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钢的焊后热处理丨了解钢的最高好最低相变温度

--厚板铸铁的焊后热处理

供稿:中国工控网 2016/7/28 13:42:31

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  • 关键词: 焊后热处理
  • 摘要:要了解钢的焊后热处理(PWHT),您就需要了解钢的最高和最低相变温度。

要了解钢的焊后热处理(PWHT),您就需要了解钢的最高和最低相变温度。为什么?观察在不同温度下钢的晶状结构以及它的同素异构的变化可提供很好的理解。
本文主要包括以下几个方面:不同周期间时间的重要性,加热炉空气温度之间的滞后时间,铸件表面与厚截面中心的比较,以及避免回火脆性的需要。
铁凝固时的晶体形态
当铁凝固时,它凝固成枝状晶体,如图1 所示。
对相同样本进行电镜扫描的照片(SEM), 高倍放大后如图2所示。
斐波纳契数在工作中自然形成,就像水能够反复溶化与凝固一样,铁也能再加热形成面心立方(FCC)晶体结构,冷却形成体心立方(BCC) 晶体结构。这种能力被称作同素异形转变。
铁基合金能够在温度升高或降低时生成或重生成面心立方晶体或奥氏体晶体(高于最高相变温度)以及体心立方晶体或铁素体晶体(低于最低相变温度)。



表1是铁的三种固态相以及它们各自的名称和存在的温度区间。



图3是铁碳相图(铁的形态部分)的一部分。它显示了碳含量对铁的影响。最高相变温度是A3线。最低相变温度线是A1线。同时,A2线是铁的磁性线,高于A2铁的磁性消失。


   

热处理生成新晶体,使铁更强韧
铸态树枝晶很脆。它们看起来也很脆,如图1所示。热处理是运用温度、时间、冷却等方式生成新晶体,以替换这些脆性的铸态枝状晶。
碳原子比铁原子小。因此,碳对铁有很大影响。因为碳原子小,它可以嵌入铁原子的面心立方结构中,这种结构称为奥氏体。有2%的碳能嵌入奥氏体。仅有0.007%的碳能嵌入铁素体,即铁的体心立方结构。
铸态铁通常含有0.25%的碳。在1700℉,铁是面心立方结构时,0.25%的碳原子嵌入铁的晶体结构中。当冷却到室温时,铁的面心立方结构会转变成体心立方结构,此时它只能溶解0.007% 的碳。
当奥氏体析出铁素体时,过量的碳(> 0.007%)会形成渗碳体。最终铁素体和渗碳体层会形成片状(层状)结构。这种片层结构叫做珠光体。它是软的铁素体与硬的渗碳体相结合的复合材料。碳钢的微观结构是铁素体与珠光体的混合物。
比如,碳钢铸件通常只有0.25%的碳(参考图3)。它可以加热到较低的相变温度1333℉ (723℃)。在此温度,铁素体(BCC)开始转变成奥氏体(FCC)。奥氏体增多并消耗掉最初的铁素体。随着温度升高,奥氏体越来越多,铁素体越来越少。一旦温度超过最高相变温度(该温度随着碳含量的不同而不同,如图3), 所有的晶体—即使渗碳体也溶解了—全都变成奥氏体。这就是奥氏体转变。
一旦转变成奥氏体,钢材就能以不同速率冷却,形成硬的(快冷)或软的(空冷)材料。合金钢可以快速冷却形成亚稳定的晶体即马氏体。这种晶体是一种体心四方晶体(BCT), 非常硬。这种硬金属也可以软化(加热到低于最低相变温度的中等温度)变成软的马氏体。加热温度越高,金属越软。
低温下的焊后热处理不会形成奥氏体。它本质上是回火。回火会软化热影响区(HAZ)和焊缝,因为快冷可能会在这些区域形成马氏体。因为快冷显示冷却过程中应力会增加,焊后热处理循环通常被称为释放应力。焊后热处理通常在焊接后进行以软化热影响区。
如果在焊后热处理中,温度超过了最低相变温度,产生了部分奥氏体晶体,钢的热处理效果就会受损。可能需要重新完全奥氏体化并回火才能恢复其力学性能。如果焊件是铸件,就需要一份工艺评定记录(PQR),以证明焊件是经历了重新奥氏体化和回火并恢复原样。
焊接耗材为不同目的设计。许多耗材的目的是保证凝固后或焊后热处理后的力学性能。一部分耗材是非热处理。这意味着如果相变发生,焊件会失去它的强度。对这些焊接耗材来说避免加热到A1线以上。
焊后热处理方法
焊后热处理可以低于最低相变温度进行或者根据规范在组织完全奥氏体化后回火。
表2是不同钢材的焊后热处理方式。
在华盛顿塔卡马的布兰肯塔卡马铸造厂(Bradken Tacoma foundry)——一个工作车间主要处理厚大断面的大型铸件(2000~50,000磅)以及生产各种铁碳合金的铸件——高质量/规格铸件通常需要低温焊后热处理。在其它铸造厂,通常是完全奥氏体化并回火。


  

监测炉温
在塔卡马使用燃气炉加热。这些燃气炉是指烤箱,不同于熔化炉。加热就像烘烤,因为烘烤后的产品更加有用。烘烤时,温度很重要。当对铸件热处理时,不仅需要知道炉温,还需知道金属本身的温度。
一种典型热处理炉安装有热电偶,在炉壁上伸出。热电偶记录炉温,控制热循环,还是一种安全装置,如果温度超过预定值就会关闭加热炉。
铸件温度通过安装在铸件表面的附属热电偶(TC)进行监测。通常,附属热电偶贴在断面最厚的部分。根据铸件的形状和尺寸,可以增加TC的数量。安装TC到铸件很费时间,TC 电线也是另一个成本。
当加热厚断面铸件时,在铸件表面和断面中心的温度有一个滞后时间。钢能很好地传热。滞后时间通过实验确定,实验时将热电偶安装在26英寸立方碳钢铸件的表面和中心。立方体铸件重1200磅。当立方铸件从室温加热到1750℉ 时,温度读数每秒更新一次。
表面和中心线间的时间延迟约40分钟,如图4所示。该实验在不同烤箱下重复4次,使用相同的16英寸厚立方铸件,实验结果相似。
监测炉温的热电偶在1小时内就达到1750℉, 但16英寸厚立方铸件在40分钟后温度才从表面传导到中心。
加热过程中,最明显的时间滞后是的铸件温度和炉内温度。铸件加热速度大约350℉/h。当施加上升速率350℉/h的热循环时,整个铸件(包括中心)才能确保达到其最终温度。


  

保温时间
热处理的经验法则是金属厚度每增大1英寸,保温时间增加1小时。根据此,如果16英寸立方铸件根据此法则,使用炉子的附属热电偶,铸件就需保温(16-4=12)12小时。这个时间足以使钢完全奥氏体化。
如果钢只有2英寸厚,保温2小时,这个法则将失效,最终不能使该铸件加热到所需温度。因此,为了确保铸件保温至少1小时,炉子附属热电偶需要至少保温4小时。
当进行低温焊后热处理时,许多规范要求根据焊缝厚度进行焊后热处理。对于薄板(< 4 英寸),这个方法很有效。然而,对一个截面10英寸厚的铸件或�英寸厚的焊缝所需的保温时间就更长,保温超过1/2小时(每个附加热电偶),才能使整个铸件(和焊件)达到所需温度。
如图4所示,厚板铸件就像一个热水槽。焊后热处理至少进行4小时,除非使用多的附加热电偶。另一个确保工件达到所需温度的方法强加一个上升速率。如果没有TCs,使用至少4小时和350℉/h上升速率要好一些。
焊后热处理进行时通常采用额外的TC。一个标准比如MIL-STD-278F军用标准:焊接和铸件,要求缓慢加热和冷却,比如100℉/h。经过一段时间后,可能会失去上升和下降热循环的最初目的。如果缓慢加热是为了确保钢材达到于顶温度,那么附加热电偶可以更快地进行热循环。缓慢加热和冷却的热循环对某些铸件来说需要持续一整天。如果缓慢加热的目的是减少应力,那么它就不会留下痕迹。保温只是怎样降低应力/硬度,并没有强调降低多少。
制造者只是根据MIL-STD-278F规范进行这些热处理,但对其目的并不清楚。这种类型的标准需要考虑纯净钢和现代焊接技术进行修订。铸件是各项同性(晶体等轴),而毛坯是各项异性(晶体在一个或多个方向延伸)。本人认为铸件没有毛坯的内应力,也不用像毛坯一样需要释放应力。
注意—升温速度可能造成回火脆化
大多数要求缓慢升温和冷却的规范会在800℉ 和焊后热处理温度之间进行速率检测。很少一份部分低于600℉或至少一个在300℉需要监测温度。蓝色脆性带会产生回火脆性,大约在700~ 900℉ 或300~700℉温度区间,尽量避免。
塔卡马热处理工艺将700~900℉温度区间作为裂纹回火脆性带(合金不同有所变化)。在此温度区间,通过缓慢加热/冷却,允许钢中出现回火脆性。但对用于提高强度的合金钢来说,这种热循环非常有害。公司有特定的缓慢加热冷却的应力释放热处理。请仔细复核规范,避免在回火脆性区间耽误时间。
结束语
测定铸件温度的最好方法是在它表面贴热电偶。
如果不能使用附加热电偶,允许以350℉/h 的加热速率将铸件整个加热到焊后热处理温度。同时,保温时间至少4小时。这就确保铸件中心也被加热和回火。  


审核编辑(王雪)
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