图1 W9MnCrV与45钢磨擦焊焊接接头SEM像(Bar=5μm) |
图2 高速钢退火后的碳化细碎区与脱碳层SEM像(Bar=10μm) |
图3 高速钢焊后空冷的材料呈现的马氏体、碳化物及黑色组织,退火后的碳化细碎区与脱碳层扫描组织;45钢一侧为由铁素体和珠光体组成的魏氏体(Bar=25μm) |
图4 为图3白框内的高速钢焊后空冷的马氏体组织的放大照片(Bar=5μm) |
图5 W9MnCrV与45钢磨擦焊焊接接头断口SEM照片(Bar=100μm) |
磨擦焊是利用金属焊接表面磨擦加热的一种热压焊接方法。它具有焊接质量好、焊接稳定,适用于焊接异种金属。磨擦焊不仅可以焊接普通的异种钢而且还可以焊接那些常温和高温机构、物理性能差别很大的异种钢和异种金属,如铜与不锈钢的焊接等。因此研究磨擦焊的材料组织结构,对合理地选择工艺,发挥材料的最大使用价值,具有重要的现实意义。本文利用SEM对W9MnCrV与45钢磨擦焊接头进行了大量的观察与研究。
材料与方法
分析样品包括三类:一是退火状态的W9MnCrV与45钢磨擦焊焊接接头(880℃～890℃,5～6h)样品;二是焊接后直接空冷的W9MnCrV与45钢磨擦焊焊接接头;三是断口样品。用S2530扫描电子显微镜观察。
样品制备:W9MnCrV与45钢磨擦焊接头SEM观察用的分析样品制备方法同金相样品的制备方法(断口样品除外)。
实验用腐蚀剂:5%HNO3+95%C2H5OH;腐蚀时间为60s。
扫描电镜观察与分析
图1 显示,退火状态的W9MnCrV与45钢磨擦焊焊接接头的焊缝过热区有明显的黑色粗大颗粒,这可能是由于顶锻压力不够使其氧化或其它杂质没有完全被挤压所致,其中还可看出过热区偏45钢方向的组织几乎是铁素体,而高速钢边的焊缝区出现的是明显的脱碳层。这种脱碳现象与材料在焊接过程中的烧损与氧化有关。因在焊缝区的脱碳,导致材料在淬火时对晶粒长大的阻碍,也是造成在淬火后奥氏体晶粒特别粗大的原因,乃至回火后粗大的晶粒仍隐约可见。从图1中还可看到, 45钢脱碳比高速钢要严重一些,可能会对焊接质量有一定的影响。因为近焊缝区的脱碳,在淬火后导致奥氏体晶粒的粗大,且回火时也不能完全消灭这种现象。同时由于焊缝区的组织不尽相同,各组织在不同条件下的膨胀系数不一样,也可能会出现淬火时会有不同的组织转变和体积变化,产生热影响变形。
图2显示,高速钢退火后也存在碳化细碎区,紧接着脱碳层。这主要是由于高速磨擦的热变形及顶锻压力的共同作用,使该区的碳化物多而细小,且发生不均匀偏集,沿着焊接面径向分布,高速钢的退火组织为索氏体和碳化物。
图3 是焊接后空冷的试样SEM照片。焊后空冷的材料呈现的组织是马氏体、碳化物及黑色组织,45钢一侧为由铁素体和珠光体组成的魏氏体,而针状的铁素体分布在珠光体内。其形成的原因可能是在焊接时由于焊接温度高于淬火温度,所以在焊缝附近产生了淬火组织,出现了大小不均匀的奥氏体晶粒。黑色组织形成的主要原因是由于在焊接过程中的脱碳,使得脱碳部位在高温短时间加热和空冷条件下不能转变为珠光体而转变为马氏体,故45钢由于过热而呈魏氏组织。
通过对焊件试样的焊件经退火和空冷的两种情况会产生两种不同的结果,在产品中为了降低焊接裂纹,在焊后必须进行退火。通过上述对空冷试样的分析可知,在焊接时,由于对接面附近的金属加热到淬火温度,这样在焊缝附近形成了淬火组织(高速钢一侧),45钢由于部分过热形成了由铁素体、珠光体组成的魏氏体组织,由于这几种组织的比容不同,线膨胀系数不同,则产生很复杂的组织应力,而在高速钢一侧,由于马氏体塑性较小,在该区产生的内应力也将最大。而经过焊后退火, 可以防止马氏体转变,消除组织应力、热应力,也就防止了焊接裂纹的大量产生。
图5是W9MnCrV与45钢磨擦焊焊接接头的断口扫描照片,从图中可看出45钢比高速钢在撕裂后产生的撕裂棱明显要少,断口断裂的性质主要是以韧性断裂为主。
结论
- W9MnCrV与45钢磨擦焊焊接接头扫描电镜的观察结果是:在该材料的焊缝处存在明显的脱碳区。
- 焊后保温再直接退火是防止焊接材料产生大量应力裂纹的重要措施。
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