堆焊層數(shù)對(duì)D707堆焊層組織性能的影響

陳 娟，董麗君，吳安如，2

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

堆焊層數(shù)對(duì)D707堆焊層組織性能的影響

陳 娟1，董麗君1，吳安如1，2

(1.湖南工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湘潭 411101；2.湖南工程學(xué)院 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組及控制湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411104)

采用D707耐磨堆焊焊條在低碳鋼Q235A上進(jìn)行平板堆焊實(shí)驗(yàn)，利用光學(xué)顯微鏡及HRS-150的數(shù)顯洛氏硬度計(jì)，研究堆焊層數(shù)與堆焊金屬組織、性能的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：D707焊條堆焊層的組織為Fe3W3C、針狀馬氏體和殘余奧氏體，熱影響區(qū)組織晶粒細(xì)小，分布均勻.堆焊一層、二層、三層的硬度值分別為61.07HRC、62.97HRC、63.07HRC，隨著堆焊層數(shù)的增加，基體對(duì)熔敷金屬的稀釋率逐漸減小，堆焊層組織中碳化物比值增高，硬度值及耐腐蝕性隨堆焊層數(shù)增加有所提高，但堆焊層數(shù)再增加時(shí)，硬度值及耐腐蝕性不再提高.

堆焊；熔敷金屬；顯微組織；硬度

堆焊是指將具有一定使用性能的合金材料借助一定的熱源手段熔覆在母體材料的表面，以賦予母材特殊使用性能或使零件恢復(fù)原有形狀尺寸的工藝方法[1].碳化鎢硬質(zhì)合金堆焊材料(如D707)是由高硬度的碳化鎢顆粒和較軟的鋼鐵基體所組成的一種復(fù)合耐磨材料，被廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、石油及煤炭等行業(yè)中承受嚴(yán)重磨損的工件表面[2].堆焊熔敷金屬對(duì)工件表面的耐磨性及其使用性能有直接影響，其影響因素主要有堆焊材料、堆焊工藝參數(shù)(包括焊接電流、焊接電壓、堆焊層數(shù)、焊條直徑等)等，其中堆焊層數(shù)的影響較大，層數(shù)過(guò)少會(huì)致使零件耐磨性達(dá)不到要求，層數(shù)過(guò)多則會(huì)導(dǎo)致焊接缺陷，成本增加.查閱現(xiàn)有文獻(xiàn)，堆焊層數(shù)對(duì)堆焊熔敷金屬組織性能影響的研究報(bào)道較少，故本文基于在碳鋼基體上堆焊D707耐磨焊條，研究堆焊層數(shù)的變化對(duì)堆焊熔敷金屬組織性能的影響，并對(duì)優(yōu)化堆焊工藝具有很好的科學(xué)意義及工程價(jià)值.

1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

選用規(guī)格為300 mm×100 mm×10 mm的Q235A鋼板作為基體材料，堆焊前對(duì)母材表面進(jìn)行清理并經(jīng)250 ℃預(yù)熱保溫，以防止堆焊層開(kāi)裂.采用焊條電弧焊工藝，利用“金字塔”形結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆焊(即堆焊層數(shù)為兩層時(shí)，第一層平鋪兩道焊縫，第二層平鋪一道焊縫，依此類推).采用Φ4.0 mm的D707耐磨焊條，其堆焊熔敷金屬化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為C1.50～3.00，≤4.00Si，≤2.00Mn，W40.0～50.0；堆焊層硬度≥60HRC.焊條經(jīng)200 ℃烘焙2 h，冷卻至100 ℃后保溫待用，此焊條藥皮易脫落，故采用直流反接會(huì)使堆焊效果更好；堆焊層數(shù)不超過(guò)3層，否則會(huì)使堆焊成本增加，且易出現(xiàn)堆焊層裂紋、剝落等缺陷，具體堆焊工藝參數(shù)如表1所示.

表1 堆焊工藝參數(shù)

焊后，為減少或消除淬火內(nèi)應(yīng)力，降低殘余奧氏體含量，對(duì)焊后試件采取合適的熱處理工藝，具體熱處理工藝如表2所示.

表2 熱處理工藝參數(shù)

用4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行整體浸蝕，由于D707的耐腐蝕性能較好，單獨(dú)對(duì)堆焊層進(jìn)行點(diǎn)浸蝕(即是用棉簽蘸取適量4%的硝酸酒精溶液，對(duì)焊縫區(qū)反復(fù)輕柔擦拭，直至表面呈灰白色)，并用光學(xué)顯微鏡對(duì)組織進(jìn)行觀察.

采用HRS-150數(shù)顯洛氏硬度計(jì)對(duì)堆焊層進(jìn)行硬度測(cè)量，因母材材料材硬度較低，選用HRB標(biāo)尺，堆焊試件硬度高，選用HRC標(biāo)尺.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堆焊試樣組織分析

Q235A母材的顯微組織是鐵素體和少量珠光體(見(jiàn)圖1a).采用D707焊條僅堆焊一層時(shí)，對(duì)試樣腐蝕8 s左右(見(jiàn)圖1b)，堆焊層未出現(xiàn)顯微組織，這是因?yàn)楹笚l本身的高碳、高合金，使得馬氏體和殘余奧氏體中的合金元素含量較高，以致組織抗腐蝕能力提高.采用點(diǎn)浸蝕3 min后(見(jiàn)圖1c)，堆焊層出現(xiàn)顯微組織，由樹(shù)枝狀的先析出相和共晶組織組成(見(jiàn)圖1d)，即是奧氏體、馬氏體和Fe3W3C，而先析出相邊界是高硬度的碳化物.因焊條的含碳量為1.50%～3.00%，在較高的母材稀釋率作用下，堆焊層中夾雜著針狀馬氏體(見(jiàn)圖1e)，且邊界有明顯的碳化物析出；而焊條中40%～50%的含鎢量，在正常的焊接條件下，焊條中的大多數(shù)碳化鎢熔化，只有少量沉淀在熔池底部，加上母材的熔合稀釋作用，堆焊層被鎢合金化，故D707焊條在堆焊一層時(shí)，堆焊層硬度達(dá)到了60HRC以上.對(duì)于熱影響區(qū)(見(jiàn)圖1f)，因焊接電流大，電弧能量高，對(duì)熱影響區(qū)基體相當(dāng)于正火處理，形成奧氏體化，焊后空冷，使其組織晶粒細(xì)小，分布均勻.

圖1 基體和D707堆焊一層的顯微組織

當(dāng)基體上堆焊2層(見(jiàn)圖2)時(shí)，堆焊層腐蝕時(shí)間更長(zhǎng)，約為5 min.從圖2(a)可以看，熱影響區(qū)與堆焊層有明確的分界線，其組織晶粒更為細(xì)小，經(jīng)淬火和回火后出現(xiàn)了明顯的針狀馬氏體群(見(jiàn)圖2b).而第二次的堆焊相對(duì)于對(duì)第一層堆焊層進(jìn)行了一次熱處理，其顯微組織由樹(shù)枝狀的先析出相和共晶組織組成(見(jiàn)圖2c)，碳化物呈白色網(wǎng)狀分布，晶粒更為細(xì)小.在堆焊第二層時(shí)，第一層相當(dāng)于基體，以致母材的稀釋作用減小，使得焊條中的碳化鎢基本不受基體稀釋率的影響，邊界的碳化物析出量增多，外層硬度進(jìn)一步提高.

當(dāng)基體上堆焊3層(見(jiàn)圖3)時(shí)，基體的熱影響區(qū)(見(jiàn)圖3a)在三次堆焊受熱的過(guò)程中，組織晶粒細(xì)小、分布均勻，對(duì)堆焊層進(jìn)行約為6 min的腐蝕后，堆焊層出現(xiàn)了明顯的組織.而第三層堆焊金屬基本不受基體材料的稀釋的影響，堆焊層(見(jiàn)圖3b)中夾雜著回火馬氏體，且碳化物析出不明顯，呈現(xiàn)出奧氏體晶界；在圖3(c)中，堆焊層由樹(shù)枝狀的先析出相和共晶組織組成，即是由奧氏體、馬氏體和Fe3W3C組成，黑色塊狀的殘余奧氏體和馬氏體非常明顯，碳化物組織呈白色網(wǎng)狀規(guī)律的排列著，晶粒更加細(xì)小[5].

圖2 D707堆焊二層顯微組織

圖3 D707堆焊三層顯微組織

2.2 硬度結(jié)果分析

經(jīng)測(cè)量，母材的平均硬度為81.30HRB，D707焊條堆焊層的硬度值皆超過(guò)了60HRC，如表3所示.

采用D707焊條堆焊一層、二層、三層的硬度值分別為61.07HRC、62.97HRC、63.07HRC.在基體上僅堆焊一層時(shí)，焊條向母材過(guò)渡了大量元素，使得母材的含碳量和合金元素含量大幅度提升，組織由鐵素體和少量珠光體變?yōu)镕e3W3C、針狀馬氏體和殘余奧氏體，焊條在堆焊時(shí)也形成了“自淬硬”(是指基體在焊接時(shí)加熱冷卻后，自然形成淬火效果，使焊縫形成馬氏體組織，顯著提高基體的強(qiáng)度和硬度)，使得硬度明顯高于母材；在堆焊第二、第三層時(shí)，后續(xù)的堆焊過(guò)程對(duì)前面焊層粗大晶粒組織具有回火熱處理的作用，使晶粒更加細(xì)化，邊界的碳化物析出增多，降低了硬脆傾向，改善了堆焊層金屬的力學(xué)性能，硬度值提高[3].由于焊條中含碳量的限制和母材稀釋率的影響，次層熔敷金屬的成分與焊條相近，使得外層基本上不受熔敷金屬稀釋的影響，以致外層硬度值的提升趨于平緩.故建議在使用D707焊條堆焊兩層則可獲得良好的堆焊效果.

表3 堆焊試樣硬度測(cè)試記錄

熱處理后D707焊條堆焊一層、二層、三層的硬度分別為63.63HRC、64.57HRC、64.61HRC.經(jīng)過(guò)淬火和回火后的堆焊件硬度有所提高，這是因?yàn)镈707堆焊件堆焊層淬火后組織應(yīng)為隱針馬氏體+塊狀碳化物+較多的殘余奧氏體的組織，回火后使得一部分碳和合金元素從殘余奧氏體中析出，從而降低了殘余奧氏體中碳和合金元素的含量，提高了馬氏體開(kāi)始轉(zhuǎn)變溫度，冷卻后，就會(huì)有部分奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，使堆焊件的硬度得到提高[4].

3 結(jié)論

(1)D707焊條堆焊層的顯微組織是Fe3W3C、針狀馬氏體和殘余奧氏體，熱影響區(qū)組織晶粒細(xì)小，分布均勻.碳化物的析出和高碳馬氏體的出現(xiàn)，使得D707堆焊層淬火和回火后硬度值超過(guò)了60HRC.由于針狀馬氏體和殘余奧氏體中合金元素含量較高，以致組織的抗腐蝕性能很高，需采用點(diǎn)浸蝕3 min左右才可出現(xiàn)顯微組織；

(2)采用D707焊條堆焊一層、二層、三層的硬度值分別為61.07HRC、62.97HRC、63.07HRC，對(duì)堆焊一層、二層、三層點(diǎn)浸蝕的時(shí)間分別為3 min、5 min、6 min.隨著堆焊層數(shù)的增加，基體對(duì)熔敷金屬的稀釋率逐漸減小，D707熔敷金屬組織中碳化物析出更多，故硬度值及耐腐蝕性隨堆焊層數(shù)增加有提高趨勢(shì)，但是堆焊層數(shù)增加到一定時(shí)硬度值及耐腐蝕性無(wú)明顯提高，D707焊條堆焊兩層可獲得良好的堆焊效果.

[1] 任艷艷，張國(guó)賞，魏世忠，等.我國(guó)堆焊技術(shù)的發(fā)展及展望[J].焊接技術(shù)，2012，41(6)：1-4.

[2] 彭冀湘，王順興，劉 勇.熱處理對(duì)D707堆焊層組織和性能的影響[J].材料開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，2002，17(1):4-7.

[3] 徐 慧，李天生，李興志.稀土低合金耐磨鋼堆焊焊條熔敷層性能研究[J].熱加工工藝.2008，37(3)：25-28.

[4] 鐘 玉，屈金山，陳文靜，等.45鋼基體上D172焊條堆焊層的組織與性能[J].機(jī)械工程材料，2008，32(4)，50-53.

[5] 趙秀娟，楊德新，陳春煥.納米復(fù)合粉末制D707焊條[J].硬質(zhì)合金，2003，20(2)：76-79.

Effects of Surfacing Layers on Microstructure and Property of D707 Cemented Carbide Surfacing Layer

CHEN Juan1，DONG Li-jun1，WU An-ru1，2

(1. College of Mechanical Engineering, Hunan Insitiute of Engineering，Xiangtan 411101，China;2. Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institiute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

In this paper, by using the optical microscope and HRS-150 digital display Rockwell Hardness Tester, and choosing the D707 wear-resistant overlaying welding electrode on low carbon steel Q235 flat surfacing welding experiments by manual arc welding method, effects of changing the number of layers on the microstructure and properties of deposited deposited metal are studied. The experimental results indicate that: the microstructure of deposited metal surfacing after welding is Fe3W3C, acicular martensite and retained austenite for D707, heat affected zone group small grains and uniform distribution. The hardness of one-layer, two-layer and three-layer surfacing are 61.07HRC,62.97HRC,63.07HRC,and the time of point-etching is 3 min, 5 min, 6 min. With the increasing of the surfacing layers, the matrix of the deposited metal dilution rate decreases;the carbide precipitate more from D707 deposited metal organization,too,and also the hardness and corrosion-resistance has a trend to increase. But when the number of surfacing layers increases, hardness and corrosion resistance are not significantly improved.

surfacing welding; deposited metal; microstructure; hardness

2016-10-30

陳 娟(1993-)，女，碩士研究生，研究方向：動(dòng)力機(jī)械及工程.

吳安如(1964-)，男，博士，教授，研究方向：機(jī)械工程材料.

TG455

A

1671-119X(2017)01-0045-04