ER110S_1焊丝拉拔过程中退火工艺及机理探讨

Discussion on Spheroidizing Annealing Process and Mechanism of ER110S-1 Welding Wire in Drawing Process
YU Lanying1,2, LUO Hong1,2, LUO Changsen1,2
(1. Institute of Materials Science and Chemistry Engineering, Sichuan University of Science and Engineering, Zigong 643000, China; 2. Key Laboratory of Material Corrosion and Protection of Sichuan Colleges and University, Zigong 643000, China)
1 实验材料及方法
1.1 实验材料 实验材料为 ER110S-1 焊丝盘条 (准5.6 mm)，其
收 稿 日 期 :2009-12-30 作者简介:喻兰英(1960- ), 女, 四川自贡人,副教授,主要从事耐蚀材料
研究; 电话:13909007100; E-mail: yyj1557@163.com
温度以上，碳化物短时间内便可溶解，经等温球化退
火在 A1 温度以上保温冷却后得到的组织为粗大的 珠光体，不利于碳化物的球化。 惠卫军等[5]提出，目
前工业生产中所采用的这种等温球化退火处理工
艺， 一种可能是这种工艺制度是移植于过共析钢的
等温球化退火，在 A1 之上的保温处理是破碎先共析
渗碳体的重要手段。
25 μm
169
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
(a) 5#
(b) 6#
2010 年 8 月
(c) 7#
25 μm
25 μm
图 5 ER110S-1 焊丝再结晶退火后的金相组织 Fig.5 Microstructure of ER110S-1 welding wire after recrystallization annealing
序号 最高温度 /℃ 时间 /h 等温温度 /℃ 时间 /h 冷却方式
1#
940
2
600
8 炉冷至 380 ℃空冷
2#
880
2
620
8 炉冷至 380 ℃空冷
3#
820
2
640
8 炉冷至 380 ℃空冷
4#
760
2
680
8 炉冷至 380 ℃空冷
表 2 再结晶退火工艺 Tab.2 Recrystallization annealing technology
图 2 为完全退 火 处 理 后 焊 丝 的 拉 伸 断 口 SEM 图像。 可看出，试样在拉伸过程中有缩颈现象，宏观 断口的纤维区、放射区、剪切唇并不明显；微观断口 同时存在韧窝和解理台阶，且交替出现，据此可以明 确判断出断口属于韧-脆混合断口。 产生韧窝的组 织塑性较好，为铁素体，塑性较差的碳化物发生解理 断裂，位错在较大的碳化物处塞积，最终产生裂纹导
2 实验结果与分析
2.1 热分析测试结果 热分析测试结果见图 1。 由图中的三个吸收峰
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Hot Working Technology 2010, Vol.39, No.16
下半月出版
Material & Heat Treatment 材料热处理技术
表 1 等温球化退火工艺 Tab.1 Isothermal spheroidizing annealing technology
材料热处理技术 Material & Heat Treatment
2010 年 8 月
ER110S-1 焊丝拉拔过程中退火工艺及机理探讨
喻兰英 1,2, 罗 宏 1,2, 罗昌森 1,2
(1. 四川理工学院 材料与化学工程学院, 四川 自贡 643000; 2. 材料腐蚀与防护四川省高校重点实验室, 四川 自贡 643000)
(c) 3#
(d) 4#
25 μm
25 μm
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图 4 ER110S-1 焊丝等温球化退火后的金相组织 Fig.4 Microstructure of ER110S-1 welding wire after isothermal spheroidizing annealing
《热加工工艺》 2010 年第 39 卷第 16 期
化学成分 (质量分数，%)为：0.06～0.08C，1.53～1.76Mn， 0.45～0.49Si，≤0.005S， ≤0.010P，0.25～0.31Cr，2.10～ 2.16Ni，0.45～0.54Mo。 1.2 试验方法
取 原 材 料 约 50 mg 用 丙 酮 清 洗 干 净 ， 用 Q600TGA/DSC 差示扫描量热仪以 10 K/min 加热至 1100 ℃，测定其相变点。
体和碳化物相互扩散(以碳原子扩散为主)的过程， 吸 热Q>0，S=Q / T>0，是 熵 增 大 的 反 应 ，是 组 织 混 乱 度增加的过程。 铁素体-碳化物界面能降低，通过片 状碳化物的溶断、碳的扩散和碳化物的析出进行，其 转变机制是碳从碳化物尖角、 缺陷等高能处向平面 处扩散。
-0.7
95
200 400 600 800 1000 1200
温度 /℃
图 1 ER110S-1 焊丝热分析图
Fig.1 DSC diagram of ER110S-1 welding wire
可知，Ac1=739.15 ℃，Ac3=947.53 ℃。 生 产中实际加 热速度小于热分析的加热速度，因此，实际生产过程 中的 Ac1 低于 739.15 ℃。 2.2 完全退火后焊丝断口形貌分析
效果优于等温球化退火；ER110S-1 焊丝预拉拔产生的塑性变形可以促进再结晶退火的球化率。
关键词：ER110S-1 焊丝； 拉拔； 再结晶退火； 等温球化退火； 球化机理
中 图 分 类 号 ：TG156.2
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1001-3814(2010)16-0168-04
Abstract：The phase transformation temperature of ER110S-1 welding wire was determined by DSC, and the fracture microstructure of ER110S-1 welding wire was observed by SEM. The different heat treatment technologies of recrystallization annealing and isothermal spheroidizing were conducted, the microstructure of ER110S-1 welding wire was observed, and the Vickers hardness and crystal size were measured, and the optimization recrystallization annealing technology was determined. The results show that the optimization recrystallization annealing technology is as follow: heating at 660 ℃ for 12 h, cooling until 380 ℃ in furnace and then cooling in air; the effect of recrystallization annealing is better than that of isothermal spheroidizing annealing; the deformation can promote the spheroidization rate in pre-drawing.
(a) 1#
(b) 2#
30 μm 图 2 ER110S-1 焊丝断口的 SEM 图像 Fig.2 SEM images of ER110S-1 welding wire fracture
致断裂。 因此可以通过球化退火将碳化物均匀弥散 地分布到铁素体中， 防止位错的塞积以避免裂纹的 产生。 2.3 球化退火后的金相组织
Key words：ER110S-1 welding wire; drawing; recrystallization annealing; isothermal spheroidizing annealing; spheroidizing machanism
ER110S-1 焊丝是近年 来 新 兴 的 一 种 低 碳 高 强 度合金焊丝， 具有优良的焊接工艺性能， 广泛用于 760 MPa 级低合金高强度钢的焊接。 成品焊丝是由 准5.6 mm 的盘条拉拔至 准1.2 mm 得到的， 为了获得 良好的塑性， 拉拔过程中进行了一次球化退火。 目 前国内外对过共析钢的球化退火工艺研究已经非常 成熟， 但对低碳钢的球化退火研究很少。 本文通过 理论分析和多种球化退火实验， 得到 ER110S-1 的 最佳球化退火工艺，初步探讨了低碳钢的球化机理。
盘条的原始组织见图 3，为铁素体 +岛状贝氏体 组织，铁素体分布均匀，含量约 30%，晶粒度 7～8 级。
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图 3 ER110S-1 原始金相组织 Fig.3 Microstructure of un-annealed ER110S-1
welding wire
等温球化退火和再结晶退火后的金相组织见 图 4、图 5。可看出，等温球化退火后的组织为铁素体 +岛状贝氏体， 铁素体成块状且较为粗大， 晶粒度 5～6 级； 再结晶退火后得到的是铁素体 + 细小的球 状碳化物颗粒， 有少量的岛状贝氏体。 等温球化退 火后碳化物和铁素体呈块状且独立分开， 再结晶退 火后碳化物呈球状弥散分布在铁素体中， 与片层状
25 μm
珠光体或贝氏体组织相比， 它具有较低的流变应
力和屈服强度， 同时具有较高的断裂强度和解理强
度[1]，因 而 在 拉 拔 过 程 中 不 易 出 现 断 丝 现 象 。
等温球化退火是利用不均匀奥氏体中未溶碳化
物或奥氏体中ห้องสมุดไป่ตู้浓度碳偏聚区的非自发行核的有利
作用来加 速 球 化 ，据 文 献[2-4]，对 于 低 中 碳 钢 在 A1
序号 5# 6# 7#
温度 /℃ 715 690 660
时间 /h 12 12 12
冷却方式 炉冷至 380 ℃空冷 炉冷至 380 ℃空冷 炉冷至 380 ℃空冷
热流 / (mW·g-1) 热重 (%)
-0.1
105
-0.2
-0.3
-0.4
100
-0.5
739.15℃
804.51℃
947.53℃
-0.6
摘 要：用差热分析法确定了 ER110S-1 焊丝的相变点，通过扫描电镜观察分析了断口的形貌特征。 进行多种再结
晶退火和等温球化退火，用金相显微镜观察金相组织，测定维氏硬度和晶粒度，从而确定最佳球化退火工艺。 研究表
明： ER110S-1 焊丝最佳球化退火工艺为 660 ℃保温 12 h，随炉冷至 380 ℃空冷；ER110S-1 焊丝进行再结晶退火的球化
硬度低，晶粒细小，显然金属的塑性较好。 从实际
生产的效果来看， 采用此工艺退火的焊丝盘条拉拔
顺畅，不存在断丝现象。
表 3 退火后的维氏硬度 Tab.3 Vickers hardness of isothermal spheroidization
序号
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
硬度(HV) 268 365 380 287 309 317 209
截 取 350 mm 作 为 拉 伸 试 样 ， 进 行 完 全 退 火 (880 ℃保温 4 h， 炉冷至 650 ℃保温 6 h， 随炉冷至 380 ℃出炉空冷)处理，在万能材料试验机上进行拉 伸，用扫描电镜(SEM)观察其断口形貌。
等温球化退火和再结晶退火工艺分别见表 1 和 表 2，退火后观察其金相组织、测量维氏硬度和晶粒度。
退火后的维氏硬度见表 3。 可看出， 两种球化
退火所得到的试样显微硬度不同， 采用 660 ℃保温
12 h， 随炉冷至 380 ℃空冷的工艺退火后硬度值最
低(209 HV)，其 金 相 组 织 为 铁 素 体 + 细 小 的 球 状 碳
化物颗粒，晶粒度 8～9 级。 拉拔效果的好坏主要是
由钢丝在拉丝模中的塑性决定的，球化质量高，显微