NM450耐磨钢板焊接接头的显微组织和力学性能

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(首钢技术研究院，绿色可循环钢铁流程北京市重点实验室，北京 100043)

0 引 言

耐磨钢凭借其优良的耐磨性能被广泛应用于在恶劣工况下使用的部件，特别是煤矿刮板运输机、矿山自卸车车厢、挖掘机斗齿、铲斗，以及各种破碎机的扎臼壁、破碎壁等。NM450耐磨钢是在NM360钢和NM400钢的基础上研发的一种先进钢铁材料，该耐磨钢的碳含量高，且含有合金元素镍、铬和钼，以及微合金化元素钛和铌，采用淬火+回火热处理工艺生产，其表面布氏硬度在420～480 HBW，强度和耐磨性比NM360钢和NM400钢更高。GB/T 2651-2008标准对该钢板焊接接头的冲击韧性要求为：焊缝金属、热影响区及母材的-20 ℃冲击吸收功均不小于24 J。

耐磨钢常用的焊接方法有手工电弧焊和气体保护焊等。在焊接热循环中，焊接热影响区在高温区会停留一段时间，导致局部过热。过热区温度达到1 400 ℃左右，使该区的奥氏体晶粒严重粗化，甚至发生局部软化和脆化[1-3]，最终导致焊接接头冲击韧性的下降。耐磨钢常见的焊接问题为热影响区的软化、脆化以及焊接冷裂纹的出现[4]。

目前，对NM360钢和NM400钢的焊接研究较多，但对于新型NM450耐磨钢的焊接研究却鲜有报道[4-7]。为此，作者利用CO2气体保护焊对NM450耐磨钢板进行了焊接，研究了该钢板的焊接冷裂纹敏感性，以及焊接接头的显微组织和力学性能，为该钢的应用提供试验依据。

1 试样制备与试验方法

试验用钢板为首钢生产的NM450耐磨钢板，厚度为19 mm，表面硬度为440 HBW，热处理工艺为900 ℃淬火+250 ℃回火。焊接材料为直径1.2 mm的ER50-6气体保护实心焊丝。试验钢板和焊丝的化学成分和力学性能分别见表1和表2。计算得到试验钢板的碳当量为0.45%，其显微组织为回火马氏体，如图1所示，显微硬度为400 HV。

表1 试验钢板和焊丝的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of tested steel plate and welding wire (mass) %

表2 试验钢板和焊丝熔敷金属的力学性能Tab.2 Mechanical properties of tested steel plate anddeposited metal of welding wire

图1 试验钢板的显微组织Fig.1 Microstructure of tested steel plate

使用YD-500型气体保护焊机进行CO2气体保护焊，气体压力0.5 MPa，流量20 L·min-1，焊丝干伸长度为15 mm；焊接试样的尺寸为460 mm×550 mm×19 mm，开单面V型坡口，坡口角度45°，钝边高度2 mm，间隙(2±1) mm，坡口长度方向与钢板轧制方向一致；预热100 ℃，层间温度100～200 ℃，焊接热输入7.8～25.6 kJ·cm-1。焊接试样的坡口形式与焊道分布见图2，焊接参数见表3。

图2 焊接试样坡口尺寸与焊道分布Fig.2 Groove dimension (a) and welding bead distribution (b) of welded sample

表3 焊接工艺参数Tab.3 Welding parameters

在母材和接头上截取金相试样，经研磨、抛光，用4%(体积分数)硝酸酒精腐蚀后，在OLYMPUS型激光共焦显微镜上观察显微组织。根据GB/T 2651-2008，在焊接接头上以焊缝为中心，垂直于焊缝方向截取尺寸为19 mm×25 mm×400 mm的拉伸试样，标距为50 mm；根据GB/T 228.1-2010，在WE-100型拉力试验机上进行拉伸性能试验，试验温度25 ℃，应变速率0.000 25 s-1。根据GB/T 2650-2008，在焊接接头上截取尺寸为10 mm×10 mm×55 m的夏比V型冲击试样，缺口方向垂直于焊缝表面，缺口分别位于焊缝中心、热影响区(距熔合线2 mm)和母材；根据GB/T 229-2007，在ZBC2452-3型冲击试验机上进行冲击试验，试验温度为-20 ℃。根据GB/T 2654-2008制样，采用HVS-10Z型维氏硬度计测试焊接接头各区域的硬度，加载载荷为98 N，加载时间为15 s。

图 5 焊接接头不同区域的显微组织Fig.5 Microstructures in different zones of welded joint: (a) weld center; (b) fusion line; (c) coarse-grained zone; (d) normalized zone and (e) incomplete recrystallization zone

依据ISO 17642-2：2005进行斜Y型冷裂纹敏感性试验，试样尺寸见图3，图中t为试样厚度，g为坡口间隙，取(2.0±0.2) mm。同样使用YD-500型气体保护焊机进行CO2气体保护焊，气体压力、流量同上，焊接1道，采用ER50-6焊丝焊接拘束焊缝和试验焊缝，焊接时控制层间温度低于180 ℃，焊接参数见表4。焊后48 h后，对接头进行渗透着色，检验表面裂纹。通过机械加工、抛光腐蚀来检验截面裂纹。将试样在250 ℃氧化发蓝后，弯断检验根部裂纹。硬度测试方法同上。

图3 斜Y型冷裂纹敏感性试验用试样尺寸Fig.3 Dimension of sample for Y-groove cold crack sensitivity test

表4 冷裂纹敏感性试验用焊接参数Tab.4 Welding parameters for cold crack sensitivity test

2 试验结果与讨论

2.1 显微组织

由图4可见，焊接接头熔合良好。

图4 焊接接头截面宏观形貌Fig.4 Cross-sectional macromorphology of welded joint

由图5可以看出：接头的焊缝组织为块状铁素体+针状铁素体，近熔合线处的焊缝中块状组织明显；粗晶区组织为板条马氏体，晶粒较母材的明显粗大；正火区组织为马氏体的完全分解产物——铁素体+渗碳体；不完全重结晶区组织为马氏体+铁素体+渗碳体。测得焊缝硬度为220 HV，近熔合线焊缝的硬度分别为224，233 HV；粗晶区、正火区和不完全重结晶区的硬度分别为412，234，386 HV，正火区和不完全重结晶区马氏体的分解导致了其硬度的降低。

2.2 力学性能

测得焊接接头的抗拉强度为768 MPa，在焊缝处发生断裂。焊缝中心、热影响区、母材的-20 ℃冲击吸收功分别为110，140，88 J，满足标准要求(不低于24 J)。焊缝区硬度为198～233 HV，热影响区硬度为234～415 HV，母材硬度为334～400 HV。焊接接头的力学性能达到设计要求，在规范使用条件下焊缝性能能够满足运行要求。

2.3 焊接冷裂纹敏感性

由表5可知：采用ER50-6焊丝，在环境温度32.6 ℃、不预热(试样1和2)，或环境温度-1.4 ℃、预热80 ℃(试样5和6)条件下焊接后，焊接接头的表面裂纹率、截面裂纹率和根部裂纹率均为0；在环境温度-1.4 ℃、不预热(试样3和4)条件下焊接后，接头的表面裂纹率为0，截面裂纹率和根部裂纹率均为100%，其裂纹形貌如图6所示。

图6 接头试样截面和根部裂纹形貌Fig.6 Morphology of cross-sectional crack (a) and root crack (b) in joint sample

表 5 不同接头试样的裂纹率Tab.5 Crack percentage of different joint samples %

由图6(a)可知，裂纹起源于根部熔合区处，在焊缝中扩展。耐磨钢含有大量合金元素，提高了其淬透性。焊接时在热影响区产生大量淬硬组织——马氏体组织，降低了该区的塑性储备，在缺口应力集中、较大横向热应力及拘束应力作用下，裂纹萌生并向焊缝内部扩展。

由表6可以看出，焊接接头热影响区的硬度测试值大部分高于350 HV，表明冷裂纹敏感性较高。结合裂纹率的发生情况，在冬季较低环境温度下焊接时，需要采取预热措施，且预热温度不低于80 ℃。

表 6 接头试样不同区域的硬度测试值Tab.6 Measured hardness in different zones of joint samples HV

3 结 论

(1) NM450耐磨钢焊接接头粗晶区组织为板条马氏体组织，正火区和不完全重结晶区马氏体发生分解，造成了硬度的降低。

(2) NM450耐磨钢匹配ER50-6焊丝焊接后，接头的抗拉强度为768 MPa，焊缝中心、热影响区和母材的-20 ℃冲击吸收功分别为110，140，88 J，满足标准要求。

(3) NM450耐磨钢的碳当量较高，有一定的冷裂纹敏感性，当匹配ER50-6焊丝，在环境温度32.6 ℃、不预热焊接时不会产生裂纹；在环境温度-1.4 ℃、不预热焊接时，接头根部裂纹率和截面裂纹率均为100%，而经80 ℃预热焊接后不会产生焊接裂纹。

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