30CrMnSiA钢的工艺研究

1前言本次毕业设计课题立足于自己在学院所学的课程内容，重点介绍合金结构钢化学成分、基本性能、焊接工艺、等一些内容。对于较深的理论没要过多的要求。本课题在设计过程中基本贯穿大学三年的所学专业基础课程。本文共分为六章：前两章系统的介绍了合金结构钢的生产工艺、分类、化学成分、基本性能、应用等；第三章介绍30CrMnSiA钢的焊接工艺，并对这种钢的焊接工艺的影响因素做了一定的分析；第四章介绍了30CrMnSiA钢的焊接性，并对30CrMnSiA钢在各种热处理状态的性能与热处理的缘由做出了分析；第五章则主要的介绍了防止焊接裂纹的产生与防止措施，对焊接热裂纹、冷裂纹、焊前预热、焊后热处理等并做出详明的分析；第六章介绍了30CrMnSiA的焊接检验与相应的检验方法和有关检验方法的改善。在完成设计过程中，参阅了参考文献中的相关章节等有关资料，并得到了指导老师的帮助与大力支持，再次诚挚致谢。由于本人所学内容有限与对相关内容的理解不到位，文中有不足之处在所难免，恳请老师批评指正。2第一章合金结构钢的概念及合金元素在结构钢中的作用1．1合金结构钢合金结构钢，用作机械零件和各种工程构件并含有一种或数种一定量的合金元素的钢。这类钢,由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比（一般在0.85左右），较高的韧性和疲劳强度，和较低的韧性－脆性转变温度，可用于制造截面尺寸较大的机器零件。1.2合金元素在结构钢中的作用有三个方面：①增大钢的淬透性。淬透性是指钢淬火时，从表层起淬成马氏体层的深度，是取得良好综合性能的主要参数。除Co外，几乎所有合金元素如Mn、Mo、Cr、Ni、Si和C、N、B等都能提高钢的淬透性，其中Mn、Mo、Cr、B的作用最强，其次是Ni、Si、Cu。而强碳化物形成元素如V、Ti、Nb等，只有溶于奥氏体中时才能增大钢的淬透性。②影响钢的回火过程。由于合金元素在回火时能阻碍钢中各种原子的扩散，因而在同样温度下和碳素钢相比，一般均起到延迟马氏体的分解和碳化物的聚集长大作用，从而提高钢的回火稳定性,即提高钢的抗回火软化能力,V、W、Ti、Cr、Mo、Si的作用比较显著，Al、Mn、Ni的作用不明显。含有较高含量的碳化物形成元素如V、W、Mo等的钢，在500～600℃回火时，析出细小弥散的3特殊碳化物质点如V4C3、Mo2C、W2C等,代替部分较粗大的合金渗碳体,使钢的强度不再下降反而升高,即出现二次硬化（见回火）。Mo对钢的回火脆性有阻止或减弱的作用。③影响钢的强化和韧化。Ni以固溶强化方式强化铁素体；Mo、V、Nb等碳化物形成元素,既以弥散硬化方式又以固溶强化方式提高钢的屈服强度；碳的强化作用最显著。此外，加入这些合金元素，一般都细化奥氏体晶粒，增加晶界的强化作用。影响钢的韧性因素比较复杂，Ni改善钢的韧性；Mn易使奥氏体晶粒粗化，对回火脆性敏感；降低P、S含量，提高钢的纯净度，对改善钢的韧性有重要作用（见金属的强化）。合金结构钢一般分为调质结构钢和表面硬化结构钢。①调质结构钢这类钢的含碳量一般约为0.25％～0.55％，对于既定截面尺寸的结构件，在调质处理（淬火加回火）时，如果沿截面淬透，则力学性能良好，如果淬不透，显微组织中出现有自由铁素体，则韧性下降。对具有回火脆性倾向的钢如锰钢、铬钢、镍铬钢等，回火后应快冷。这类钢的淬火临界直径，随晶粒度和合金元素含量的增加而增大，例如，40Cr和35SiMn钢约为30～40mm，而40CrNiMo和30CrNi2MoV钢则约为60～100mm，常用于制造承受较大载荷的轴、连杆等结构件。②表面硬化结构钢用以制造表层坚硬耐磨而心部柔韧的零部件,如齿轮、轴等。为使零件心部韧性高,钢中含碳量应低，一般在0.12～0.25％，同时还有适量的合金元素，以保证适宜的淬透性。氮化钢还需加入易形成氮化物的合金元素（如Al、Cr、Mo等）。渗碳或碳氮共渗钢，经850～950℃渗碳或碳氮共渗后，淬火并在低温回火(约200℃)状态下使用。氮化钢4经氮化处理(480～580℃)，直接使用，不再经淬火与回火处理。1.3生产工艺根据钢种和钢的质量要求，合金结构钢的冶炼，可采用氧气顶吹转炉、平炉、电弧炉；或再加电渣重熔、真空除气。铸锭可采用连铸或模铸。钢锭应缓慢冷却或热送锻造、轧制。钢锭加热时，应力求温度均匀并有足够的保温时间，以改善偏析缺陷和避免锻、轧时变形不均匀；锻、轧后的钢材，尺寸小的、特别是含碳0.2％左右的渗碳钢,在600℃以上时应快速冷却,以免加重带状组织；截面较大的锻件，应采取措施消除内应力和白点。调质钢应尽可能淬火成马氏体组织，然后回火成索氏体组织；渗碳钢在渗碳过程中，渗层浓度梯度不宜过大,以免在渗层晶界上出现连续网状碳化物;氮化钢必需先经热处理得到所需的性能，再经最后精加工才能进行氮化。氮化处理后除将脆薄的“白层”研磨除去外，不再加工。1.4合金结构钢的分类及应用可分为普通合金结构钢和特殊用途合金结构钢。前者包括低合金高强度钢、低温用钢、超高强度钢、渗碳钢、调质钢和非调质钢；后者包括弹簧钢、滚珠轴承钢、易切削钢、冷冲压钢等。要求具有较高的屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，还有足够的塑性和韧性。一般采用电弧炉和氧气顶吹转炉冶炼，要求高的采用炉外精炼、电渣重熔或真空处理、真空感应炉冶炼或双真空冶炼、合适的热处理。这类钢的5合金元素含量都相当高，主要有耐蚀钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢以及具有其他特殊物理和化学性能的特殊钢。应用合金结构钢广泛用于船舶、车辆、飞机、导弹、兵器、铁路、桥梁、压力容器、机床等结构上。合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良。其牌号通常是以“数字＋元素符号＋数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素含量小于1.5%，则不标其含量。高级优质钢在牌号尾部增加符号“A”例如，16MnA、20CrA、40Mn2A、30CrMnSiA、38CrMoAlA等。第二章30CrMnSiA钢化学成分、基本性能、应用30CrMnSiA钢强度高,但属中碳调质钢,具有较大的淬透性,因此焊接性能很差。该材料调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也好。下表为30CrMnSiA钢的化学成分表：表2—130CrMnSiA钢的化学成分牌号CMnSiCrNiMoVSP30CrMnSiA0.25～0.350.8～1.10.9～1.20.8～1.1≤0.3——≤0.030≤0.0356这种钢都是在淬火+回火调质状态下使用。淬火厚得到马氏体组织，经过不同温度的回火，得到回火索氏体或回火马氏体。与低碳调质的差别是，后者含碳量提高，马氏体的形态由板条状转变为片状，属于硬脆组织。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500℃-650℃回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。这种钢的纯度对焊接性有极明显的影响。硫会增加焊缝金属的结晶裂纹敏感性；磷使金属的塑性韧性降低，导致焊缝和热影响区金属的冷裂纹敏感性增大。即使钢中硫和磷的质量分数均为0.02﹪仍有焊接裂纹敏感性，因此要求对硫、磷严加控制。对于调质后σs可达到1400MPa的钢，要求ωs、ωp均≯0.015﹪，母材与填充金属均需采用真空熔炼工艺生产。这种钢的力学性能见表2—2，这种钢薄钢板退火或回火状态下的力学性能见表2—3表2—2合金结构钢的力学性能牌号试样毛坯尺寸/mm热处理力学性能淬火回火抗拉强度σb/MPa屈服强度σs/MPa伸长率σ5/﹪断面收缩率ψ/﹪温度冷却剂温度/℃冷却剂第一次淬火第二次淬火不小于30CrMnSi25880—油520水、油1080885104530CrMnSiA25880—油540水、油108088510457力学性能钢材退火或高温回火供应状态布氏硬度（HBS100/3000）不大于冲击功（冲击值）Akv/J不小于3922939229表2—330CrMnSi/30CrMnSiA薄钢板退火或回火供应状态的力学性能（YB/T5132—93）30CrMnSiA钢的特性30CrMnSiA是高强度调质结构钢，具有很高的强度和韧性，淬透性较高，冷变形塑性中等，切削加工性能良好，有回火脆性倾向，横向的冲击韧度差，焊接性能较好，但厚度大于3mm时，应预热到150℃，焊后需热处理，一般调质后使用。30CrMnSiA钢的用途举例用于制造飞机重要锻件，机械加工件和焊接件，如起落架，螺栓，对接接头，缘条，天窗盖，冷气瓶等；也有制造涡轮喷气发动机压气机转子的叶片盘和中框匣导向叶片。30CrMnSiA属中碳调质钢，强度高，焊接性能较差。30CrMnSiA调质后有很高的强度和足够的韧性，淬透性也好。调质后该材料做砂轮轴，齿轮，链轮都可以。30CrMnSiA具有良好的加工性，加工变形微小，抗疲劳性能相当好。用于轴类、活塞类零配件等。用于汽车、飞机各种特殊耐抗拉强度σb/MPa(Kgf/mm2)伸长率σ10/﹪不小于490～735（50～75）168零配件等。应用实例齿轮的结构分析图2—1焊接齿轮的辐板式结构焊接齿轮的辐板式结构，它在一块20mm,厚的轮辐板间设置辐射状隔板，其厚度为30mm，构成一个刚性很强的箱格结构，然后与250mm,厚的轮缘和160mm,厚的轮毂焊成一体，以利于通风；辐板和肋板之间的焊缝受力不大，为角焊缝，焊脚尺寸为16mm，轮辐和轮毂之间的焊接接头受力较大，故辐板开坡口焊接，以便焊透焊缝根部。坡口形式见图。辐板坡口形式如按常规整体组焊，轮毂与轮辐之间的焊缝以及轮辐和轮缘之间的焊缝都处于刚性拘束条件下，条环缝焊完时会造成两块轮辐板的温度显著升高，而轮缘和轮毂焊后温度不高，整个结构在焊接过程中，特别是在焊后冷却过程中，靠近轮毂环缝中产生的巨大的压应力是有利的；而近轮缘环缝中产生的巨大的拉应力分布极9不均匀，在力的作用点附近环缝的工作应力相当高，而且是脉动的。另外，由于轮体整体刚性大，焊后消除应力较小，所以若不采取措施就会在受拉区产生严重的裂纹，为此必须调整焊接装配顺序，以减小环缝中的残余应力。1先焊轮毂与轮辐之间焊缝，轮毂预热至100后与辐板、肋板点焊在一起。辐板大且厚，因刚性大，轮毂的环形焊缝拘束度较高，所以采用分段跳焊方法。通过窗口先焊内侧焊缝，再气刨清除焊根焊外侧，焊外侧时每焊完一道焊缝应立即锤击，以释放应力，焊至距表面5mm，利用焊炬对焊缝回火一次，然后填满整个环缝。2在加热炉中轮缘预热至250℃，轮缘受热后周长增加，相应直径增大，环焊缝间隙加大，焊后就可以使环缝的焊接应力大大减小，甚至变为压应力，这对避免焊缝、热影响区的裂纹和降低残余应力非常有利，出炉后用履带式加热板加热，同时利用热电偶控制轮缘及焊缝的层间温度，焊接的层间温度不低于200℃，通过扇形窗口先焊内侧焊缝。采用多道多层焊，焊道彼此重叠，重叠焊道不小于焊道宽度的1／3，同时每焊一道焊缝用小圆弧面的风枪或小手锤击焊缝区，使焊缝得到延伸，从而降低内应力，锤击应保持均匀、适度，避免锤击过份产生裂纹。第三章30CrMnSiA钢的焊接性分析30CrMnSiA钢是一种典型的Cr-Mn-Si系中碳调制钢，碳含量较10高，也属于调制钢，热处理强化钢。它的淬硬性比低碳钢高的多，具有很高的硬度和强度，但韧性此相对较低，给焊接带来很大的困难，这类钢常用于强度要求很高的产品或部件。通过对30CrMnSiA钢的手工焊及自动焊、焊后不同的热处理方法之后的焊缝的强度、硬度及组织变化进行了比较分析30CrMnSiA钢采用18CrMnSiA焊丝的手工氩弧焊和自动氩弧焊均可以得到满意的焊接接头,焊前经淬火和回火,焊后未热处理,手工氩弧焊的室温拉伸性能强度为893~948MPa,自动氩弧焊焊后未热处理的室温拉伸强度在948~1174MPa左右(断于热影响区);焊后热处理,在空气炉中淬火回火焊接接头的拉伸强度为815~925MPa,在保护气体炉中淬火回火处理,接头和母材拉伸强度: