不同焊接方法對(duì)NiCrFe堆焊層組織及性能的影響

閆侯霞

（內(nèi)蒙古能源發(fā)電金山熱電有限公司，呼和浩特010106）

電火花堆焊技術(shù)是一種具有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)的新興材料表面技術(shù)，在表面耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、表面修復(fù)與改性等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，不僅應(yīng)用于工具、模具與刃具、礦山、冶金、汽車、醫(yī)用器材等一般工業(yè)領(lǐng)域，還可以應(yīng)用于核反應(yīng)堆、直升機(jī)和戰(zhàn)機(jī)引擎等高端零件。

電火花堆焊是利用電極棒在工作表面旋轉(zhuǎn)，在相互接觸的微小區(qū)域瞬時(shí)（10-6～10-5s）流過(guò)高密度的電流（105～106A/cm2），由于放電能量在時(shí)間和空間上高度集中，在微小的放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生4 727～24 727℃的高溫，使該區(qū)域的局部材料高能離子化，電極棒高速轉(zhuǎn)移到工件表面，并擴(kuò)散進(jìn)入到工件表層，形成冶金型牢固結(jié)合的堆焊層。

與其他表面堆焊方法相比，電火花堆焊有如下優(yōu)點(diǎn)：①能量輸入低，母材保持在室溫，熱影響區(qū)及變形極小，可忽略其對(duì)母材的影響；②僅需少量或不需進(jìn)行前、后處理；③適用范圍廣，可適用于所有能導(dǎo)電、可熔的金屬及陶瓷材料。

本研究分別采用電火花堆焊技術(shù)、氬弧焊堆焊技術(shù)和手工電弧焊堆焊技術(shù)在同一焊接母材Q345鋼表面堆焊同類型焊接材料，對(duì)比堆焊層至母材之間硬度的分布情況，分析不同堆焊方法堆焊層的組織及元素過(guò)渡情況，為利用堆焊技術(shù)修復(fù)軸類表面劃傷提供技術(shù)及理論支持。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)?zāi)覆倪x用Q345鋼，制備成3個(gè)試樣，規(guī)格為20 mm×20 mm×12 mm。在試樣表面的中心加工一個(gè)深2 mm、60°角的V形槽，用來(lái)模擬軸類表面的劃痕。

電火花堆焊采用DZ-4000（Ⅲ）多功能表面強(qiáng)化機(jī)，火花放電電極直徑4 mm，氬弧堆焊及手弧堆焊采用焊條直徑分別為2.5 mm和3.2 mm，堆焊材料選Ni、Cr、Fe含量相近且在生產(chǎn)實(shí)踐中有成功修復(fù)軸類案例的火花放電電極、氬弧焊絲或手弧焊條，其化學(xué)成分及堆焊工藝參數(shù)見(jiàn)表1、表2。

表1 堆焊材料的化學(xué)成分

表2 堆焊工藝參數(shù)

使用HVS-30Z/LCD數(shù)字式維氏硬度計(jì)對(duì)堆焊層至母材間的硬度分布進(jìn)行測(cè)試，使用Axio Observer A1m型金相顯微鏡對(duì)熔合區(qū)組織進(jìn)行分析，使用帶有EDS的Philips Quant 400型掃描電子顯微鏡對(duì)堆焊層截面各元素的分布情況進(jìn)行分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 試驗(yàn)結(jié)果

利用3種堆焊方法，試樣表面的模擬劃痕均被成功修復(fù)。從試樣截面對(duì)應(yīng)V形槽的中心開(kāi)始，自母材至堆焊層每隔0.25 mm測(cè)量一個(gè)顯微硬度值，測(cè)量的結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，電火花堆焊母材與堆焊層之間發(fā)生硬度變化的區(qū)域很小，硬度值變化較大的區(qū)域?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū)，硬度值由母材區(qū)的180HV提高至堆焊層的400HV。氬弧堆焊及手弧堆焊的母材與堆焊層之間硬度變化的區(qū)域較大，手弧堆焊的母材硬度較高，表明在3種堆焊方法中，手弧堆焊對(duì)母材的熱影響最大。

圖1 不同堆焊方法試樣硬度測(cè)量結(jié)果

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 3種焊接方法堆焊層的金相組織照片

圖2為3種堆焊工藝下堆焊層的金相組織照片。從圖2（a）可以看出，電火花堆焊工藝中下方白亮色為NiCrFe堆焊層，過(guò)渡區(qū)及熱影響區(qū)相對(duì)較窄，主要由堆焊電極及母材在電火花放電能量下熔化發(fā)生冶金反應(yīng)而生成。從金相組織可以看出，過(guò)渡區(qū)發(fā)黑，主要因?yàn)楦邷乩鋮s時(shí)析出的細(xì)小碳化物附在細(xì)化的馬氏體組織上腐蝕后形成。由于電火花堆焊的焊接熱影響區(qū)很小，靠近堆焊層母材的組織沒(méi)有發(fā)生變化，仍然為鐵素體+珠光體。從圖2（b）可以看出，氬弧堆焊層的金相組織中下方白亮色為堆焊層NiCrFe，過(guò)渡區(qū)及熱影響區(qū)相對(duì)變寬，過(guò)渡區(qū)具有明顯的奧氏體組織出現(xiàn)，熔合區(qū)至母材的組織逐漸發(fā)生變化，由奧氏體向鐵素體+珠光體組織過(guò)渡。手弧堆焊層變化情況與氬弧堆焊變化情況基本一致，修復(fù)相同體積缺陷時(shí)，手弧堆焊的焊接熱影響區(qū)更寬。

通過(guò)比較堆焊層及母材的金相組織發(fā)現(xiàn)，電火花堆焊對(duì)母材的熱影響最小，手弧堆焊對(duì)母材的熱影響最大，同時(shí)，通過(guò)比較這兩種堆焊方法合金元素的過(guò)渡情況也可印證這一點(diǎn)。圖3為電火花堆焊及手弧堆焊工藝下堆焊層截面形貌及元素線掃描結(jié)果。由圖3（a）可看出，電火花堆焊層的組織均勻細(xì)密，基本沒(méi)有裂紋氣孔等缺陷，在堆焊層與母材之間存在明顯的元素過(guò)渡區(qū)，熔合區(qū)寬度小于50 μm，在此過(guò)渡區(qū)內(nèi)，元素含量是逐漸變化的，表明電極材料和母材之間發(fā)生了元素的相互擴(kuò)散，因此堆焊層與母材之間結(jié)合牢固。圖3（b）中手弧堆焊層合金元素的過(guò)渡更加平緩，表明焊接的熔合區(qū)域更寬，寬度大于100 μm。

圖3 不同焊接工藝下堆焊層截面形貌及元素線掃描結(jié)果

堆焊層中主要分布著Ni、Fe和Cr，其中Fe含量低于母材，這是因?yàn)镕e在母材中的含量遠(yuǎn)高于堆焊材料，部分Fe由母材進(jìn)入堆焊層，這是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程。Ni與Cr僅存在于堆焊層中，Ni與Cr在堆焊層中的含量高于母材，Mn及Nb含量較低，接近于母材，因此，在堆焊層及母材中的含量大致相同。

3 結(jié) 論

（1）電火花堆焊使母材至各堆焊層之間的硬度先增至某一峰值后下降，最后達(dá)到恒定值。

（2）電火花堆焊技術(shù)自母材至堆焊層硬度變化區(qū)域最窄，因此該堆焊技術(shù)產(chǎn)生的熱影響區(qū)較小，母材因熱輸入產(chǎn)生的組織及變形非常小，特別適合電力軸類這些對(duì)變形要求嚴(yán)格部件的修復(fù)。

（3）電火花堆焊層與母材之間各元素發(fā)生擴(kuò)散且過(guò)渡比較均勻，表明堆焊層與母材間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度較高。

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