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18Ni系马氏体时效钢补焊材料与工艺研究

蔡啸涛  
【摘要】:18Ni系马氏体时效钢是以无碳(或超低碳)铁镍马氏体为基体,经时效处理后获得金属间化合物沉淀硬化的超高强度钢。该类钢种在固溶态下具有良好的成形性,在时效处理过程中尺寸变化很小,时效处理后具有高强韧性的特点。 18Ni系马氏体时效钢经常应用于舰船、飞机、海洋石油钻井平台等的关键性部位,承受高应力载荷并在腐蚀环境下工作,焊缝区域可能产生裂纹并导致一系列严重的问题。如何在紧急情况下对裂纹或局部破损进行补焊,便成为一个很有实际意义的研究课题。文章介绍了18Ni马氏体时效钢的焊接方法、焊接性,试制了一种用于补焊的焊条,研究了18Ni马氏体时效钢补焊焊条的焊接工艺和焊后热处理工艺,分析了合金元素对熔敷金属性能的影响并进行了焊接接头的力学性能试验。 国内外同类马氏体时效钢焊接材料分为手工电弧焊焊条、实心焊丝加合金粉末和药芯焊丝埋弧堆焊等,主要用于金属模具表面堆焊。马氏体时效钢焊接性良好,主要的焊接方法有钨极氩弧焊、熔化极气体保护焊、电子束焊、电阻电焊等,与焊条电弧焊相比,焊接质量较高。关于18Ni系马氏体时效钢补焊焊条的研究较少,然而焊条电弧焊具有设备简单、方法简便灵活、适应性强、适合各种空间位置及不规则的焊缝等优点,是较为理想的补焊方法,因此该类焊条具有一定的发展潜力和应用前景。 本文研制的18Ni系马氏体时效钢补焊焊条工艺性能优良,焊接时飞溅小,焊缝气孔敏感性低;堆焊试板的焊态熔敷金属硬度较低,为30~35HRC,时效后硬度有大幅度的提高,最高能达到54HRC以上;对接焊的焊缝熔敷金属化学成分、硬度值、抗拉强度、抗裂性基本达到国内外同类焊材的水平;试验结果表明用AT#型焊条进行现场补焊的方法是可行的。 新研制的焊条焊后的熔敷金属经过固溶处理后,组织分布更均匀,硬度值普遍低于焊态,经过时效后的硬度值有较大幅度的提高,且各部分硬度平均值相差不大。合适的固溶处理工艺为820℃×1h,最佳的时效处理工艺为500℃×3h。本文由于考虑到实际补焊中固溶处理的操作难度,因此采用焊态直接时效的热处理方法。 通过调整焊条中的Ti、Al、Mo合金元素含量,以期获得最佳的熔敷金属力学性能,通过研究发现:随着Ti含量的增加,堆焊层硬度也随着增大,在焊芯含Ti量为1.0%左右时,堆焊层硬度达到最大值,熔敷金属的抗拉强度随着Ti含量的增加不断提高,延伸率和冲击功先增大后减小;随着含Al量的增加,熔敷金属抗拉强度不断增大,延伸率和室温冲击功明显下降。 通过微观分析,证明研制焊条熔敷金属中起强化作用的主要是Ni_3Ti、Ni_3Al、Ni_3(Ti,Al)等金属间化合物。


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