CrMoV 合金堆焊層組織結(jié)構(gòu)及抗沖蝕磨損性能研究

第一作者趙建華男，博士生，1978年9月生

通信作者趙占西男，教授，1963年10月生

CrMoV合金堆焊層組織結(jié)構(gòu)及抗沖蝕磨損性能研究

趙建華,趙占西，陳曉亮，陸曉，周翔，紀(jì)秀林(河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022)

摘要：采用手工電弧焊工藝在20鋼基體表面制備CrMoV合金堆焊層進(jìn)行相組成、顯微組織、耐沖蝕磨損性能及沖蝕磨損機(jī)理研究。結(jié)果表明，堆焊層數(shù)增加母材稀釋率減小，堆焊層顯微組織主要為馬氏體、殘余奧氏體及合金碳化物。第二、三堆焊層顯微硬度最高，堆焊層平均顯微硬度達(dá)780 HV，為基體硬度的4倍多。在所有沖蝕角度范圍內(nèi)，CrMoV合金堆焊層耐泥沙沖蝕磨損性能優(yōu)于20鋼；沖蝕角度小于30°時(shí)沖蝕磨損機(jī)制以微切削為主，大于30°時(shí)以疲勞損傷及局部塑性變形為主；砂粒粒徑增加，堆焊層及20鋼的沖蝕磨損率均有所增加，但不與粒徑的增加值成正比。

關(guān)鍵詞：CrMoV堆焊層；沖蝕磨損；顯微組織；沖蝕角度

基金項(xiàng)目：河海大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201210294069)

收稿日期：2014-02-07修改稿收到日期：2014-05-24

中圖分類號(hào):TG174.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Microstructure and anti-erosion wear properties of CrMoV alloying coating

ZHAOJian-hua,ZHAOZhan-xi,CHENXiao-liang,LUXiao,ZHOUXiang,JIXiu-lin(College of Mechanical and Electrical Engineering, Rivers & Oceans University, Changzhou 213022, China)

Abstract:CrMoV surfacing coatings were deposited on 20 steel substrates using shielded metal arc welding．The microstructure, erosion wear resistance performance and erosion wear mechanism of CrMoV coatings were studied. It was shown that with increase in surfacing layers, the dilution rate of parent material decreases; the microstructure of surfacing layers consists of martensite, residual austensite and alloy carbides; the highest hardness of surfacing alloy exists at the second and third layers; the average micro-hardness of surfacing layers is 780HV, it is more than 4 times of the matrix one. The erosion wear tests showed that CrMoV coating has a better erosion resistance capacity than 20 steel substrate does; the erosion wear mechanism of CrMoV coating is mainly micro-cutting at small impact angles, and mainly fatigue damage and local plastic deformation at large impact angles; the erosion wear rate of surface coating increases with increase in particle size, but it is not directly proportional to the particle size.

Key words:CrMoV surfacing layer; erosion wear; microstructure; impact angle

水流攜帶泥沙造成的沖蝕磨損是我國(guó)黃河等多沙河流水電站水輪機(jī)過(guò)流部件表面失效的主要原因[1-2]。據(jù)估計(jì)，在已運(yùn)行的水電站中，約有 1/5～1/4 的水輪機(jī)葉片遭受泥沙不同程度危害，每年因磨蝕破壞停運(yùn)或檢修引起的電能損失約2×108～3×108kW·h，年消耗檢修費(fèi)及設(shè)備更新費(fèi)達(dá)千萬(wàn)元之巨[3]。為提高水輪機(jī)過(guò)流部件的抗泥沙沖蝕性能，保證水輪機(jī)安全運(yùn)行并在遭沖蝕破壞后高效、快速修復(fù)，已有諸多卓有成效的研究[4-5]。雖聚合物剛性、彈性涂層及金屬氧化物或氮化物陶瓷涂層先后用于水輪機(jī)過(guò)流部件修復(fù)[6-9]，但非金屬材料與水輪機(jī)鋼基體物理化學(xué)性能存在巨大差異，導(dǎo)致兩者間結(jié)合強(qiáng)度不高易脫落，因此涂層技術(shù)短期內(nèi)較難大面積推廣應(yīng)用。

由于水輪機(jī)過(guò)流部件常為表面局部磨損，在被磨損破壞部位堆焊或鋪焊高抗磨合金涂層，強(qiáng)度高操作簡(jiǎn)單,為快速、經(jīng)濟(jì)、有效的修復(fù)措施，且符合“再制造工程”發(fā)展要求。本文選水輪機(jī)過(guò)流部件耐磨耐蝕修復(fù)用CrMoV堆焊焊條制備抗沖蝕涂層，研究堆焊層組織結(jié)構(gòu)及沖蝕磨損性能，探討沖蝕磨損機(jī)理，以期為制備水輪機(jī)葉片抗沖蝕涂層奠定基礎(chǔ)。

1實(shí)驗(yàn)材料及方法

選厚20 mm的20鋼作為堆焊基體材料，堆焊前進(jìn)行噴砂處理清除工件表面鐵銹及油污，并預(yù)熱至300℃。堆焊材料為CrMoV焊條，直徑4 mm，主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：0.3～0.6 C, 8.00～10.00 Cr, Mo≤3.00, 0.50～1.00 V。利用時(shí)代ZX7-400焊機(jī)，直流反接于基體堆焊4層, 堆焊層厚度不少于9 mm。具體堆焊工藝參數(shù)見(jiàn)表1。為減小熔敷金屬稀釋率，堆焊第一、二層時(shí)選較小的焊接電流。焊條使用前在烘箱中經(jīng)300℃烘焙1h，保溫待用。為保證堆焊質(zhì)量，堆焊過(guò)程中相鄰堆焊層焊道方向交錯(cuò)90°，并使每一焊道能壓住前一焊道的1/2，以保證堆焊層溫度均勻、表面平整。堆焊過(guò)程中層間溫度控制在300℃左右[10]。

表1　堆焊工藝參數(shù)

圖1　沖蝕磨損裝置示意圖 Fig.1 Schematic diagram of erosion wear tester

采用線切割法截取堆焊層斷面金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，在XJG-05臥式金相顯微鏡下觀察熔覆金屬橫截面組織。使用Rigaku D/Max-2500/pc型X射線衍射儀分析堆焊層合金的相組成。利用JSM-6510掃描電子顯微鏡觀察、分析沖蝕表面微觀形貌。用HXD-1000TC型數(shù)字顯微硬度儀測(cè)量堆焊層硬度，載荷為200 g(1.961 4 N)，保壓時(shí)間15 s。泥沙沖蝕實(shí)驗(yàn)在自制噴射式?jīng)_蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，工作原理示意見(jiàn)圖1。沖蝕砂粒采用26～50目、50～80目、80～100目不規(guī)則多角形長(zhǎng)江口石英砂。砂粒被水流加速?zèng)_蝕試樣表面，水流速12.8±0.2 m/s，含砂量15±1 wt.%。沖蝕試樣面積10 mm×10 mm，沖蝕時(shí)間30 min。試驗(yàn)中樣品置于載物臺(tái)上，載物臺(tái)可作180度水平旋轉(zhuǎn)，可調(diào)整射流沖擊樣品攻角。試樣沖蝕角度分別取15°、30°、45°、60°、90°。每個(gè)角度重復(fù)3次試驗(yàn)以減少誤差，為消除試樣表面粗糙度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響，對(duì)試樣試驗(yàn)表面用600#砂紙打磨，在超聲波清洗器中用酒精清洗，干燥后在感量為0.1 mg的光電天平上稱量試樣原始質(zhì)量m0。便于比較，用體積沖蝕磨損率(簡(jiǎn)稱沖蝕磨損率)ΔV(mm3/ (cm2·h))反映試驗(yàn)材料的抗沖蝕磨損性能。ΔV=(m0-m1)/(Sρt)。其中，ρ為試驗(yàn)材料密度；m0為試樣原始質(zhì)量；m1為沖蝕磨損后試樣質(zhì)量；S為試樣沖蝕磨損面面積；t為試驗(yàn)時(shí)間。

2試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1堆焊熔敷金屬組織及顯微硬度

堆焊層合金XRD圖譜見(jiàn)圖2。由圖2看出，堆焊層合金的相主要由馬氏體(馬氏體與殘余奧氏體混合組織)與(Cr,Fe)7C3、MoC等碳化物組成。衍射強(qiáng)度表明鉻元素形成的碳化物生成量較少，主要因鉻為弱碳化物形成元素，絕大部分固溶于基體中。

圖2　CrMoV堆焊層X(jué)RD譜 Fig.2 XRD pattern of CrMoV surface coating

圖3　CrMoV堆焊層熔敷金屬的顯微組織 Fig.3 Microstructure of CrMoV surfacing layer

堆焊合金橫截面顯微組織見(jiàn)圖3。圖3 (a)左上側(cè)為基體材料，右下側(cè)為堆焊熔敷金屬，近熔合區(qū)第一層堆焊金屬因受母材的稀釋作用，組織為灰色針狀馬氏體與白色殘余奧氏體。隨稀釋率逐漸降低，第二層堆焊金屬顯微組織主要為黑色針狀馬氏體、白色殘余奧氏體及少量碳化物。第三、四層組織相差不大，均為黑色馬氏體、白色殘余奧氏體及碳化物。第四層堆焊金屬馬氏體呈團(tuán)絮狀，被白色網(wǎng)狀殘余奧氏體包圍。從堆焊合金顯微組織看，第二層組織受母材稀釋作用較小，第三、四層組織則基本反映焊條本身的熔敷金屬組織。堆焊組織含大量馬氏體及碳化物，主要因焊條中含大量Cr、Mo、V等碳化物形成元素，而合金元素使Ms點(diǎn)降低，C曲線右移，且焊接過(guò)程中冷卻速度快等均促進(jìn)馬氏體形成[11]。

焊接頭顯微硬度可間接反映力學(xué)性能，顯微硬度主要由組織及晶粒大小決定。從基體材料開(kāi)始向堆焊金屬每隔0.5 mm取一測(cè)點(diǎn)測(cè)量堆焊層剖面顯微硬度。堆焊層橫截面顯微硬度曲線見(jiàn)圖4。由圖4看出，基體顯微硬度約為170 HV，而堆焊層平均硬度值約780 HV，其硬度明顯提高。堆焊層高硬度為因焊縫區(qū)存在MoC、(Cr, Fe)7C3等強(qiáng)化相。強(qiáng)化相尺寸細(xì)小、均勻分布在馬氏體基體上，起到彌散強(qiáng)化作用。從熔合區(qū)到堆焊層表面，顯微硬度整體分布呈先上升再下降最后趨于穩(wěn)定的規(guī)律。從熔合區(qū)開(kāi)始硬度值急劇上升，第一、二層堆焊金屬受母材稀釋作用，硬度值變化明顯。第三、四層堆焊金屬母材稀釋率減小，基本對(duì)應(yīng)焊條熔敷金屬硬度。在第二、三層焊接中，后一層相當(dāng)于對(duì)前一層進(jìn)行一次正火，細(xì)化了第二、三層晶粒，起到細(xì)晶強(qiáng)化效果，且利于合金碳化物析出，導(dǎo)致第二、三層硬度出現(xiàn)峰值。

圖4　CrMoV堆焊層和基體的顯微硬度分布 Fig.4 Micro-hardness distribution of substrate and CrMoV coatings

2.2堆焊層沖蝕磨損性能

圖5為CrMoV堆焊層與基體20鋼在不同沖蝕角度下沖蝕率的變化規(guī)律曲線。由圖5知，無(wú)論低或高沖蝕角下，堆焊層的沖蝕磨損率均低于20鋼，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗沖蝕磨損性能。原因可能為堆焊層顯微硬度是20鋼的4～5倍，高硬度值能抵抗沖蝕粒子的切入，減緩?fù)繉颖磺邢?、犁溝、擠壓，會(huì)降低堆焊層表面材料流失；而堆焊層中Cr元素對(duì)基體的固溶強(qiáng)化作用及Mo、V合金碳化物的彌散強(qiáng)化作用會(huì)阻礙沖蝕顆粒滑動(dòng)。此外，20鋼最大沖蝕磨損率出現(xiàn)在沖蝕角30°附近，隨沖蝕角增大沖蝕磨損率不斷減小，呈典型的塑性材料沖蝕磨損特征。CrMoV堆焊層的沖蝕磨損率最大值出現(xiàn)在沖蝕角45°附近，其沖蝕特征介于塑、脆性材料之間，具有復(fù)合沖蝕磨損特征。

圖6為CrMoV堆焊層在不同沖蝕角下的沖蝕磨損表面微觀形貌。圖6(a)可見(jiàn)，材料沖蝕磨損表面呈明顯的切削及犁溝，并與沖蝕介質(zhì)流動(dòng)方向一致。此因在30°沖蝕角度下，高流速砂粒對(duì)堆焊層沖蝕面切向作用力分量遠(yuǎn)大于法向，砂粒的切向運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生微切削作用。此時(shí)，材料磨損以微切削為主，與微切削模型[12]一致。由圖6(b)可清晰看到?jīng)_蝕磨損表面的沖擊碎片及沖蝕坑，溝槽痕跡明顯減少。表明此時(shí)高速砂粒對(duì)堆焊層表面的法向沖擊作用加強(qiáng)，磨損機(jī)制為疲勞損傷及微切削。由圖6(c)看出，沖蝕磨損的法向作用力達(dá)到最大，試樣表面犁溝消失，出現(xiàn)或大或小的沖蝕凹坑及擠壓唇片。此因高速砂粒對(duì)試樣表面施加擠壓力，使試樣表面出現(xiàn)凹坑及凸起的唇口，隨后粒子對(duì)唇片進(jìn)行“鍛打”，經(jīng)嚴(yán)重塑性變形后材料呈片屑狀從表面流失。故90°沖蝕角的沖蝕磨損以表層局部塑性變形為主[13]。

圖5　不同沖蝕角度對(duì)CrMoV堆焊層沖蝕磨損性能影響 Fig.5 Effect of impact angle on the erosion property of CrMoV coatings

圖6　不同沖蝕角下CrMoV堆焊層沖蝕磨損SEM像 Fig.6 SEM micrographs oferoded surface of CrMoV coatings at different impact angles

由于CrMoV堆焊層硬度較高，小角度沖擊產(chǎn)生的切削深度小，故沖蝕磨損量亦小(圖5中15°沖蝕角下產(chǎn)生的磨損量)。而CrMoV堆焊層含一定量的殘余奧氏體，塑性良好，大角度沖擊產(chǎn)生的表層疲勞斷裂大大減弱，導(dǎo)致堆焊層在90°沖蝕角下產(chǎn)生的磨損量也不大，只在切向、法向作用力綜合作用下才具有較大的沖蝕磨損量。

圖7為在30°沖蝕角下不同砂粒徑對(duì)沖蝕磨損率影響。由圖7看出，沖擊粒徑砂粒在26～100目范圍內(nèi)，20鋼沖蝕磨損率均為CrMoV堆焊層的2～3倍。堆焊層的抗沖蝕性能明顯優(yōu)于20鋼。磨料粒徑增大，堆焊層及20鋼的沖蝕磨損率均增大。沖蝕速度一定時(shí)，對(duì)某種粒子，粒徑越大沖擊動(dòng)能越大，對(duì)材料表面造成的損傷越大[14]。粒徑增大，材料承受沖擊面積增大，單位面積上的沖擊力變化反而不大，因此沖蝕磨損率雖隨粒徑增大而增加，但在26～100目粒徑范圍內(nèi)磨損率增加幅度逐漸趨緩[15]。

圖7　不同砂粒徑對(duì)CrMoV堆焊層沖蝕磨損性能影響 Fig.7 Effect of particle size on the erosion property of CrMoV coatings

3結(jié)論

通過(guò)對(duì)制備的CrMoV堆焊層試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

(1)堆焊層物相主要由馬氏體、殘余奧氏體及MoC等合金碳化物組成。增加堆焊層數(shù)可減小母材的稀釋率。堆焊層組織變化趨勢(shì)為鐵素體與珠光體→灰色針狀馬氏體及殘余奧氏體→黑色團(tuán)絮狀馬氏體、殘余奧氏體及合金碳化物。堆焊層橫截面顯微硬度變化能反映顯微組織變化，堆焊層的平均顯微硬度達(dá)780 HV，為基體材料的4倍多。

(2)在所有沖蝕角度范圍內(nèi)，CrMoV堆焊層沖蝕磨損率顯著低于20鋼基體材料，且抗泥沙沖蝕磨損性能良好。增加沖蝕角度，CrMoV堆焊層的沖蝕磨損機(jī)理逐漸由微切削轉(zhuǎn)為疲勞損傷及局部塑性變形。增加砂粒粒徑，堆焊層與基體材料的沖蝕磨損率均有所增加，但在26～100目粒徑范圍內(nèi)磨損率增加趨勢(shì)減小。

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