貝氏體釬鋼摩擦焊接部組織和性能的研究

程巨強，劉志學(xué)，張琢，昝瑛磊

（西安工業(yè)大學(xué)材料與化工學(xué)院，陜西西安710032）

摩擦焊接作為一種固態(tài)焊接方法，在材料的成形方面愈來愈受到人們的關(guān)注。與傳統(tǒng)焊接方法比較，摩擦焊連接具有如下優(yōu)點[1]：焊件準(zhǔn)備容易，自動化程度高，成本低；焊接過程清潔，無煙霧，無消耗性材料；能產(chǎn)生鍛制質(zhì)量的焊接接頭等。摩擦焊可用來焊接幾乎所有的材料之間的連接，目前，摩擦焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用到石油機械[2-4]、管道施工[5]、汽車工業(yè)[6]等方面。本文研究貝氏體鋼和20CrNi3Mo摩擦焊焊接接頭的組織和力學(xué)性能，為貝氏體鋼的實際應(yīng)用提供試驗數(shù)據(jù)。

1 實驗過程條件及其過程

實驗材料為研制的一種新型貝氏體中空鋼，摩擦焊焊接材料20 CrNi3Mo中空鋼，摩擦焊后對焊接接頭試樣進(jìn)行線切割，制備所需的力學(xué)性能試樣，焊接接頭顯微硬度測量采用420MVD維氏硬度儀，接頭的組織觀察采用EPIPHOT-300型光學(xué)顯微鏡，組織的腐蝕液采用4%的硝酸酒精溶液。摩擦焊材料的狀態(tài)為高溫回火，摩擦焊后空冷，接頭的熱處理工藝920℃空冷+200℃回火。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 摩擦焊接接頭的力學(xué)性能

表1是母材和摩擦焊后試驗材料熱處理的力學(xué)性能測試結(jié)果。圖1是摩擦焊后試樣拉斷后照片。從表1可以看出，摩擦焊后焊接接頭的強度不低于母材的抗拉強度，延伸率和端面收縮率略有下降，但下降幅度不大，摩擦焊后焊接接頭具有良好的力學(xué)性能。從圖1摩擦焊后試樣斷裂照片可以看出，焊接接頭斷裂位置不在焊縫區(qū)而在母材上（圖1a），說明摩擦焊焊縫接強度大于母材強度，接頭焊接良好，從圖1b可以看出，焊縫附近有明顯頂鍛的流線分布。

表1 貝氏體鋼母材及其摩擦焊焊接接頭的力學(xué)性能

圖1 摩擦焊力學(xué)性能試樣及其接頭取樣

圖2是摩擦焊焊后焊縫顯微硬度測試結(jié)果?？梢钥闯?，高溫回火狀態(tài)的貝氏體中空鋼和20CrNi3Mo中空鋼摩擦焊后焊接接頭顯微硬度，焊縫硬度最高，基體硬度降低，出現(xiàn)這樣的硬度分布與摩擦焊后接頭的溫度較高，焊后空冷相當(dāng)于正火處理，使焊縫金屬產(chǎn)生貝氏體，焊縫硬度升高，而遠(yuǎn)離摩擦焊焊接接頭的母材還是高溫回火狀態(tài)，因此硬度較低。

圖3是摩擦焊后正火低溫回火摩擦焊焊接接頭顯微硬度分布曲線。從圖中可以看出，摩擦焊后進(jìn)行熱處理焊接接頭的硬度和母材基本一致。硬度分布的原因是摩擦焊后試樣進(jìn)行了正火熱處理，通過正火熱處理后，焊接接頭和母材組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和貝氏體鐵素體及奧氏體組織，接頭硬度趨于均勻。

圖2 摩擦焊后不熱處理接頭顯微硬度分布

圖3 摩擦焊后正火低溫回火接頭顯微硬度分布

2.2 摩擦焊接接頭的組織分析

圖4是摩擦焊后未熱處理焊接接頭及其金相組織。摩擦焊后未熱處理焊接接頭，左邊區(qū)為貝氏體鋼部分，右邊區(qū)為20CrNi3Mo材料，和熱處理后焊接接頭（圖1b）相比較，焊縫及其熱影響區(qū)明顯，焊縫組織主要為板條狀馬氏體和貝氏體組織（圖4b），摩擦焊接頭貝氏體鋼熱影響區(qū)（圖4c）組織為索氏體和部分貝氏體組織，基體組織（圖4d）為高溫回火索氏體組織。20CrNi3Mo熱影響區(qū)組織（圖4e）為貝氏體和馬氏體組織，20CrNi3Mo母材組織（圖4f）為高溫回火組織。

圖4 摩擦焊后未熱處理的金相組織

圖5是摩擦焊后正火回火熱處理的金相組織。熱處理后焊接接頭兩邊組織襯度明顯（圖5a），深色的一邊為貝氏體鋼材料，淺色一邊為20CrNi3Mo材料，從圖看出焊縫結(jié)合良好，熱處理后焊縫組織主要為板條狀馬氏體和貝氏體組織（圖5b），摩擦焊接頭貝氏體鋼熱影響區(qū)（圖5c）和基體組織（圖5d）為貝氏體組織。20CrNi3Mo熱影響區(qū)組織（圖5e）和母材組織（圖5f）為貝氏體和馬氏體的混合組織，熱處理后兩種材料熱影響區(qū)和基體組織差別不大。

3 結(jié)論

圖5 摩擦焊后正火回火熱處理的金相組織

（1）摩擦焊后不熱處理焊縫區(qū)金屬組織主要為板條狀馬氏體和貝氏體組織，熔合區(qū)熔合線不明顯，結(jié)合良好。焊接接頭硬度分布焊縫硬度最高，熱影響區(qū)其次，母材硬度最低。

（2）摩擦焊后正火熱處理焊縫區(qū)組織主要為板條狀馬氏體和貝氏體組織，焊縫明顯，結(jié)合良好。焊接接頭硬度分布均勻，焊縫部分和基體硬度變化不大，貝氏體鋼焊接接頭組織與基體一致主要為貝氏體組織，20CrNi3Mo接頭組織和基體組織均為馬氏體和貝氏體組織，摩擦焊后獲得的力學(xué)性能為σb=1351 MPa，δ=11%，ψ=43%，強度高于基體材料的強度，塑性指標(biāo)略有降低，但降幅不大。摩擦焊后貝氏體和20CrNi3Mo焊接接頭熱處理后具有良好的強韌性。

[1]齊少安，劉承東.摩擦焊接及其工藝發(fā)展[J].機械制造，2003，11：24～27.

[2]張忠信，朱海，吳則中等.摩擦焊在石油機械制造業(yè)中的應(yīng)用[J].石油礦場機械，1998，27（1）：4～8.

[3]崔蘭，張玉鳳，霍立興.空心抽油桿摩擦焊接頭強韌性控制[J].材料開發(fā)與應(yīng)用，1997，12（5）：20～24.

[4]毛信孚，傅莉，尚高鋒等.S135鉆桿的摩擦焊接、熱處理對其組織與性能的影響[J].航空材料學(xué)報，2004，24（1）：57～61.

[5]徐曉菱.石油天然氣管道焊接工藝現(xiàn)狀及徑向摩擦焊的應(yīng)用前景[J].焊管，1994，17（2）：11～16.

[6]范春義.摩擦焊接工藝在全浮式汽車半軸制造中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù)，1997，3：33～34.