CN112222677A

CN112222677A - 低合金耐磨钢nm360用焊材及焊接方法

Info

Publication number: CN112222677A
Application number: CN202010980770.2A
Authority: CN
Inventors: 邓建军; 姚宙; 刘红艳; 陈子刚; 张义春; 许用会; 于光远; 冯超
Original assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Co Ltd Handan Branch
Current assignee: Handan Iron and Steel Group Co Ltd; HBIS Group Hansteel Co; HBIS Co Ltd Handan Branch
Priority date: 2020-09-17
Filing date: 2020-09-17
Publication date: 2021-01-15

Abstract

本发明公开了一种低合金耐磨钢NM360用焊材及焊接方法，其化学成分组成及其质量百分含量为：C 0.08%～0.12%、Si 0.5%～1.0%、Mn 1.5%～1.9%、P≤0.006%、S≤0.006%、Al 0.010%～0.050%、Cr 0.3%～0.80%、Mo 0.4%～0.8%、Ni 2.0%～3.0%、Cu 0.1%～0.3%、Ti 0.020%～0.030%，余量为Fe和不可避免的杂质。本焊材保证了焊接接头强度、硬度和耐磨性同母材相近，同时焊缝具有良好的韧性，而且焊后不需热处理；具有焊缝强度高、耐磨性好等特点。本方法在不增加焊后热处理的前提下，满足了焊缝强度、硬度和耐磨性同母材相近的要求，同时又保证了焊缝金属具有良好的韧性；采用本方法生产的焊接接头具有良好的力学性能，焊缝强度、硬度和耐磨性同母材相近，同时焊缝具有良好的冲击韧性和冷弯性能。

Description

低合金耐磨钢NM360用焊材及焊接方法

技术领域

本发明属于钢铁材料焊接领域，尤其是一种低合金耐磨钢NM360用焊材及焊接方法。

背景技术

压路机振轮目前主要采用Q355低合金钢板辊压圈圆焊接后成型，在实际使用过程中存在强度偏低、使用过程易变形、耐磨性差、使用寿命短等问题。工程机械制造商使用强度和耐磨性良好的耐磨钢NM360替代Q355进行压路机振轮制造，但在实际试验过程中经常会出现焊缝强度和硬度偏低、焊缝同母材强韧性不匹配、焊缝耐磨性差等问题，尤其是耐磨钢辊压圈圆焊接后进行圆整时，由于焊缝强韧性低于母材，容易在焊缝和热影响区处发生变形和开裂。

专利申请号为 201410489275.6的中国专利申请公开了一种NM400耐磨钢的焊接方法，其采用焊材强度远低于母材的ER50-6进行焊接，但这样缝强度仅为525～540MPa，远低于母材强度（母材强度≥1200MPa），焊缝耐磨性差。专利申请号为201110002830.4的中国专利申请公开了一种高强度耐磨钢富氩混合气体保护焊接方法，其采用焊材强度较高但低于母材的BHG-3进行焊接，这样焊缝强度达到了845～850MPa，但焊缝强度仍低于母材强度（母材强度≥1200MPa），焊缝耐磨性一般。专利申请号为201910123663.5的中国专利申请公开了一种厚度大于25mm的高Ti耐磨钢板的焊接工艺，将耐磨钢焊接采用低强匹配的焊材、焊后进行热处理，这样不仅焊缝强度低，而且生产成本较高。

从上可以看出，由于低合金耐磨钢NM360属于低合金马氏体钢，碳当量、强度和硬度较高，具有高的淬硬倾向、较大的热裂纹敏感性和冷裂倾向，国内耐磨钢在实际焊接过程中采用低强匹配焊材或焊后热处理的方法来避免焊接缺陷。这样做虽然可以避免焊接裂纹的产生，但焊接接头强度和焊缝耐磨性无法保证，而且焊后需热处理，生产成本较高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种焊缝良好耐磨性的低合金耐磨钢NM360用焊材；本发明还提供了一种低合金耐磨钢NM360的焊接方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的化学成分组成及其质量百分含量为：C0.08%～0.12%、Si 0.5%～1.0%、Mn 1.5%～1.9%、P≤0.006%、S≤0.006%、Al 0.010%～0.050%、Cr 0.3%～0.80%、Mo 0.4%～0.8%、Ni 2.0%～3.0%、Cu 0.1%～0.3%、Ti 0.020%～0.030%、H≤3ppm、N≤80ppm、O≤30ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。

本发明所述焊材中含量为：H≤3ppm、N≤80ppm、O≤30ppm。

本发明所述焊材焊接后的焊缝显微组织为马氏体。

本发明中重要成分的选择原理如下：

C：碳是提升淬透性和耐磨性的关键元素，在焊丝中必不可少。耐磨钢合金含量较多，碳含量较高，碳与母材中的Nb、Ti、Cr等合金元素相结合形成合金碳化物，影响焊缝韧性，而且间隙碳原子也是焊接热裂纹产生的主要因素。所以要求焊丝尽量低碳，但碳含量过低时，焊缝强度和耐磨性无法保证。

Cr：铬在焊接过程中可以显著提升焊缝强度和耐磨性的同时韧性下降较小；铬也可以一定程度上降低固溶体堆垛层错能，使焊缝强度明显提高；铬还可以产生微米级细小的高硬度的碳化物，提高焊缝的强度和耐磨性；但铬含量不宜太高，否则易形成金属间化合物，降低焊缝韧性。

Mo：钼元素在焊接过程中可以快速熔入焊缝，以碳化物的形式存在，提高焊缝的淬透性，细化焊缝组织；钼可以在焊缝冷却时，提升焊缝组织的稳定性。但钼是贵重金属，不宜添加过多。

Ti：在焊缝中钛可以形成细小的碳氮化物,在组织中起到钉扎位错作用，增加强度和耐磨性，但钛不宜太多，否则形成的大尺寸的氮化钛影响耐磨钢的韧性。

Ni：镍在焊缝相变过程中可以稳定并扩大奥氏体相，而奥氏体相能吸收部分应变能，提高焊缝韧性；镍可以降低焊缝韧脆转变温度温度，但镍属于贵金属，不宜添加过多。

N、H和O：焊缝中溶入过量的氮和氧时，氮和氧会优先和母材熔入焊缝中的B结合形成无效的BN和B₂0₃降低焊缝的塑韧性；氮与母材中的合金元素结合，形成的合金氮化物很容易与基体结合界面产生微米级的裂纹，降低焊缝韧性；氢是焊接接头中萌生延迟裂纹的重要因素,扩散氢含量较高，在缺陷处汇集成一定浓度的扩散氢，造成非常大的局部压力，并与钢发生组织转变时的局部内应力相结合，致使钢材的韧性下降，产生“氢脆”；因此对氢含量有严格要求。

本发明方法采用上述的焊材，其工艺为：采用混合气体保护焊进行焊接。

本发明方法所述焊接过程中，预热温度为80～120℃，层间温度控制为150～180℃，焊接热输入为7.68～9.9kJ·cm^-1。

本发明方法所述焊接过程中，焊接电流为200～260V，焊接电压为24～28V，焊接速度为30～35cm/min。

本发明方法中，焊接参数的选择原理如下：

预热温度：焊接冷裂纹形成的主要原因有材料的淬硬倾向、焊缝金属扩散氢含量和焊接拘束应力三个方面，耐磨钢NM360合金元素较多，具有高的淬硬倾向和冷裂倾向。发明人对低合金耐磨钢NM360进行斜Y型冷裂纹敏感试验，结果表明：为了防止冷裂纹产生，钢板厚度为20～35mm的预热温度为80～120℃。

层间温度：低合金耐磨钢NM360碳当量高、焊丝、母材合金元素含量多，为了保证焊接接头强度同母材相匹配，焊接接头显微组织为马氏体组织，焊缝冷裂倾向较大。如果层间温度过高，会造成马氏体组织粗大，焊缝塑韧性降低；在多层多道焊时，后道焊缝对前道焊缝有着相当于回火的作用，如果层间温度偏低，回火作用不明显，导致焊缝性能达不到预期。

焊接热输入：焊接热输入较低时，焊接过程中电弧不稳定，焊缝区金属冷却速度快，易形成粗大的淬硬组织，导致焊缝韧性变差；当焊接热输入过高时，熔合比过大，焊缝区合金元素含量下降，晶粒粗大，降低了焊缝区的韧性。因此合理的焊接热输入可以使焊缝韧性增强、强度提高、变形减小、残余应力降低、热影响区变窄。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明为低合金耐磨钢NM360设计一种等强匹配的焊材，对焊材的气体成分提出要求，保证了焊接接头强度、硬度和耐磨性同母材相近，同时焊缝具有良好的韧性，而且焊后不需热处理。本发明具有焊缝强度高、耐磨性好等特点。

本发明方法本发明在不增加焊后热处理工序的前提下，针对低合金耐磨钢设计出焊材成分和与之相匹配的焊接工艺，满足了工程机械制造领域针对低合金耐磨钢焊缝强度、硬度和耐磨性同母材相近的要求，同时又保证了焊缝金属具有良好的韧性，避免了目前焊缝存在的焊接接头强度偏低、焊缝耐磨性差的问题；所得焊缝的强度高、耐磨性好。采用本发明方法生产的焊接接头具有良好的力学性能，焊缝强度、硬度和耐磨性同母材相近，同时焊缝具有良好的冲击韧性和冷弯性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为实施例1所得焊缝显微组织图（500倍）；

图2为实施例2所得焊缝显微组织图（500倍）；

图3为实施例3所得焊缝显微组织图（500倍）；

图4为实施例1所得焊缝显微组织图（500倍）；

图5为实施例2所得焊缝显微组织图（500倍）；

图6为实施例3所得焊缝显微组织图（500倍）；

图7为耐磨钢NM360母材显微组织图（500倍）。

具体实施方式

实施例1-6：本低合金耐磨钢NM360的焊接方法采用下述焊材和工艺过程。

（1）所述耐磨钢NM360的化学成分组成及其质量百分含量为：C 0.10%～0.15%、Mn0.5%～1.5%、Nb 0.010%～0.030%、P≤0.005%、S≤0.005%、Cr 0.3%～0.6%、Ti 0.01%～0.03%、Mo 0.15%～0.30%，余量为Fe和不可避免的杂质。

所述焊材的化学成分组成及其质量百分含量为：C 0.08%～0.12%、Si 0.5%～1.0%、Mn 1.5%～1.9%、P≤0.006%、S≤0.006%、Al 0.010%～0.050%、Cr 0.3%～0.80%、Mo0.4%～0.8%、Ni 2.0%～3.0%、Cu 0.1%～0.3%、Ti 0.020%～0.030%，余量为Fe和不可避免的杂质，其中气体含量H≤3ppm、N≤80ppm、O≤30ppm。各实施例采用的焊丝化学成分组成见表1。

表1：各实施例采用的焊丝化学成分（wt）

（2）选用两块材质、硬度相近的耐磨钢板NM360边部进行焊接，接头形式为对接，钢板厚度为20～35mm；采用体积比80%Ar+20%CO₂的混合气体保护焊。混合气体保护焊的坡口采用非对称的X型坡口，坡口角度40～70°、最好为60°，坡口无间隙，无钝边；接头形式为对接。

（3）焊接前对焊缝20～30mm范围内进行清扫，保证干净无油污、锈蚀；焊接前对焊缝周围200～500mm范围内进行预热，预热温度为80～120℃；预热温度达到要求后即进行采用多道次连续焊接，中途不停止，以保证层间温度高于预热温度，层间温度控制为150～180℃。

焊接工艺参数为：焊接电流为200～260V，焊接电压为24～28V，焊接速度为30～35cm/min，焊接热输入为7.68～9.9kJ·cm^-1。各实施例的焊接工艺见表2。

表2：各实施例的焊接工艺

（4）图1-6分别为实施例1-6所得焊缝显微组织图（500倍），由图可见，其焊缝显微组织为马氏体；与图7所示耐磨钢NM360母材显微组织图（500倍）的金相组织一致。焊接接头抗拉强度为1009～1055MPa，在焊缝处断裂；焊缝硬度为390～396HV；热影响区硬度为366～375HV；焊缝-20℃冲击功≥58J，热影响区-20℃冲击功≥101J；焊接接头冷弯d=9a，角度为90°，试样宽度为35mm，冷弯合格。各实施例所得焊接接头的力学性能见表3。

表3：各实施例所得焊接接头的力学性能

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Claims

1.一种低合金耐磨钢NM360用焊材，其特征在于，其化学成分组成及其质量百分含量为：C 0.08%～0.12%、Si 0.5%～1.0%、Mn 1.5%～1.9%、P≤0.006%、S≤0.006%、Al 0.010%～0.050%、Cr 0.3%～0.80%、Mo 0.4%～0.8%、Ni 2.0%～3.0%、Cu 0.1%～0.3%、Ti 0.020%～0.030%、H≤3ppm、N≤80ppm、O≤30ppm，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的低合金耐磨钢NM360用焊材，其特征在于，所述焊材中含量为：H≤3ppm、N≤80ppm、O≤30ppm。

3.根据权利要求1或2所述的低合金耐磨钢NM360用焊材，其特征在于：所述焊材焊接后的焊缝显微组织为马氏体。

4.一种低合金耐磨钢NM360的焊接方法，采用权利要求1、2或3所述的焊材，其特征在于：采用混合气体保护焊进行焊接。

5.根据权利要求4所述的低合金耐磨钢NM360的焊接方法，其特征在于：所述焊接过程中，预热温度为80～120℃，层间温度控制为150～180℃，焊接热输入为7.68～9.9kJ·cm^-1。

6.根据权利要求4或5所述的低合金耐磨钢NM360的焊接方法，其特征在于：所述焊接过程中，焊接电流为200～260V，焊接电压为24～28V，焊接速度为30～35cm/min。