氮合金化藥芯焊絲對(duì)堆焊層組織和耐磨性的影響

晉家兵，余圣甫，浦 娟，任重陽(yáng)

（1.華中科技大學(xué)，湖北武漢430074；2.海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽蚌埠233012）

氮合金化藥芯焊絲對(duì)堆焊層組織和耐磨性的影響

晉家兵1，2，余圣甫1，浦 娟1，任重陽(yáng)1

（1.華中科技大學(xué)，湖北武漢430074；2.海軍蚌埠士官學(xué)校，安徽蚌埠233012）

在Cr13馬氏體不銹鋼藥芯焊絲中添加2%鈮鐵、2%釩鐵和5%氮化鉻進(jìn)行埋弧堆焊，研究氮合金化對(duì)堆焊層組織和耐磨性的影響。堆焊層試樣分別在450℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃和600℃下進(jìn)行焊后回火處理，研究回火溫度對(duì)堆焊層組織和耐磨性的影響。結(jié)果表明，焊態(tài)下硬面合金組織由馬氏體、殘余奧氏體和分布在基體上的碳氮化物組成。加入鈮、釩和氮化鉻后，組織的晶粒得到細(xì)化，耐磨性也隨之提高。回火熱處理使基體晶內(nèi)及晶界彌散析出球狀第二相粒子（Nb、V、Cr）x（C、N）y，隨著回火溫度的升高，氮合金化硬面合金中第二相粒子的數(shù)量先略有下降，再逐漸增加，隨后急劇減少，耐磨性也相應(yīng)改變。540℃時(shí)試樣磨損量最小，耐磨性最佳，當(dāng)回火溫度升至600℃時(shí)，第二相粒子數(shù)量減少，耐磨性最差。

藥芯焊絲；氮合金化；耐磨性

0 前言

硬面堆焊技術(shù)是將高性能材料堆焊在廉價(jià)材料上，修復(fù)外形不合格的金屬零部件或制造特殊性能的金屬構(gòu)件。在國(guó)防工業(yè)、發(fā)電行業(yè)、煤炭工業(yè)、鋼鐵冶金工業(yè)、工程挖掘機(jī)械、礦山機(jī)械的表面改性、復(fù)合制造和再制造等方面有廣泛的應(yīng)用[1-2]。連鑄輥主要用于鋼板傳送，是鋼鐵企業(yè)重要大型生產(chǎn)工具，其長(zhǎng)期在高應(yīng)力循環(huán)金屬間磨損的惡劣環(huán)境中工作，由于磨損的輥面直徑低于使用下限值，或在服役期間出現(xiàn)剝落、潰邊等損傷現(xiàn)象，會(huì)失去使用性能，此時(shí)若將其作為廢輥處理，會(huì)造成巨大浪費(fèi)，不符合當(dāng)前低碳經(jīng)濟(jì)的總體方針和企業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的需要。如何采用新材料、新技術(shù)、新方法對(duì)已失去使用性能的輥?zhàn)舆M(jìn)行修復(fù)再制造，恢復(fù)使用性能，是鋼鐵冶金企業(yè)非常關(guān)心重視的課題。

藥芯焊絲表面堆焊技術(shù)因藥芯焊絲合金化配比較為靈活，滿足了工程結(jié)構(gòu)的修復(fù)再制造要求。連鑄輥堆焊修復(fù)技術(shù)主要影響因素有堆焊材料的選擇、堆焊規(guī)范的制定以及焊后熱處理工藝的選擇。現(xiàn)有的研究主要采用碳和合金元素形成碳化物質(zhì)點(diǎn)來提高堆焊層的耐磨性，但此類硬面合金由于碳當(dāng)量較高，抗焊接裂紋性能差，塑性較低，易剝落，高溫穩(wěn)定性不高?；诘阡撝腥芙舛冗h(yuǎn)大于碳的溶解度，其固溶強(qiáng)化作用更大，且氮化物比碳化物更穩(wěn)定、細(xì)小，在鐵素體中溶解度也更低，粗化傾向小，質(zhì)點(diǎn)更穩(wěn)定[3-4]，本研究使用氮來代替部分碳，引入Nb、V等合金元素，進(jìn)行氮合金化，形成晶粒細(xì)小、彌散分布的碳氮化物，既可提高堆焊層硬面合金的耐磨性，又可改善堆焊層的韌性，最終提高其使用壽命[5-7]。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

本研究使用的堆焊焊絲為實(shí)驗(yàn)室自制藥芯焊絲。以Cr13馬氏體不銹鋼化學(xué)成分為基礎(chǔ)，在藥芯焊絲中加入適量合金元素，標(biāo)記為1#；在1#藥芯焊絲的基礎(chǔ)上添加2%鈮鐵、2%釩鐵和5%的氮化鉻，標(biāo)記為2#，藥芯焊絲直徑均為3.2 mm。堆焊母材為Q235鋼，母材尺寸為500 mm×250 mm×12 mm，焊劑牌號(hào)為SJ-106。

使用MZ-1000型逆變式埋弧自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)在Q235鋼板上進(jìn)行堆焊，焊接電流340～360 A，電壓33～36 V，焊接速度9～13 m/h。從垂直于堆焊層表面方向截取8個(gè)金相試樣和24個(gè)磨損試樣（分8組，每組3個(gè)），尺寸分別為20 mm×20 mm×10 mm和25 mm×15 mm×10 mm。對(duì)其中7組試樣進(jìn)行回火處理，回火溫度分別選取450℃、480℃、500℃、520℃、540℃、560℃、600℃，保溫時(shí)間均為3 h，隨爐冷卻至150℃后空冷。對(duì)金相試樣進(jìn)行預(yù)磨、拋光并用王水腐蝕，使用Axiovert 200MAT金相顯微鏡觀察顯微組織。對(duì)試樣進(jìn)行磨損試驗(yàn)，采用Quanta 200掃描電鏡觀察堆焊層微觀組織和磨損形貌，用電子探針對(duì)第二相粒子進(jìn)行能譜點(diǎn)分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 堆焊層微觀組織

圖1為焊態(tài)下堆焊層硬面合金金相照片。由圖1可知，堆焊層硬面合金微觀組織主要是馬氏體和少量奧氏體。綜合比較圖1a和圖1b發(fā)現(xiàn)，添加合金元素鈮、釩和氮化鉻形成的馬氏體基體組織比不加時(shí)更細(xì)小。

圖1 堆焊硬面合金焊態(tài)下微觀組織金相照片

圖2a為2#焊態(tài)下堆焊層硬面合金掃描電鏡照片，圖2b為對(duì)試樣中白色球狀顆粒進(jìn)行能譜點(diǎn)分析結(jié)果。從能譜分析圖上可以推斷，分布在堆焊層硬面合金晶內(nèi)及晶界的顆粒為（Nb、V，Cr）x（C、N）y。因此，結(jié)合圖1、圖2的結(jié)果可以推斷出2#堆焊層硬面合金由馬氏體和分布在基體晶內(nèi)及晶界上的碳氮化物構(gòu)成。

圖2 2#試樣焊態(tài)下基體析出相和能譜點(diǎn)分析結(jié)果

2.2 不同回火溫度下堆焊層組織變化

圖3為2#試樣在不同回火熱處理溫度下堆焊層硬面合金微觀組織的變化情況。由圖3可知，堆焊層硬面合金由馬氏體和碳氮化物構(gòu)成?；鼗饻囟葹?50℃時(shí)，組織中所形成的碳氮化物數(shù)量非常少，僅有少量球形碳氮化物分布于基體晶界上（見圖3a）；隨著回火溫度升高，組織中碳氮化物數(shù)量增加，且彌散均勻分布于基體晶內(nèi)及晶界，其形狀均為球形（見圖3b、圖3c）；當(dāng)回火溫度增加至600℃，組織中碳氮化物數(shù)量反而減少，在基體中仍呈彌散分布狀（見圖3d）。

2.3 堆焊層常溫磨損性能

圖4為焊態(tài)及不同回火溫度下兩種藥芯焊絲硬面合金磨損失重量及碳氮化物數(shù)量（其中數(shù)量是指每100 μm2的碳氮化物平均數(shù)量，平均粒徑設(shè)定1.3 μm，由ImageJ軟件分析SEM照片得到）。由圖4可知，焊態(tài)時(shí)，1#試樣常溫磨損失重量大于2#試樣。經(jīng)過回火熱處理作用后，兩組堆焊硬面合金常溫磨損失重量均隨著回火溫度升高先略有增加后減少再急劇增加。但1#試樣常溫磨損失重量在回火溫度為480℃時(shí)開始增加，而2#試樣回火溫度大于540℃后常溫耐磨性降低。

圖3 不同回火溫度下2#試樣硬面合金微觀組織形貌

圖4 焊態(tài)及不同回火熱處理溫度下硬面合金失重及碳氮化物數(shù)量

綜合比較焊態(tài)和回火熱處理情況下堆焊層硬面合金常溫磨損失重量可以得出，對(duì)于1#試樣，只有回火溫度在480℃時(shí)失重量低于焊態(tài)；對(duì)于2#試樣，相比于焊態(tài)，回火溫度為450℃時(shí)，堆焊層硬面合金失重量有所增加，且碳氮化物較之焊態(tài)也有所減少?；鼗饻囟仍?50℃～540℃時(shí)，試樣常溫磨損失重量減少，相應(yīng)的碳氮化物的數(shù)量逐漸增加；當(dāng)回火溫度大于540℃時(shí)，試樣常溫磨損失重量急劇增大，碳氮化物的數(shù)量急劇減少。

焊態(tài)下磨損試樣磨損形貌的掃描電鏡形貌如圖5所示。由圖5可以看到，磨損的主要形式為金屬顆粒的剝落和摩擦磨損兩種形式，從圖5a中可以看到大量的金屬顆粒剝落留下的剝落坑，還可以發(fā)現(xiàn)由于磨損形成的磨損劃痕。圖5b中僅有少量的金屬顆粒剝落留下的剝落坑和比較細(xì)小的磨損劃痕。

圖5 焊態(tài)下磨損試樣掃描電鏡磨損形貌

3 分析與討論

根據(jù)焊態(tài)及不同回火熱處理溫度下硬面合金失重，對(duì)比各回火溫度下碳氮化物對(duì)應(yīng)數(shù)量（見圖4）可以發(fā)現(xiàn)，1#試樣的磨損失重量均高于2#試樣的，表明添加NbFe、VFe和CrN后，硬面層的耐磨性能有較大的提高。

1#試樣在回火溫度為480℃的磨損失重最小。由于馬氏體不銹鋼中未添加氮合金化元素，基體及基體中碳化物顆粒較為粗大，相互結(jié)合力較弱，焊態(tài)時(shí)磨損失重量較大。對(duì)試樣進(jìn)行450℃～600℃回火熱處理時(shí)，碳化物大量析出的同時(shí)基體組織從馬氏體變成回火馬氏體，導(dǎo)致基體硬度下降，磨損損失量急劇增大。

2#試樣在1#試樣的基礎(chǔ)上，添加2%NbFe、 2%VFe和5%CrN，強(qiáng)碳氮化物形成元素Nb、V的加入使堆焊層基體中碳氮化鈮釩析出數(shù)量增多，且晶粒細(xì)小，彌散分布于金屬基體中。碳氮化鈮釩之所以呈細(xì)小晶粒彌散分布是因?yàn)殡S著堆焊后溫度的快速下降，粒子除了以高溫時(shí)已存在的碳氮化物質(zhì)點(diǎn)為非自發(fā)形核核心進(jìn)行形核外，還可能在界面能較高的位錯(cuò)或晶界等處形核并析出，最終形成獨(dú)立碳氮化物粒子，不易聚集長(zhǎng)大，導(dǎo)致焊態(tài)時(shí)堆焊層金屬的常溫耐磨性較好。

相比于焊態(tài)，對(duì)2#堆焊層硬面合金進(jìn)行450℃～600℃回火熱處理后堆焊層金屬常溫耐磨性先略有下降后上升再急劇下降，其主要原因?yàn)椋汉笐B(tài)時(shí)，氮、碳大部分固溶在基體的晶格中，碳氮化物對(duì)基體的強(qiáng)化作用較為明顯，基體與碳氮化物結(jié)合力較好，常溫磨損失重量較少。當(dāng)回火溫度為450℃時(shí)，氮、碳原子從晶格間隙中溢出，而強(qiáng)碳氮化合金元素Nb、V在低溫下擴(kuò)散速度較慢，導(dǎo)致基體中碳氮化物質(zhì)點(diǎn)數(shù)量減少，削弱了基體與第二相質(zhì)點(diǎn)間結(jié)合力，使得堆焊層常溫磨損失重量比焊態(tài)時(shí)多。隨著回火溫度升高至480℃，焊接時(shí)殘留在融熔金屬中的C、N，加上高溫時(shí)間隙固溶于馬氏體晶格中的C、N不斷與Nb、V形核生成顆粒細(xì)小的碳氮化合物且彌散分布于馬氏體基體中，產(chǎn)生二次硬化作用。此時(shí)，從晶格間隙中析出的氮、碳原子數(shù)量與二次生成碳氮化物質(zhì)點(diǎn)數(shù)量相差不大，即基體軟化作用與二次硬化作用平衡，此溫度下試樣常溫磨損失重量與焊態(tài)時(shí)接近。520℃回火熱處理作用下，試樣中碳氮化物質(zhì)點(diǎn)數(shù)量急劇增加，進(jìn)一步增加馬氏體基體和碳氮化物質(zhì)點(diǎn)之間的結(jié)合力，試樣常溫磨損失重量減少。當(dāng)回火溫度為540℃時(shí)，堆焊層的耐磨性達(dá)到最佳，這是試樣經(jīng)540℃回火處理后生成大量碳氮化物質(zhì)點(diǎn)，對(duì)基體進(jìn)行沉淀強(qiáng)化作用的結(jié)果，同時(shí)碳氮化物質(zhì)點(diǎn)大小的均勻性和彌散度達(dá)到最佳，使得堆焊層常溫磨損量最少。當(dāng)回火溫度為600℃時(shí)，碳化物穩(wěn)定性較差，易分解，高溫下碳原子擴(kuò)散導(dǎo)致堆焊層金屬中碳氮化物析出數(shù)量減少，另外高溫回火后，顯微組織由回火馬氏體向回火索氏體轉(zhuǎn)變，降低了基體硬度，最終使堆焊層硬面合金在600℃高溫回火處理下常溫磨損失重量顯著增加。

4 結(jié)論

（1）由于強(qiáng)碳氮元素鈮釩的加入，氮合金化藥芯焊絲堆焊層組織主要由馬氏體和分布于馬氏體晶界及晶內(nèi)的碳氮化鈮釩構(gòu)成。

（2）在450℃～600℃回火熱處理作用下，與焊態(tài)相比，氮合金化藥芯焊絲堆焊層組織中碳氮化物質(zhì)點(diǎn)數(shù)量先減少后增加再急劇減少。

（3）在450℃～600℃回火熱處理作用下，與焊態(tài)相比，氮合金化藥芯焊絲堆焊層試樣常溫磨損失重量先增加后減少再急劇增加。

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Page 4術(shù)數(shù)據(jù)單規(guī)定的使用范圍，甚至更大的使用范圍；試件制備參數(shù)范圍內(nèi)的最大熱輸入量；電流使用推薦值（包含最小值與最大值），供應(yīng)廠/商應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或相關(guān)試驗(yàn)，使電流使用推薦值最小化或最大化，電流使用推薦值應(yīng)按照平、橫、立、仰四個(gè)焊接位置分別表列出來；焊材出廠試驗(yàn)時(shí)的焊接試件的預(yù)熱相關(guān)記錄（如有）；烘干要求，包括推薦的!烘溫度、!烘恒溫時(shí)間、保溫溫度、最長(zhǎng)保溫時(shí)間、烘干次數(shù)（盡量體現(xiàn)極限“最長(zhǎng)”）、允許暴露大氣時(shí)間；焊材有效期；使用的注意事項(xiàng)[6]。

3 結(jié)論

不銹鋼焊材大量應(yīng)用于核電站建造中，目前核級(jí)焊材基本依賴進(jìn)口，合理地分析中外不銹鋼焊材的標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范核電用不銹鋼焊材的采購(gòu)要求，可以促進(jìn)核電不銹鋼焊材的國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程，提高核電主設(shè)備和關(guān)鍵設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化程度。

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Effects of nitrogen alloyed flux cored wire on the microstructure and wear resistance of surfacing layer

JIN Jiabing1，2，YU Shengfu1，PU Juan1，REN Chongyang1
（1.Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China；2.Naval Petty Officer Academy，Bengbu 233012，China）

The experiment studies the microstructure of the Cr13 martensite stainless steel layer using submerged arc surfacing.By adding 2%ferro-niobium，2%vanadium iron and 5%chromium nitride into the flux cored wire，the paper investigates the influence of nitrogen-alloying on the microstructure of surfacing welded martensite stainless steel and its wear resistance.Welded samples were tempered in a range of 450℃～600℃ after welding，the effect of temper temperature on microstructure and wear resistance were explored.The results showed that hardfacing alloy，in the as-welded condition，was consisted of martensite，retained austenite and carbon-nitride-matrix in the grain and boundaries.This experiment indicated that with the addition of niobium，vanadium and chromium nitride，the grains were refined and the wear resistance improved.Heat treatment made the second phase spherical precipitates(carbides and nitrides of Nb，V and Cr)diffused in the grains and boundaries of matrix.With the anneal temperature increased，the number of second phase particles in nitrogen alloying hardfacing alloys slightly decreased and then gradually increased，however，it descended sharply at last.The wear resistance also showed a corresponding change，the minimum weight-loss of wear-sample appeared at 540℃，while the tempering temperature rose to 600℃，the second-phase particles almost disappeared，leading to a poor wear resistance.

flux cored wire；carbonitride nitrogen alloying；wear resistance

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0015-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.04

2014-12-25

晉家兵（1980—），男，安徽馬鞍山人，講師，碩士，主要從事船舶維修工程工作。