纹，可选用塑韧性好的奥氏体焊条。 为消除热影响区的淬硬组织和防止延迟裂纹的产生，必须适当采用预热、层间温度 控制、中间热处理，并应焊后及时进行回火处理【7 】。 1 2 3 新型贝氏体钢辙叉心轨的用途及性能 新型贝氏体钢辙叉心轨，主要是满足我国铁路重载、提速、高速化的需要以及普通 铁路的全面改造和更新换代、大幅度提高我国铁路道叉使用寿命的需要，是代替传统高 锰钢生产长寿命的组合辙叉中要求高性能高耐磨的最关键的心轨。其化学成分为c ：o 2 0 3 5 、s i ：1 5 - 2 5 、m n ：1 5 - 2 5 ，并含有少量的m o 、c r 、v 、t i 等 合金元素，正火后的组织为贝氏体铁素体和残余奥氏体；抗拉强度为12 4 0 - 13 4 6 a ； 冲击韧度为7 6 - - 一9 4j e m 2 ；伸长率为1 7 - 2 0 ；硬度为4 1 5 一4 5h r c 。 由于含碳量低，通过加入合金元素，降低了贝氏体的形成温度，将使钢的强度有所 提高，但是合金元素加入的主要目的在于提高钢获得贝氏体的淬透性，使这类钢能用空 冷等缓慢冷却的方法获得高的强度，避免了钢经淬火所形成的变形和裂纹等严重问题， 避免了回火处理带来的生产困难。因此，具有十分优秀的热处理工艺性能。由于低碳贝 氏体钢韧性、塑性较好，因此具有优异的变形加工和焊接性能。这种新型低合金贝氏体 8 西华大学硕士学位论文 钢辙叉具有高强度和硬度，同时韧性也很好，具有良好 心轨强度高、韧性好、易焊接等要求【8 。1 0 】。 1 3 堆焊技术应用及特点 堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定 以赋予其特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。堆焊技术在我国起源于 2 0 世纪5 0 年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展初期主要用于修复领域，即恢复零 件的形状尺寸，6 0 年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合，改革开放后 堆焊技术的应用领域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，9 0 年代受先进制造 技术理念的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合引起了制造业的广泛 关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志。 堆焊技术在我国历经近5 0 年的风雨历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺 方法，而且成为先进制造技术的发展基础，其应用遍及基础工业各个领域。因此，堆焊既 可用于修复材料因服役而的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于 延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。因此，国内外制造业对堆焊技术 的发展十分重视，i i w 以及各工业发达国家的相关学术机构均设置了专门委员会，以协 调和促进堆焊技术的发展。 在堆焊方法方面，相继开发了电弧堆焊( 单丝、多丝、单带极、多带极) 、电渣堆焊( 窄 带极、宽带极) 、m i g 堆焊、等离子弧粉末堆焊、高能光束粉末堆焊等。就熔敷效率而 言，己从单丝堆焊的l l k g h 发展到多带极堆焊的7 0 k g h ，而稀释率从电弧堆焊的3 0 6 0 降低到等离子弧、激光堆焊的5 左右。在堆焊材料方面，针对被修复零件的服役 要求，相继开发了耐磨的硬质合金复合堆焊材料( 碳化物的钴基合金、镍基合金、铁基 合金粉末) ，耐冷热疲劳的镍马氏体时效钢等模具堆焊材料，以及用于轧辊修复的低合 金钢堆焊材料( 3 0 c r m n s i ，4 0 c r m n ) 、热作模具钢堆焊材料( 3 c r 2 w 8 ，c r 5 m o ) 、弥散硬化 钢堆焊材料( 1 5 c r 3 m 0 2 m n v ，2 7 c r 3 m 0 2 w 2 m n v s i ) 等。在堆焊材料的使用形式方面，已 从堆焊发展初期的以焊条为主转向多种使用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年增长 趋势。 我国在堆焊基础理论的研究方面与国外工业发达国家相比并不逊色，但堆焊材料和 设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距。因此，无论是堆焊材料的品种和质量， 还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发展和提高。研究开发优质、高效、 低耗、灵活、清洁的先进堆焊技术，并将其广泛应用于先进制造业是我国堆焊技术肩负 的历史使命i l j 。 9 贝氏体焊条在工程材料中基础应用研究 1 3 1堆焊的目的及要求 ( 1 ) 堆焊的目的 为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接 称为堆焊。为达到不同目的，堆焊可分为以下四种： 包层堆焊。当焊件表面与腐蚀介质接触时，为使其表面具有耐腐蚀性，而在碳 钢或合金钢母材上堆焊一定厚度的填充金属层。 耐磨堆焊。为减轻焊件表面磨粒磨损、冲击、腐蚀、气蚀而采用的堆焊层。 增厚堆焊。在焊件表面、接头边缘或者先前熔敷的金属上为恢复构件所要求的 尺寸而添加焊缝金属。 隔离层堆焊。焊接异种材料或有特殊要求的材料时，为保证接头质量和性能， 预先在母材表面( 或坡口面) 上熔敷的一定成分的金属层，熔敷隔离层的工艺过程称隔离 层堆焊。 ( 2 ) 堆焊的工艺要求 堆焊的特点在于它不是把两个分离的部件连接在一起，而仅仅是在焊件表面施焊一 层熔敷金属，因此其工艺要求是： 1 ) 防止堆焊层的裂纹及剥离。堆焊后的焊缝金属硬度大、塑性低，尤其当堆焊金 属成分与基本金属成分相差比较大时，金属的线膨胀系数较大，从而引起相当大的内应 力，使堆焊层在堆焊后的冷却过程中容易产生堆焊层裂纹及剥离。防止的主要办法是设 法减小堆焊时的焊接应力，具体措施是：对焊件进行整体预热或合理的局部预热，或者 用隔离层堆焊的方法，即先用塑性好、强度不高的普通焊条或不锈钢焊条进行打底焊， 使堆焊层与母材隔离开来。 2 ) 防止堆焊层的硬度不符合要求。堆焊层的硬度依靠堆焊层的合金成分来获得， 而合金成分来自焊接材料( 焊条、焊丝、焊剂) 而不是母材。所以堆焊时，希望熔深浅、 熔合i ：k 4 , ，因此不宜采用大电流。由于母材对焊缝金属的稀释，所以堆焊第一层时硬度 往往偏低，其余各层硬度逐渐提高，一般在第三层后硬度基本不再变化。 3 ) 防止堆焊零件变形。在细长轴及直径大而壁厚不大的圆筒形零件表面堆焊时， 要考虑防止焊后变形。 1 3 2 堆焊的技术应用 堆焊是焊接领域的一个重要分支，大多采用熔化极电弧焊进行，其目的是在工件表 面的相应部位熔敷一层具有特殊性能的金属层，以修复零件或提高工件表面的耐磨性、 耐腐蚀等。采用堆焊技术来制造或修复某些零件时，不仅可发挥零件的综合性能和材料 的工作潜力，显著提高工件的使用寿命、节约贵重合金、节约维修费用，还可缩短修理 1 0 西华大学硕士学位论文 和更换零件的周期，从而提高生产率，降低生产成本。另外，应用堆焊技术还可以获得 优异的性能，对改进产品设计也有重大意义。 堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的 剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好 的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性，在零件 制造和修复中获得了广泛的应用。堆焊技术常用于以下领域： ( 1 ) 模具制造行业。塑料模表面的打磨，增加美感和使用寿命；头盔塑料模具分 型面堆焊修复；铝合金压铸模具表面强化；模具腔磨损、划伤等修复与强化； ( 2 ) 塑料橡胶工业。橡塑机械零部件修复，橡胶、塑料件用的模具超差、磨损与 修补； ( 3 ) 航空、航天业。飞机发动机零部件、涡轮、涡轮轴修复或修补，火箭喷嘴表 面强化修复，飞机外板部件修复，钛合金件的渗碳强化，铁基高温合金件的渗碳强化， 镁合金的表面渗铝等防腐蚀涂层，镁合金件局部缺陷堆焊修补等。 ( 4 ) 汽车与机车的制造与维修行业。汽车制造和维修工业中，用于凸轮、曲轴、 一 活塞、汽缸、刹车盘、叶轮、轮毂，离合器、摩擦片、排气阀等补焊和修复，汽车体的 表面焊道缺陷补平修正。 ( 5 ) 船舶、电力行业。电曲轴、轴套、轴瓦、电阻器等修复，电气铁路机车轮与 底线轨道连接片的焊接，电镀厂导电辊、金属氧化处理铜铝电极的制作焊接； ( 6 ) 机械工业。修正超差工件和修复机床导轨、各种轴、凸轮、水压机、油压机