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HPb59-1/Q345R的爆炸焊接试验研究

2020-09-17

张越举,赵恩军,唐凌韬,刘  超,常  

(大连船舶重工集团爆炸加工研究所有限公司,辽宁 大连  116023

 

  要:本文采用试验的方法,对HPb59-1铅黄铜与Q345R钢板进行了爆炸焊接试验。通过试验发现,HPb59-1铅黄铜存在特殊的爆炸焊接特性,它与Q345R的爆炸焊接窗口比紫铜的要窄,且存在严重的爆炸加工硬化[1]倾向,复合材料界面附近的HPb59-1金相组织以β相为主。通过采用由特殊配方制成的专用炸药,可获得结合率达到100%的复合材料,复合材料经热处理后检验其力学性能,界面剪切强度达到235 MPa,粘结强度达到337 MPa。热处理后的复合材料界面附近HPb59-1金相组织转变为α+β组织。

关键词:爆炸焊接;铅黄铜;金相组织;热处理;界面强度

 

 

HPb59-1是含铅量为1%α+β两相复杂铜合金。因铅在铜锌合金中的溶解度为非常低,所以铅在合金中呈游离质点分布在晶界和晶内,既有润滑作用,又能使切屑成崩碎状,可提高黄铜的切削性和耐磨性,故HPb59-1铅黄铜被选为理想的轨道材料。由于铅黄铜具有良好的流动性,因此具有较好的铸造特性,所以以往的轨道铜/钢复合材料采用离心铸造工艺[2]加工。但铸造的铅黄铜存在着晶粒粗大、内应力、成分偏析等铸造工艺的一般缺陷问题。相比轧制制造的HPb59-1板材,其微观组织和材料的综合力学性能要差。为了获得微观组织和综合力学性能良好的铜/钢复合轨道材料,我们采用爆炸焊接工艺[3]进行了多次试验研究,获得了性能优良的HPb59-1/Q345R复合材料。

试验材料

爆炸焊接用HPb59-1铅黄铜板材状态为退火态(M),其化学成分及力学性能见表1所示。

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爆炸焊接用Q345R的状态为正火态(N),其化学成分及力学性能见表2和表3所示。 

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试验用的HPb59-1铅黄铜板的厚度×宽度×长度=数量具体如下:

4 mm×200 mm×400 mm=44 mm×400 mm×2000 mm=1

试验用的Q345R钢板的厚度×宽度×长度=数量具体如下:

20 mm×200 mm×400 mm=420 mm×400 mm×2000 mm=1

爆炸焊接试验

按照文献资料所给铜钢爆炸焊接的可焊性窗口[4](图1),采用计算的方法,按照炸药用量、炸药爆轰速度[5]以及飞板与基板间的距离,在爆炸焊接窗口的中间部位(A点)进行爆炸焊接试验[6]。当采用常规的爆炸焊接专用炸药时,我们获得了如图2所示的爆炸焊接结果,即炸药爆炸后,HPb59-1铅黄铜板并没有与Q345R钢板焊接在一起,但HPb59-1铅黄铜板复合面一侧出现了规律性的波纹。这是爆炸焊接金属复合板界面上常见的波状特征。同时,我们在基板上观察到同样的波状特征,但在基板Q345的波状表面有一层HPb59-1的物质均匀覆盖在其上。


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考虑到HPb59-1属于复杂铜合金,与文献所给铜合金材料存在一定差异,并结合我们在特殊异种金属爆炸焊接所掌握的规律,将炸药量进行了增加,并将爆炸焊接参数点选在B点,爆炸焊接后的结果见图3所示。

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由图2和图3可知,提高炸药量方法对HPb59-1/Q345R材质的组合是达不到良好复合的。爆炸焊接经验表明,某些材料组合的复合板爆炸焊接时,对炸药组成特点较为敏感,需要专门针对其组合进行炸药各组分的调整,因此,我们通过采用特殊配方的炸药,并调整各组分的质量含量,使炸药的爆速和密度适合HPb59-1/Q345R材质组合的爆炸焊接。爆炸复合后的结果如图4所示。

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3  复合板的热处理及性能检测

对复合材料的外弯曲试验表明,爆炸焊接后的HPb59-1材料具有很强的冷加工硬化效应,即在弯曲角度不足20°的条件下,HPb59-1复层就发生了断裂(图5)。金相组织显示(图6),HPb59-1中存在大量的相成分,β相是硬脆组织。一般地,爆炸焊接后的复合材料均需要进行热处理,以消除爆炸焊接的剧烈碰撞产生的残余应力。研究表明[7,8]HPb59-1材料在热处理时,冷却速度越快,抗拉强度和延伸率均有提高。454℃HPb59-1材料的相变点,当温度高于此温度时,α相部分转化为β相,Pb质点能溶于相,即Pb在高温时,分布在β相内部。在冷却时,如果冷却速度较慢,Pb质点将转移分布到晶界上,使材料的延伸率变差。考虑到基层材料Q345R的退火温度一般选择在620℃能够有效地消除爆炸加工应力,同时兼顾HPb59-1的热处理特点,将HPb59-1/Q345R复合材料的热处理制度定为:

保温温度:620℃±14℃,保温时间:≮2小时,升温速度:55℃/小时,降温速度:空冷。

 

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复合材料经过热处理后,对其进行弯曲试验,结果如图7所示。由试验表明,经过热处理后的复合材料,其塑性得到了显著提高。对热处理后的复合材料界面进行金相观察(图8),可以看到,界面组织由大量的β相(图6)转变为α+β相组织。且b相得到了细化和均匀化,在b相中,可观察到弥散分布的Pb质点。这说明,采用620℃HPb59-1/Q345R爆炸焊接复合材料进行热处理是正确的。

 

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对热处理后的复合板进行力学性能的检测,得到的结果如表4所示。由表中的数据可知,复合板的界面结合强度优良。

 

1HPb59-1铅黄铜板与Q345R钢板的爆炸焊接窗口与文献[4]所给的铜钢爆炸焊接窗口存在差异,爆炸焊接HPb59-1/Q345R的参数应选择在铜钢爆炸焊接窗口的靠近上限部分。

2)爆炸焊接复合材料HPb59-1/Q345R复合材料应进行热处理消除爆炸加工硬化,改善HPb59-1材料的微观组织,热处理温度的选择应考虑基层材料Q345R钢板的消应力特点。

3)通过620℃保温不小于2小时的热处理,HPb59-1的微观组织由β相为主转变为α+β组织,材料的弯曲性能得到了显著的提高。

4)由于本文试验量有限,对HPb59-1Q345R的爆炸焊接窗口并未进行全面研究,爆炸参数的选择参考了铜钢爆炸焊接窗口,针对HPb59-1Q345R的爆炸焊接窗口还有待进一步深入详细研究。

 

参考文献:

[1]  狄建华.金属材料的爆炸焊接与硬化技术的研究[D].太原:华北工学院,2001.

[2]  方大成,姚曼.双金属离心铸造工艺参数的控制[J].铸造,1997(06):37-39.

[3]  王建民,朱锡,刘润泉.爆炸焊接的应用与发展[J].材料导报,2006,20(01):42-45.

[4]  张振奎,吴绍尧.用半圆柱法确定铜-钢爆炸焊接窗口及合理药量[J].焊接学报,1980,1(03):114-126.

[5]  郑远谋,高键,刘胜利.爆炸焊接条件下炸药爆轰速度的影响因素[J].武钢技术,2002,40(04):46-50.

[6]  郑远谋.爆炸焊接和金属复合材料及其工程应用[J].兵器材料科学与工程,2002,25(02):225-225.

[7]  李箭,连震青.提高HPb59-1铅黄铜塑性的热处理工艺[J].通讯与广播电视,2004(04):64-67.

[8]  赵明涛,黄张裕,赵媛霞.铅黄铜组织和性能的改善[J].上海有色金属,2013,34(01):28-31.