張越舉，趙恩軍，唐凌韜，劉  超，常  江

（大連船舶重工集團爆炸加工研究所有限公司，遼寧 大連  116023）

摘  要：本文采用試驗的方法，對HPb59-1鉛黃銅與Q345R鋼板進行了爆炸焊接試驗。通過試驗發現，HPb59-1鉛黃銅存在特殊的爆炸焊接特性，它與Q345R的爆炸焊接窗口比紫銅的要窄，且存在嚴重的爆炸加工硬化^[1]傾向，復合材料界面附近的HPb59-1金相組織以β相為主。通過采用由特殊配方制成的專用炸藥，可獲得結合率達到100%的復合材料，復合材料經熱處理后檢驗其力學性能，界面剪切強度達到235 MPa，粘結強度達到337 MPa。熱處理后的復合材料界面附近HPb59-1金相組織轉變為α+β組織。

關鍵詞：爆炸焊接；鉛黃銅；金相組織；熱處理；界面強度

0  引  言

HPb59-1是含鉛量為1%的α+β兩相復雜銅合金。因鉛在銅鋅合金中的溶解度為非常低，所以鉛在合金中呈游離質點分布在晶界和晶內，既有潤滑作用，又能使切屑成崩碎狀，可提高黃銅的切削性和耐磨性，故HPb59-1鉛黃銅被選為理想的軌道材料。由于鉛黃銅具有良好的流動性，因此具有較好的鑄造特性，所以以往的軌道銅/鋼復合材料采用離心鑄造工藝^[2]加工。但鑄造的鉛黃銅存在著晶粒粗大、內應力、成分偏析等鑄造工藝的一般缺陷問題。相比軋制制造的HPb59-1板材，其微觀組織和材料的綜合力學性能要差。為了獲得微觀組織和綜合力學性能良好的銅/鋼復合軌道材料，我們采用爆炸焊接工藝^[3]進行了多次試驗研究，獲得了性能優良的HPb59-1/Q345R復合材料。

1  試驗材料

爆炸焊接用HPb59-1鉛黃銅板材狀態為退火態（M），其化學成分及力學性能見表1所示。

爆炸焊接用Q345R的狀態為正火態（N），其化學成分及力學性能見表2和表3所示。 

試驗用的HPb59-1鉛黃銅板的厚度×寬度×長度=數量具體如下：

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

試驗用的Q345R鋼板的厚度×寬度×長度=數量具體如下：

20 mm×200 mm×400 mm=4，20 mm×400 mm×2000 mm=1。

2  爆炸焊接試驗

按照文獻資料所給銅鋼爆炸焊接的可焊性窗口^[4]（圖1），采用計算的方法，按照炸藥用量、炸藥爆轟速度^[5]以及飛板與基板間的距離，在爆炸焊接窗口的中間部位（A點）進行爆炸焊接試驗^[6]。當采用常規的爆炸焊接專用炸藥時，我們獲得了如圖2所示的爆炸焊接結果，即炸藥爆炸后，HPb59-1鉛黃銅板并沒有與Q345R鋼板焊接在一起，但HPb59-1鉛黃銅板復合面一側出現了規律性的波紋。這是爆炸焊接金屬復合板界面上常見的波狀特征。同時，我們在基板上觀察到同樣的波狀特征，但在基板Q345的波狀表面有一層HPb59-1的物質均勻覆蓋在其上。

考慮到HPb59-1屬于復雜銅合金，與文獻所給銅合金材料存在一定差異，并結合我們在特殊異種金屬爆炸焊接所掌握的規律，將炸藥量進行了增加，并將爆炸焊接參數點選在B點，爆炸焊接后的結果見圖3所示。

由圖2和圖3可知，提高炸藥量方法對HPb59-1/Q345R材質的組合是達不到良好復合的。爆炸焊接經驗表明，某些材料組合的復合板爆炸焊接時，對炸藥組成特點較為敏感，需要專門針對其組合進行炸藥各組分的調整，因此，我們通過采用特殊配方的炸藥，并調整各組分的質量含量，使炸藥的爆速和密度適合HPb59-1/Q345R材質組合的爆炸焊接。爆炸復合后的結果如圖4所示。

3  復合板的熱處理及性能檢測

對復合材料的外彎曲試驗表明，爆炸焊接后的HPb59-1材料具有很強的冷加工硬化效應，即在彎曲角度不足20°的條件下，HPb59-1復層就發生了斷裂（圖5）。金相組織顯示（圖6），HPb59-1中存在大量的?相成分，β相是硬脆組織。一般地，爆炸焊接后的復合材料均需要進行熱處理，以消除爆炸焊接的劇烈碰撞產生的殘余應力。研究表明^[7,8]，HPb59-1材料在熱處理時，冷卻速度越快，抗拉強度和延伸率均有提高。454℃是HPb59-1材料的相變點，當溫度高于此溫度時，α相部分轉化為β相，Pb質點能溶于?相，即Pb在高溫時，分布在β相內部。在冷卻時，如果冷卻速度較慢，Pb質點將轉移分布到晶界上，使材料的延伸率變差。考慮到基層材料Q345R的退火溫度一般選擇在620℃能夠有效地消除爆炸加工應力，同時兼顧HPb59-1的熱處理特點，將HPb59-1/Q345R復合材料的熱處理制度定為：

保溫溫度：620℃±14℃，保溫時間：≮2小時，升溫速度：55℃/小時，降溫速度：空冷。

復合材料經過熱處理后，對其進行彎曲試驗，結果如圖7所示。由試驗表明，經過熱處理后的復合材料，其塑性得到了顯著提高。對熱處理后的復合材料界面進行金相觀察（圖8），可以看到，界面組織由大量的β相（圖6）轉變為α+β相組織。且b相得到了細化和均勻化，在b相中，可觀察到彌散分布的Pb質點。這說明，采用620℃對HPb59-1/Q345R爆炸焊接復合材料進行熱處理是正確的。

對熱處理后的復合板進行力學性能的檢測，得到的結果如表4所示。由表中的數據可知，復合板的界面結合強度優良。

4  結  論

（1）HPb59-1鉛黃銅板與Q345R鋼板的爆炸焊接窗口與文獻^[4]所給的銅鋼爆炸焊接窗口存在差異，爆炸焊接HPb59-1/Q345R的參數應選擇在銅鋼爆炸焊接窗口的靠近上限部分。

（2）爆炸焊接復合材料HPb59-1/Q345R復合材料應進行熱處理消除爆炸加工硬化，改善HPb59-1材料的微觀組織，熱處理溫度的選擇應考慮基層材料Q345R鋼板的消應力特點。

（3）通過620℃保溫不小于2小時的熱處理，HPb59-1的微觀組織由β相為主轉變為α+β組織，材料的彎曲性能得到了顯著的提高。

（4）由于本文試驗量有限，對HPb59-1與Q345R的爆炸焊接窗口并未進行全面研究，爆炸參數的選擇參考了銅鋼爆炸焊接窗口，針對HPb59-1與Q345R的爆炸焊接窗口還有待進一步深入詳細研究。

參考文獻：

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