超高碳钢的压焊顶锻技术探微及应用

摘要：文章介绍了超高碳钢（UHCS）的发展及国内外研究现状，对其应用领域进行了展望。通过实验，确定了主要工艺参数的最佳组合。测定了焊接接头的硬度、抗拉强度，并利用图像分析仪分析了焊缝及其热影响区的微观组织。

关键词：超高碳钢；顶锻压焊；顶锻变形；热模拟

中图分类号：TG316 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）12-0070-04

1 概述

超高碳钢的含碳量在1.0%～2.1%（质量分数，下同）之间，超过了传统高碳钢的含碳量。它的处理工艺与传统高碳钢不同，该钢在奥氏体化加热时需形变处理以获得较多的位错亚结构，完全奥氏体化淬火后经高温回火获得弥散球状渗碳体和铁素体基体。由于有大量的超细碳化物，在二次加热过程中碳化物将阻碍奥氏体晶粒长大，获得超细奥氏体晶粒。细小的奥氏体晶粒在不同的冷却条件下可获得所需的超细基体组织，如空冷可获得超细珠光体，淬火可获得超细马氏体。

由于采用传统方法制备出的超高碳钢具有极高的脆性，其工业化应用在过去一直被人们所忽视。然而近30年来的研究结果表明，当采用适当制备工艺使该材料获得超细铁素体（0.4～2.0μm）基体上分布着超细粒状渗碳体（0.2～1.0μm）组织，具有该组织的超高碳钢称为超细晶超高碳钢。该材料不仅在中、高温下具有高变形速率下的超塑性特性，还在室温下具有高达1000MPa以上的强度和高达35%左右的塑性，并且通过适当的热处理工艺还可使其硬度提高至HRC65～68以上。

晶粒细化是提高金属材料强度和韧性的有效方法之一，获得超细晶组织也一直是材料科技工作者梦寐以求的目标。研究发现，采取各种形变热处理工艺使超高碳钢的组织得到充分细化后，该钢除了具有高强度和一定的韧性之外，还具有良好的超塑性，从而大大拓宽了超高碳钢的应用前景。后来在1999年日本的K.Tsuzaki等人提出珠光体+淬火+回火的普通热处理工艺，这种不经过形变的普通热处理工艺被称为是制备超细晶超高碳钢最经济实用的

工艺。

2 国内外超高碳钢研究现状

20世纪70年代中期以来，斯坦福大学O.D.Sherby、美国Lawrence Livemore国家实验室和日本等国学者开展了一些研究，当采用适当制备工艺获得超细铁素体基体上分布着超细粒状渗碳体组织后，该材料不仅具有高的超塑性和良好的综合力学性能，而且利用其高温下良好的固态连接特性，还可与自身及其他金属材料（黄铜、铝青铜等）连接制备成新型高性能层状复合材料，具有较好的市场前景，而国内至今对其研究甚少。但史海生等人采用的具有快速凝固特点的喷射成形技术，制取的含3%Si的UHCS不仅具有优良的显微组织，同时还具有非常独特的超塑性。然而，限于喷射成形工艺自身的特点或设备上有待完善的原因，目前由喷射成形工艺获得的UHCS坯料中难免存在一些孔洞，还需要进行致密化处理才能愈合。

2.1 所有成分的超高碳钢在A1温度附近均具有超塑性

原因在于随着碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大。这种细小弥散分布的第二相质点可以有效阻碍超塑变形过程中基体组织的长大，故超高碳钢的超塑性属于细晶结构超塑性。合金元素对超高碳钢的超塑性具有重要的影响，首先表现在对铁-碳相图的影响。如硅的加入，共晶点和共析点都左移，而共晶和共析温度升高，使转变温度成为一个温度区间，扩大并稳定了两相区的温度范围，这对于超塑性变形是有利的。现有的一些研究结果表明，晶界滑移是超高碳钢超塑性的主要变形机制，晶格扩散以及位错滑移蠕变对超塑性起协调变形作用。

2.2 力学性能研究

UHCS作为结构材料有大的发展前景和市场。UHCS可被加工成锭、薄板和棒，并代替部分共析钢应用于耐磨件、工模具、汽车和铁轨等领域。在相同的组织条件下，如球化组织、珠光体、回火马氏体等，超高碳钢比共析钢具有更高的强度，且塑性也略有提高。因为随着碳含量的增加，通过热加工等工艺，可使组织进一步细化，从而提高UHCS的强度。UHCS比低碳钢、高强钢和双相钢具有更优良的室温力学性能。

通过热处理UHCS可获得不同的显微组织，如马氏体、回火马氏体、贝氏体、珠光体等。一般来说，晶粒越细，室温综合力学性能越好，例如，具有细小贝氏体组织的1.0C-1.5CrUHCS的抗拉强度为1.81GPa，伸长率为18%。对于马氏体组织，马氏体针叶的大小直接影响UHCS的力学性能。1.8C-1.6AlUHCS的原始组织为细小的球化组织，1000℃淬火时，大部分碳化物溶解，奥氏体晶粒迅速长大，所获得的马氏体也较粗大，这种组织虽然具有高的强度和硬度，但室温压缩塑性很差。当800℃淬火时，碳化物不溶解，可获得光镜下不可分辨的马氏体组织和亚微米尺寸的碳化物，该组织具有优良的室温性能：压缩应变为26%，断裂强度为4.69GPa。

3 选题意义及研究内容

超高碳钢良好的超塑性和高强度备受材料工作者的青睐，但也给焊接制造业提出了严峻的挑战，同时给焊接工作者带来了许多新的研究课题和方向。主要有：焊接热影响区的晶粒粗化与细化，局部软化与脆化，焊缝金属的纯化与细化以及焊接方法的选择与焊接工艺的改进等等。

通过小能量输入、高强匹配、焊接区组织结构调整以及母材/焊缝金属匹配等多种努力，已经在碳素钢板带材和螺纹钢中实现了超高碳钢的焊接工艺初步突破，如控制焊缝的组织实现强韧化。对400MPa级细晶钢，只要通过调整焊缝组织使其获得针状铁素体即可获得理想的强韧性。而对于800MPa级以上的超高碳钢，要实现焊缝金属与母材的等匹配较为困难。但尚需进一步努力在含碳量很高的超高碳钢中取得成功。

超高碳钢表现出的优良性质，值得材料界同行进一步深入研究，以使超高碳钢得到更广泛的工业化应用。关于UHCS的压焊顶锻行为的模拟研究尚未见报道，而且UHCS的压焊顶锻大量应用于轨道焊接，以期望UHCS能在轨道上获得应用，因此，有必要进行UHCS的压焊顶锻行为的模拟研究，并为其他超细晶超高碳钢零部件的焊接提供参考。

研究的主要内容包括：（1）选择焊接工艺参数，采用Gleebble热模拟试验机，对超高碳钢进行加压顶锻试验。（2）对焊接接头进行机械性能测试，检测焊接接头性能。（3）对接头的组织进行观察。

4 试验材料及试验方法

4.1 试验材料

4.1.1 UHCS的制备工艺。

UHCS的制备工艺主要有：

（1）炼钢工艺：设备：真空感应炉；配料：总质量50kg；原材料：C、Cr、Al、Si、Mn、Ti、Nb、Fe纯金属，V-Fe，S、P是杂质。钢锭直径约16cm，高25cm。

（2）锻造工艺：预处理：材料表面打磨（粗车），除去氧化皮、涂料。均匀化处理：分段加热，首先在500℃～600℃预热1h；再提高炉温至800℃～900℃加热1h；然后再提高炉温至1100℃～1150℃加热1h。锻造：连续锻造成50×50mm方坯。温度低时可加热。

（3）轧制工艺：方坯在炉内分段加热至1000℃～1150℃，取出连续轧制10～12道次，至直径12mm，终轧温度750℃～800℃。

（4）球化退火工艺：第一，炉内温度812℃，装炉，约12min回升到812℃，总加热时间约40min；第二，1℃/min冷却到750℃；第三，出炉空冷。

4.1.2 UHCS的化学成分及组织。

实验材料为UHCS，试样尺寸为mm圆柱体。

UHCS化学成分如表1所示：

在碳素钢中加入合金元素后可以改善钢的使用性能，使合金钢得到许多碳钢所不具备的优良的或特殊的性质。在钢中经常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Al、Co、B等。它们以以下四种形式

存在：

（1）溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在。

（2）形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物等。

（3）形成非金属夹杂物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。故加入Mn元素或其他合金元素，如Si、Al、Mo、Ni、Cr等来减小S、P的有害

作用。

（4）有些元素如Pb、Cu等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游离状态存在。在高碳钢中有时也以自由状态（石墨）存在。

碳是超高碳钢中的基本元素。研究表明，渗碳体之间的间距越小，屈服强度就越高。渗碳体是硬脆相，在超高碳钢中主要起第二相强化作用，但当碳含量大于1.0%时，钢中便有明显的网状渗碳体形成，网状渗碳体的存在，导致强度、塑性韧性均明显下降，而且当碳含量高于1.8%时网状渗碳体的消除就比较困难，从这个角度讲，超高碳钢的含碳量应取在1.8%以下，故本材料符合要求。

硅具有明显的石墨化作用，因此在添加硅的同时还应添加抑制石墨化的元素，如铬等。Cr元素具有在一定温度和变形条件下促进珠光体球化的作用，适当增加Cr元素含量，对抑制石墨化及稳定组织有利。但含铬钢强度高塑性低，而且含铬量大于2%时，材料加工、成形性变差。所以，含铬量不能超过2%。

铝也是铁素体形成元素，超高碳钢中添加铝的目的在于：提高A1温度和改善制备工艺。含Al的超高碳钢具有良好的抗氧化性能，在1200℃温度下长时间保温仍未有氧化膜生成。而且在抑制石墨化和抗氧化方面Al比Si更有效。因此，本试验材料铝的含量较高，满足要求。

4.2 试验方法

本试验采用Gleeble 1500热模拟实验机。该设备由计算机控制系统、温度控制系统和动力控制系统三大部分组成。其中计算机控制系统是Gleeble 1500D物理模拟试验机的核心部分，用以控制实验要求的加热条件和加载条件，如加热温度、加热速度、冷却方式以及加载压力等。温度控制系统采用电阻加热方式加热，温度控制精度可达±1℃。动力控制系统用来控制加载，可以完成多种工艺实验和力学实验，如锻造、轧制、拉伸和压缩等过程模拟。此外，设备配有数据采集系统，可以同时采集试样的温度、真实应变、应变速度等数据，实验完成后，数据用Origin软件输出，数据的后续处理功能强大。

可实现实验种类：

4.2.1 过程模拟。热轧工艺模拟、连铸工艺模拟、锻造工艺模拟、对焊工艺模拟、焊接热影响区模拟、热处理工艺模拟。

4.2.2 实验类型。常温拉伸/压缩实验、高温拉伸/压缩实验、热疲劳、热/机疲劳、高温热塑性曲线、真应力/真应变曲线、CCT曲线。

4.2.3 基础材料研究。扩散、熔化及控制固化、应力松弛、再结晶、加工硬化、冻结显微组织等。硬度测量在维氏硬度计上进行。接头的抗拉强度在精密万能试验机上进行，其型号为AG-I250KN。显微组织分析采用图像分析仪，型号为IAS-4。

4.3 焊接方法及焊接工艺参数的选择

4.3.1 焊接方法的选择。为获得与母材相匹配性能的焊接接头，需要进行焊接材料、焊接方法及焊接工艺的合理选择。众所周知，随着碳及合金元素的增加往往会给钢的焊接带来不利的影响，而不同钢种所出现的焊接性问题又不尽

相同。

本试验用的是超高碳钢，含碳量很高，普通电弧焊接过程容易产生一系列问题，使焊接过程难以进行，且焊后容易留下焊接缺陷。另外，本试验材料通过球化退火，其组织为超细珠光体+球状碳化物，晶粒极度细小，焊接时会出现严重的晶粒长大倾向，晶粒长大不仅会造成焊缝及焊接热影响区（HAZ）脆化，而且焊接的热作用还会导致HAZ的软化。由于焊接性问题的出现，往往会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏。为了解决这一问题，需要采用高能量密度热源低热量输入的焊接方法进行快速焊接，使焊接热影响区变窄，减小软化区宽度，有利于防止软化引起的接头力学性能的降低。但就目前的研究现状来看，国内外有关超高碳钢的压焊顶锻行为的研究报道很少，利用电阻热加热这些接触点，使金属端面熔化，直至端部在一定深度范围内达到预定温度时，迅速施加顶锻压力完成焊接。因此，采用电阻加热方式进行焊接模拟，具有极强的热应力应变模拟功能，而且不需要焊材，不开坡口，还避免了选取焊材难与母材性能匹配的问题，完全适合超高碳钢的焊接。

4.3.2 焊接工艺参数的选择。焊接工艺参数的选择如表2所示：

表2 焊接工艺参数

参数方案加热峰值温度/℃ 加热速度/℃/s 顶锻量/cm 顶锻速度/cm/s 试样号

11000 250 6 2 1#

21100 250 8 3 2#

31200 250 10 4 3#

以方案3的参数预焊一对（不做热处理）作为4#试样，与1#、2#、3#试样（经过热处理）作比较。采用制备好的Φ8mm×60mm的棒料，用砂纸将棒料端面打磨光亮。在试验过程中计算机记录试样加热温度、时间、顶锻量和应力变化情况。将1#、2#、3#试样进行热处理，用热处理加热炉加热至770℃保温3h，炉冷至550℃，然后空冷。

4.3.3 试验方案，本试验方案如下：选择焊接工艺参数、采用焊接超高碳钢-超高碳钢、对焊缝进行热处理、焊接接头进行机械性能测试、焊接接头的组织观察。

5 超高碳钢的压焊顶锻行为的模拟

5.1 接头的机械性能

5.1.1 接头的抗拉强度。

第一步：热处理前、后焊接接头的抗拉强度的拉伸数据比较。

通过拉伸试验所得比较数据。结果表明：热处理过的3#试样的抗拉强度明显高于未热处理的4#试样。

第二步：热处理后焊接接头的拉伸数据比较。

2#试样的拉伸强度最高，最大载荷达到30kN（折算应力大约为184.349MPa），说明按第（2）方案的工艺参数焊接所得的焊接接头在热处理后性能最好。

5.1.2 接头的显微硬度。

通过力学性能测试，不难发现2#试样的力学性能最好，因此以第（2）方案，即加热峰值温度为1100℃，加热速度250℃/s，顶锻量为8cm，顶锻速度为3cm/s；再焊一组试样，记作5#材料。焊完以后进行热处理：热处理方法如上。然后沿试样与焊缝的交叉方向线切割，使焊缝外露。在初磨以后采用维氏硬度计测定硬度：从一侧穿过焊缝区至另一侧进行硬度测试。

5.1.3 焊接工艺参数分析。

本实验焊接过程是利用电阻热加热材料被焊端面使其迅速加热到熔化状态，然后通过施加压力快速将两者对焊到一起完成焊接。因此，采用电阻加热方式进行焊接模拟，具有极强的热应力应变模拟功能，在焊接时两个焊接材料熔合区所受的热/力条件相同。在焊接过程中焊接参数的选择会给焊接带来不同程度的影响。现通过分析压焊加热峰值温度、加热速度、顶锻量、顶锻速度等参数，研究顶锻参数匹配关系与焊瘤形貌特征。

通过力学性能测试，初判顶锻参数的匹配效果。

1#焊接接头：表面良好，力学性能较差，其原因是加热温度太低，原材料两个表面不能达到溶化状态，且顶锻量太少，以致不能完全焊上，顶锻参数匹配效果不好。

2#焊接接头：表面良好，力学性能良好，顶锻参数匹配效果良好。

3#焊接接头：表面有毛刺，力学性能一般，其原因是加热温度过高，以致原材料两端面溶化过多，且顶锻量和顶锻速度太大，以致瘤根部的金属流线弯曲分层严重，热裂纹、疏松等缺陷较多，顶锻参数匹配效果不好。

因此，试验范围内最佳的顶锻参数为2#焊接接头，即加热峰值温度为1100℃，加热速度250℃/s，顶锻量为8cm，顶锻速度为3cm/s。

5.2 焊缝组织观察

选取拉伸性能较好的方案所处理后得到的5#试样，在测完其硬度以后，先在砂纸上磨平表面，接着在抛光机上抛光，再利用4%的硝酸酒精溶液腐蚀磨面，最后在图像分析仪上观察焊缝及近缝区的组织。

超高碳钢在A1温度附近均具有超塑性。原因在于随着碳含量的增加，第二相碳化物的比例增大，通过适当工艺处理进一步细化晶粒，这种细小弥散分布的第二相质点可以有效阻碍超塑变形过程中基体组织的长大，故超高碳钢的超塑性属于细晶结构超塑性。

首先是焊缝比较完整、平齐、外观良好；其次发现垂直于焊缝方向有一条黑色区域。

初步分析，形成的原因如下：在实验过程中，温度峰值达定为1100℃，实际温度峰值波动最大值为1106℃。含碳量为1.58%的超高碳钢为固相，故试样端部不会被熔化，但此时又受到外力的挤压，外观上焊缝附近出现局部变形，内部组织则在拉应力的作用下发生不均匀的变化，因此产生了与原始组织不同的黑色区域。除了外力的作用，超高碳钢本身所具有的超塑性也是成因之一。

进一步分析，既然1106℃下超高碳钢不处于熔化状态，因此焊缝组织变化不大的黑色区域为超高碳钢的原始组织，而呈细带状的白色部分为被拉伸了的原始组织。

最终分析，焊接用的试样为圆柱钢锭，在焊接过程中，试样被快速加热到1106℃，由于材料本身具有散热性，散热效果由圆柱壁向轴心逐渐降低，致使由轴心向外壁产生一个逐渐降低的温度梯度，当外壁为1106℃时，内部温度会稍高一点，这也是3#试样在预定峰值温度为1200℃（实验峰值温度为1301℃）时熔化烧损的原因。正是这个因素，导致了试样轴心部位的组织的流动性比外部的好，在顶锻焊接时加入了一个顶锻力，在力的作用下，又因为超高碳钢具超塑性，因此原始组织被拉伸，呈现大量超细均匀分布的珠光体的带状分布，这也是导致显微硬度在焊缝区明显高于母材的直接原因。

6 结语

研究结果表明，最佳工艺参数组合是：加热峰值温度为1100℃，加热速度250℃/s，顶锻量为8cm，顶锻速度为

3cm/s。焊后其焊缝硬度可达到HV254.3左右，接头硬度不低于母材，焊接热影响区（HAZ）未出现软化。焊后拉伸强度达到184.349MPa。焊缝热影响区的组织为珠光体+铁素体，其中珠光体为呈超细均匀分布的，硬度高于母材，铁素体部分呈针状分布。

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作者简介：高守稳（1983—），男，河南濮阳人，中原油田采油一厂电焊技师，助理经济师，研究方向：电气焊的操作和应用。

（责任编辑：文 森）