堆焊工藝對(duì)高鉻合金粉體堆焊層組織及耐磨性能的影響

劉 躍，張國(guó)賞，2，魏世忠，2，李繼文，2，徐流杰，2

（河南科技大學(xué)1.材料科學(xué)與工程學(xué)院；2.河南省耐磨材料工程技術(shù)研究中心，洛陽(yáng)471003）

0 引 言

圓錐破碎機(jī)軋臼壁是圓錐破碎機(jī)中的主要消耗部件，采用合適的材料及工藝對(duì)軋臼壁進(jìn)行堆焊修復(fù)是延長(zhǎng)其使用壽命、降低成本的一個(gè)重要手段。粉末堆焊是一種以等離子弧、碳弧、電弧等為熱源，使合金粉熔敷于基材表面上的一種堆焊方法，該方法焊接的產(chǎn)品可具備較佳的強(qiáng)度、韌性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗沖擊性，能顯著提高產(chǎn)品的使用壽命；也可以采用該方法修復(fù)已磨損報(bào)廢的零部件，實(shí)現(xiàn)報(bào)廢零部件的再生利用。該方法在國(guó)防工業(yè)、冶金工業(yè)、建材、能源、電力、礦山機(jī)械等行業(yè)的制造、維修方面具有很大的應(yīng)用潛力。關(guān)于合金粉末堆焊方面的研究已有很多報(bào)道，而將合金粉制作成粉塊，然后利用高溫?zé)嵩词蛊淙鄯笤诠ぜ砻娴姆蹓K堆焊工藝的相關(guān)研究報(bào)道較少。為了提高堆焊層的性能，作者分別采用焊絲粉末堆焊和焊絲粉塊堆焊兩種工藝在Q235鋼表面進(jìn)行堆焊，并對(duì)堆焊層的宏觀形貌、顯微組織、硬度和耐磨性能進(jìn)行了研究。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1 試樣制備

試驗(yàn)用自動(dòng)堆焊機(jī)由焊接操作機(jī)、焊接變位機(jī)、自動(dòng)焊接擺動(dòng)器、CPXD600型氣體保護(hù)焊接電源、水冷自動(dòng)氣保焊槍和觸摸屏電氣控制系統(tǒng)組成。堆焊基材為200mm×100mm×16mm的Q235低碳鋼板。所用堆焊合金粉為粒徑70～180μm的高碳鉻鐵粉，其化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為5.0C，60Cr，0.64Ti，3.35Al，1.16Mn，余 Fe。氣體保護(hù)焊絲牌號(hào)為JQ·MG50－6，其名義化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為0.06～0.15C，1.4～1.85Mn，0.8～1.15Si，余 Fe。

粉末堆焊工藝：稱取20g合金粉置于V型混料機(jī)中，混合均勻后放入DZF－6053型真空干燥箱中烘干，然后加熱至30～40℃預(yù)熱12h，再升溫至170℃保溫24h。然后將其按90mm×25mm（長(zhǎng)×寬）均勻地平鋪在已清除氧化皮的Q235鋼板上，按表1中的焊接參數(shù)進(jìn)行粉末堆焊試驗(yàn)，制備焊絲粉末堆焊層試樣。

表1 堆焊工藝參數(shù)Tab.1 Surfacing technology parameters

粉塊堆焊工藝：稱取20g合金粉末置于V型混料機(jī)中，混合均勻后，加入適量的經(jīng)高錳酸鉀鈍化的水玻璃作為粘結(jié)劑，研磨均勻后，放進(jìn)自制的模具中，再用液壓機(jī)在4MPa壓力下保壓3min，壓制成尺寸為90mm×25mm×2mm的合金粉塊，然后將其置于DZF－6053型真空干燥箱中烘干，先加熱至30～40℃預(yù)熱12h，然后升溫至170℃保溫24h。取出粉塊，放置在已去除氧化皮的Q235鋼板上，按表1中的焊接參數(shù)進(jìn)行粉塊堆焊試驗(yàn)，制備焊絲粉塊堆焊層試樣。

1.2 試驗(yàn)方法

堆焊試驗(yàn)結(jié)束后，用拋光機(jī)除去堆焊層表面的氧化皮，然后利用線切割制取尺寸為10mm×10mm×20mm的試樣，經(jīng)砂紙磨平和金剛石研磨膏拋光后，用三氯化鐵鹽酸溶液（由5g三氯化鐵、50mL鹽酸和100mL蒸餾水組成的混合溶液）腐蝕50s，在XJP－3A型光學(xué)顯微鏡下觀察試樣的顯微組織；采用M5000型臺(tái)式CCD直讀光譜儀測(cè)堆焊層的化學(xué)成分；采用D8型多晶X射線衍射儀分析堆焊層中合金元素的相結(jié)構(gòu)；采用JSM－5610LV型掃描電子顯微鏡觀察堆焊層的組織形貌；采用HRC－150型洛氏硬度計(jì)測(cè)堆焊層的洛氏硬度，每個(gè)試樣測(cè)5個(gè)點(diǎn)，取平均值，采用金剛石壓頭，載荷為1 471N，加載時(shí)間5s，其中測(cè)點(diǎn)之間的距離或任一測(cè)點(diǎn)距試樣邊緣的距離不小于3mm。

采用ML－10型磨料磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)。試樣先在磨損試驗(yàn)機(jī)上預(yù)磨5個(gè)周期（1個(gè)周期為100s），然后清洗干凈并烘干后用SARTORIUSBS201S型電子天平秤量質(zhì)量（m0），之后按表2中的磨損試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，磨損試驗(yàn)結(jié)束后再稱量質(zhì)量（m1），磨損量Δm＝m0－m1，取3個(gè)試樣磨損量的平均值。

表2 磨損試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Wear test parameters

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分及宏觀形貌

從表3中可以看出，焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層中的碳含量明顯較高，這表明采用焊絲粉末堆焊工藝堆焊時(shí)的飛濺較大，且碳的燒損較多。

焊絲粉末堆焊工藝制備的堆焊層中存在較多的氣孔和夾雜，如圖1（a）所示；焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層中缺陷較少，且脫渣性良好，肉眼觀察堆焊層及熱影響區(qū)均未發(fā)現(xiàn)焊接裂紋，但是堆焊層表面存在表面氣孔和焊瘤，如圖1（b）所示。清理干凈焊道表面的焊渣后，取樣觀察亦均未發(fā)現(xiàn)未熔合、裂紋、氣孔和夾渣等缺陷，如圖1（c）所示。

表3 不同堆焊工藝制備堆焊層的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.3 Chemical composition of surfacing layers prepared by differnt surfacing technologies（mass）%

2.2 組織形貌及物相

由圖2（a）和圖3（a）可以看到，兩種堆焊工藝制備的堆焊層和基體間的熔合區(qū)均很窄，且結(jié)合緊密，沒有氣孔，基體與堆焊層之間屬冶金結(jié)合。焊絲粉末堆焊工藝制備的堆焊層主要由針狀鐵素體、奧氏體和少量碳化物組成，針狀鐵素體組織縱橫交錯(cuò)，位向分布不均勻。采用焊絲粉末堆焊工藝進(jìn)行堆焊時(shí)，熔滴溫度很高，突遇溫度較低的粉體后，冷熱不均，造成合金粉體飛濺，同時(shí)碳的燒損及其在熔池中的充分?jǐn)U散使粉體中的碳化物熔化后形成的碳元素富集區(qū)消失，因此有少量碳化物析出。焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層主要由奧氏體、碳化物及少量鐵素體組成。采用焊絲粉塊堆焊工藝進(jìn)行堆焊時(shí)，溫度較高的熔滴落到合金粉塊上，由于大量合金粉體粘連在一起，熱量迅速向四周傳輸，碳元素的燒損程度較低，因此飛濺少且有較多碳化物析出［1］，如圖3（b）所示。

從圖2中還可以看到，可能由于電弧過(guò)長(zhǎng)，熔池面積過(guò)大，堆焊機(jī)操作不熟練等原因造成焊絲粉末堆焊工藝制備的堆焊層中出現(xiàn)了孔洞缺陷。

由圖4可知，兩種堆焊工藝制備的堆焊層組織均 由 奧 氏 體 （γ－Fe）、鐵 素 體 和 碳 化 物 （M7C3、Cr23C6）組成，其二者最為顯著的不同點(diǎn)是，前者的奧氏體（220）晶面特征峰的衍射峰強(qiáng)度比后者對(duì)應(yīng)的晶面特征峰的更高?？芍?，焊絲粉塊堆焊可促進(jìn)奧氏體組織的形成。另外，采用焊絲粉塊堆焊工藝制備堆焊層的（Fe，Cr）7C3相的（402）面的衍射峰強(qiáng)度比采用焊絲粉末堆焊工藝制備的高，這表明前者中的（Fe，Cr）7C3相數(shù)量較多，與圖3吻合。

2.3 硬 度

采用焊絲粉末堆焊工藝和焊絲粉塊堆焊工藝制備堆焊層的硬度分別為31，40.3HRC，均高出母材（13.7HRC）很多。文獻(xiàn)［2］的研究表明，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在4.0%～6.0%范圍內(nèi)時(shí)，初始碳化物數(shù)量和堆焊層的硬度均隨著碳含量的增加而增大。分析認(rèn)為，采用焊絲粉塊堆焊時(shí)，熔池溫度較高，加入的碳、鉻、鈦和硅等合金元素一方面溶解進(jìn)入固溶體起強(qiáng)化作用，另一方面在冷卻過(guò)程中能形成一些細(xì)小的共晶化合物，這些硬質(zhì)相彌散在固溶體間起第二相強(qiáng)化作用，因此采用焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層具有較高的硬度［3］。從原始堆焊粉末中的碳化物熔化后形成的局部碳元素富集區(qū)中可直接析出（Fe，Cr）7C3相。而Cr23C6相是液相與（Cr、Fe）7C3發(fā)生包晶的方式生成反應(yīng)或從液相中直接析出形成的，但Cr23C6具有一次碳化物的形態(tài)，從液相中直接析出的可能性更大。在堆焊層中大量高硬度碳化物相的析出必將提高其宏觀硬度，并有利于改善堆焊層的耐磨性［4］。

2.4 耐磨性能

從表4可以看出，母材Q235鋼在20N載荷作用下的磨損量最大，說(shuō)明母材的耐磨性能最差。采用兩種堆焊工藝制備的堆焊層在相應(yīng)載荷下的磨損量較母材的明顯降低，相對(duì)耐磨性能分別約為母材的1.3倍和2倍，這說(shuō)明制備的堆焊層可顯著提高母材表面的耐磨性能。通常認(rèn)為堆焊層的耐磨性能與其硬度、顯微組織有密切的關(guān)系，在相同的磨料磨損試驗(yàn)條件下，堆焊層表面的洛氏硬度越高，其耐磨性能越好［5］。由此可知，焊絲粉塊堆焊工藝比焊絲粉末堆焊工藝更能提高堆焊層的耐磨性能［6］。

表4 母材及堆焊層的耐磨性能Tab.4 Wear resistance of base metal and surfacing layers

3 結(jié) 論

（1）焊絲粉末堆焊和焊絲粉塊堆焊兩種工藝都能實(shí)現(xiàn)堆焊層與母材的冶金結(jié)合，堆焊層成形良好；采用焊絲粉末堆焊時(shí)飛濺大，碳元素?zé)龘p嚴(yán)重，碳化物析出量少；而采用焊絲粉塊堆焊時(shí)飛濺少，且碳化物的析出量較多、脫渣性好。

（2）兩種堆焊層組織中均含有奧氏體、鐵素體和碳化物；采用焊絲粉末堆焊工藝和焊絲粉塊堆焊工藝制備堆焊層的硬度分別為31，40.3HRC，它們的相對(duì)耐磨性分別為Q235鋼的1.3倍和2倍。

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