W對(duì)Fe-Cr-Mo-W-V熱鍛模具堆焊合金組織與性能的影響

北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(100124)

肖 君 王國紅 周 正 賀定勇

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W對(duì)Fe-Cr-Mo-W-V熱鍛模具堆焊合金組織與性能的影響

北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院(100124)

肖 君 王國紅 周 正 賀定勇

針對(duì)熱鍛模具工作條件及其失效形式，采用藥芯焊絲氣體保護(hù)堆焊方法制備Fe-Cr-Mo-W-V系熱鍛模具堆焊合金，采用金相組織觀察、硬度測試、回火熱處理、抗熱疲勞裂紋和力學(xué)性能等多種試驗(yàn)方法，分析了W含量對(duì)堆焊合金顯微組織、焊態(tài)硬度、熱穩(wěn)定性、熱疲勞性能以及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的顯微組織由板條馬氏體+殘余奧氏體組成。隨著W含量的增加，堆焊合金焊態(tài)及550 ℃回火處理后所對(duì)應(yīng)的硬度值逐漸增加，隨著熱處理時(shí)間的延長，堆焊層硬度逐步降低并趨于平緩。隨著堆焊合金中W元素的增加，堆焊合金抗熱疲勞裂紋性能逐漸降低，F(xiàn)e-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的抗拉強(qiáng)度略高于國外焊接材料Weld Mold 9650，斷后伸長率略低于焊接材料Weld Mold 9650。

熱鍛模具 堆焊合金 熱穩(wěn)定性 熱疲勞性能

0 序 言

熱鍛模具常在冷熱交替、復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)及摩擦磨損條件下工作，服役一段時(shí)間后，可能會(huì)產(chǎn)生斷裂、塑性變形、磨損和熱疲勞失效等問題。為提高熱鍛模具使用壽命，降低生產(chǎn)成本，實(shí)際生產(chǎn)中常采用堆焊、激光熔覆等表面技術(shù)對(duì)失效模具進(jìn)行修復(fù)和再制造，在模具行業(yè)中已得到大量成功應(yīng)用[1-4]。國內(nèi)用于堆焊修復(fù)熱鍛模具鋼的焊接材料主要有Cr-Mo系列焊條和少量藥芯焊絲產(chǎn)品，在模具堆焊用藥芯焊絲的研究及應(yīng)用方面與國外相比仍存在一定的差距，高性能的焊接材料還依賴于進(jìn)口，使用成本相對(duì)較高。

針對(duì)5CrNiMo，5CrMnMo和4Cr5MoSiV1(H13)等生產(chǎn)中常用的熱作鍛模具鋼的修復(fù)和再制造，堆焊的主要合金體系有：Fe-Cr-Mo-Ni，Ni-Cr-Mo-Nb,Co-Cr-Ni-Mo等。熱鍛模具堆焊合金應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)度、韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和較高的抗冷熱疲勞性能。添加少量W，V元素可進(jìn)一步提高堆焊合金的熱穩(wěn)定性、高溫強(qiáng)度和耐磨性，改善合金抗冷熱疲勞性能，如：美國Weld Mold公司研制的Weld Mold 9580，Weld Mold 964等都添加了少量的W，V[5]。

文中研究了W含量對(duì)Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的顯微組織結(jié)構(gòu)、焊態(tài)硬度、熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能的影響，并與美國某公司生產(chǎn)的焊接材料Weld Mold 9650進(jìn)行對(duì)比。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

研制的Fe-Cr-Mo-W-V系藥芯焊絲直徑為φ2.4 mm，采用NBC-500型熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)在尺寸為200 mm×100 mm×10 mm的Q235鋼板上進(jìn)行半自動(dòng)堆焊。堆焊工藝參數(shù)見表1，堆焊厚度約20 mm，焊接層間溫度控制在100 ℃以下。設(shè)計(jì)的Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的主要化學(xué)成分見表2，其中W元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0，0.2%，0.5%，0.8%，1.0%。在保持其它元素含量不變的基礎(chǔ)上，調(diào)整堆焊合金中的W含量，考察W元素對(duì)堆焊合金組織和性能的影響。對(duì)比用的同類焊材為美國某公司生產(chǎn)的Weld Mold 9650藥芯焊絲，堆焊合金的主要化學(xué)成分見表2。該焊絲常用于壓力機(jī)熱鍛模具和錘鍛模具等，具有良好的沖擊韌性、抗熱疲勞和抗磨損性能。

表1 堆焊工藝參數(shù)

表2 Fe-Cr-Mo-W-V系和Weld Mold 9650堆焊合金的主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 試驗(yàn)方法

從堆焊層中用線切割切取帶表層的尺寸約為15 mm×15 mm×18 mm的試塊，將堆焊試樣表面磨平，經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精腐蝕后，用OLYMPUS-PMG3型光學(xué)顯微鏡對(duì)堆焊合金組織進(jìn)行金相觀察。選用上海電爐廠生產(chǎn)的型號(hào)為KSJD-412的箱式電阻爐，試驗(yàn)溫度550 ℃，保溫時(shí)間分別4 h，8 h，12 h。用HR-150A洛氏硬度計(jì)測量焊態(tài)以及回火處理后試樣的洛氏硬度，用硬度的變化率評(píng)判材料的熱穩(wěn)定性。

在堆焊試板的上層切取熱疲勞試樣，其尺寸為40 mm×15 mm×5 mm，如圖1所示[6]。為檢測熱疲勞裂紋的萌生及擴(kuò)展情況，在試樣的一端用直徑為0.18 mm的鉬絲線切割預(yù)制長5 mm的裂紋缺口。缺口加工前將試樣550 ℃回火熱處理4 h，以減少焊接內(nèi)應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)的影響。在試樣另一端加工直徑4 mm的孔并保證其到預(yù)制裂紋的尺寸，其作用是將試樣固定在夾具上，使試樣加熱、入水位置一致，以保證每組試樣都處于相同條件下。試驗(yàn)前，用砂紙磨去試樣表面加工痕跡并拋光，以消除試樣表面因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。為模擬熱作模具表面反復(fù)急冷急熱的工作過程，試樣在600 ℃至室溫20 ℃(流動(dòng)常溫水)之間進(jìn)行加熱與冷卻的熱循環(huán)，加熱、冷卻一次作為一個(gè)循環(huán)，每次循環(huán)加熱時(shí)間為5 min，入水冷卻時(shí)間為10 s，直至預(yù)定循環(huán)500 次，以相同循環(huán)次數(shù)下的裂紋長度作為比較熱疲勞裂紋擴(kuò)展抗力的指標(biāo)。采用OLYMPUS-PMG3型光學(xué)顯微鏡觀測裂紋長度。

圖1 熱疲勞試樣尺寸

拉伸試樣按照GB/T 25774.1—2010《焊接材料的檢驗(yàn)第1部分：鋼、鎳及鎳合金熔敷金屬力學(xué)性能試樣的制備及檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)制備，試件制備成帶墊板的V型坡口形式，墊板固定焊在試件的背面，焊后立即進(jìn)行550℃回火熱處理，保溫4 h，確保與熱作模具堆焊藥芯焊絲熱處理程序一致。其中拉伸試驗(yàn)按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行，試樣的公稱直徑10 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堆焊合金的顯微組織

圖2為國外焊接材料Weld Mold 9650及不同W含量的Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金焊態(tài)下顯微組織形貌。從圖中可以看出，F(xiàn)e-Cr-Mo-W-V系堆焊合金焊態(tài)組織均為粗大板條馬氏體，在晶界處有少量白色的殘余奧氏體(圖2a)，未添加W的焊態(tài)合金晶粒和板條馬氏體都比較粗大，而且晶界十分的明顯。隨著W元素含量的提高，合金組織中可以看到晶界越來越明顯，成分均勻化更好，馬氏體間距降低，說明晶粒細(xì)化，板條狀馬氏體組織進(jìn)一步細(xì)化，而且晶界處殘余奧氏體邊界更加清晰，說明其數(shù)量也比未添加W合金有所增加。其組織細(xì)化的原因可能W元素是強(qiáng)碳化物形成元素，主要用來增加堆焊合金的紅硬性，W與C原子的化學(xué)親和力大，易生成高熔點(diǎn)、高硬度的W2C，WC，這些微小、彌散分布的碳化物在晶界處析出，在加熱時(shí)不會(huì)完全溶解，可有效地阻止奧氏體晶粒的長大，從而起到細(xì)化晶粒的作用。而國外焊接材料Weld Mold 9650焊態(tài)組織以低碳馬氏體為主，未見明顯的殘余奧氏體。

2.2 堆焊合金焊態(tài)硬度及熱穩(wěn)定性

對(duì)堆焊合金的焊態(tài)硬度進(jìn)行測試，結(jié)果見表3。堆焊層焊態(tài)硬度值隨著W含量的增加，呈逐漸增大的趨勢。少量W元素的加入可能增強(qiáng)了合金的固溶強(qiáng)化效果[7]。

圖3為堆焊合金洛氏硬度隨著回火處理時(shí)間變化的柱狀圖。堆焊合金經(jīng)550 ℃回火處理后的硬度比焊態(tài)均有不同程度下降，而且隨著熱處理時(shí)間的延長，堆焊層硬度逐步降低并趨于平緩，表明W元素的加入，可進(jìn)一步提高合金的熱穩(wěn)定性。高溫回火時(shí)，一部分W元素在回火過程中與馬氏體基體過飽和固溶的碳形成碳化物，將以WC，W2C的形式彌散析出，造成二次硬化，從而提高堆焊合金熱穩(wěn)定性[8]。

圖2 0～1.0%W以及Weld Mold 9650堆焊合金焊態(tài)顯微組織

表3 堆焊合金焊態(tài)下洛氏硬度 HRC

圖3 堆焊合金熱穩(wěn)定性變化規(guī)律

堆焊合金經(jīng)回火處理后，合金硬度降低的主要原因是由于在該過程中馬氏體基體過飽和固溶的碳析出形成碳化物，導(dǎo)致馬氏體中碳含量的降低。強(qiáng)碳化物形成元素V，W元素的加入量都比較少，所以在堆焊合金中會(huì)形成的使彌散、細(xì)小而且少量的碳化物。碳化物的析出雖然對(duì)堆焊合金的微觀硬度略有提高，但其影響小于固溶強(qiáng)化作用的減弱，只能延緩硬度的下降趨勢。因此，堆焊合金硬度逐漸下降，當(dāng)碳化物已析出、基體的碳含量已降低到平衡值后，隨著熱處理時(shí)間的增加，堆焊合金硬度下降趨于平緩[9-10]。

2.3 熱疲勞裂紋結(jié)果與討論

將經(jīng)過500次熱疲勞循環(huán)后的堆焊合金試樣表面產(chǎn)生的水垢及氧化皮進(jìn)行磨拋去除，產(chǎn)生的疲勞裂紋形貌如圖4所示。經(jīng)500次熱循環(huán)后各試樣均產(chǎn)生多條裂紋，只依靠主裂紋長度來評(píng)定試樣對(duì)疲勞裂紋的抵抗力會(huì)產(chǎn)生偏差，因此用熱循環(huán)500次后試樣的裂紋總長度作為評(píng)定裂紋抵抗能力強(qiáng)弱的標(biāo)準(zhǔn)。將試樣表面產(chǎn)生的裂紋長度之和并取平均值后繪制成圖5?？梢钥闯?，國外焊接材料Weld Mold 9650試樣的缺口邊緣由于裂紋貫通，局部剝落，導(dǎo)致試樣缺口擴(kuò)大，其主裂紋平均長度為697.5 μm。未添加W試樣主裂紋長度最短，約為509 μm，它的主裂紋條數(shù)較少，裂紋寬度較細(xì)，在所有試樣中抗熱疲勞裂紋性能最好。隨著堆焊合金中W含量的增加，堆焊合金主裂紋平均長度由未添加W的509 μm逐漸增加至1.0%W的798.5 μm，W的加入降低了堆焊合金的抗熱疲勞裂紋性能。與國外焊接材料Weld Mold 9650相比，未添加W和含0.2%W，0.5%W的堆焊合金抗熱疲勞性能要比國外焊接材料Weld Mold 9650的抗熱疲勞性能強(qiáng)。

圖4 不同熱疲勞試樣500次熱循環(huán)后的裂紋形貌

圖5 不同熱疲勞試樣主裂紋平均長度

在試驗(yàn)過程中，高溫加熱使得堆焊合金中的元素?cái)U(kuò)散速率增快，碳化物易于聚集長大，并且由于晶界處存在較多碳化物，當(dāng)熱應(yīng)力超過碳化物與基體的結(jié)合力時(shí)，熱疲勞裂紋易于從晶界粗大碳化物處萌生并擴(kuò)展。隨著W含量的增加，W的碳化物析出相(WC，W2C)數(shù)量逐漸增加并在冷熱疲勞過程中聚集長大，在熱循環(huán)過程中，碳化物周圍容易應(yīng)力集中形成微裂紋。當(dāng)碳化物較多時(shí)，碳化物周圍的微裂紋容易連接形成較長的裂紋，從而加快裂紋的增長，使得熱疲勞性能變差。因此試樣隨著W含量的增加，碳化物和基體界面應(yīng)力也越大，導(dǎo)致抗熱疲勞裂紋能力逐漸下降。

2.4 堆焊合金的力學(xué)性能

熱作模具在工作過程中將承受較大的沖擊載荷和內(nèi)應(yīng)力，而模具材料的組織韌性對(duì)其裂紋擴(kuò)展的難易程度有較大影響，從而影響模具的抗裂性，因此模具鋼必須具有強(qiáng)度和韌性的良好配合，有利于模具壽命的延長。對(duì)未添加W、含0.5%W和國外焊接材料Weld Mold 9650焊態(tài)堆焊合金的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長率進(jìn)行測試，結(jié)果見表4?？梢钥闯觯兄频奈刺砑覹、含0.5%W堆焊合金抗拉強(qiáng)度略高于國外焊接材料Weld Mold 9650，但斷后伸長率略低于Weld Mold 9650。

表4 未添加W、含0.5%W和Weld Mold 9650堆焊 合金拉伸試驗(yàn)結(jié)果

堆焊合金抗拉強(qiáng)度Rm/MPa斷后伸長率A(%)未添加W14707．00．5%W15107．0WeldMold965013529．5

3 結(jié) 論

(1)研制的Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金顯微組織主要由板條馬氏體+殘余奧氏體構(gòu)成。

(2)隨著W含量增加，堆焊合金焊態(tài)及550 ℃回火后所對(duì)應(yīng)的硬度值逐漸增加，回火后的堆焊合金硬度總體呈下降的趨勢。

(3)隨著W含量增加，堆焊合金抗熱疲勞裂紋性能逐漸降低，但所有合金試樣裂紋寬度均較細(xì)，無剝落現(xiàn)象發(fā)生，其中未添加W、含0.5%W，1.0%W堆焊合金的抗熱疲勞裂紋性能比國外焊接材料Weld Mold 9650的性能強(qiáng)。

(4)Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的抗拉強(qiáng)度略高于國外焊接材料Weld Mold 9650，斷后伸長率略低于國外焊接材料Weld Mold 9650。

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2016-06-21

TG455

肖 君，1992年出生，碩士研究生。主要研究方向?yàn)槟＞吆附硬牧?，已申?qǐng)專利1項(xiàng)。