馬氏體不銹鋼耐磨焊條及其性能

高 源，楊 可，許紅祥，李嘉祺，包曄峰，蔣永鋒

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

馬氏體不銹鋼耐磨焊條及其性能

高 源，楊 可，許紅祥，李嘉祺，包曄峰，蔣永鋒

（河海大學機電工程學院，江蘇常州213022）

馬氏體不銹鋼具有高強度、良好的耐磨損性能以及一定的耐腐蝕性能。研制了一種馬氏體不銹鋼耐磨焊條，在低碳鋼Q235上進行堆焊試驗，分析堆焊接頭的組織轉(zhuǎn)變，并研究堆焊合金的耐磨性能。結(jié)果表明，該焊條具有良好的焊接工藝性能，堆焊層金屬與母材結(jié)合良好，未出現(xiàn)裂紋等缺陷；堆焊層組織為板條馬氏體+碳氮化物+少量殘余奧氏體；碳氮化物沿馬氏體基體和晶界析出，呈彌散分布，起到細晶強化和析出強化的作用；與母材相比，堆焊層金屬的硬度和耐磨損性能明顯提高，其磨損機制主要為顯微切削和塑性變形。

馬氏體不銹鋼；耐磨焊條；金相組織；耐磨性能

0 前言

疏浚和水利電力等部門的許多機械設(shè)備工作條件惡劣，不僅受到嚴重的磨粒磨損或沖蝕磨損，有時還會受到環(huán)境介質(zhì)的腐蝕導(dǎo)致破壞加劇，造成經(jīng)濟損失和能源損耗[1]。馬氏體不銹鋼具有良好的焊接性、高強度和高硬度、優(yōu)異的耐磨損性能以及良好的耐腐蝕性能，通過堆焊技術(shù)，常用于此類設(shè)備和零件的修復(fù)與再制造[2－3]。本研究通過在焊條藥皮中加入微合金化元素的方法，研制了一種馬氏體不銹鋼耐磨焊條，進行堆焊試驗并分析堆焊接頭，研究堆焊層金屬的組織和耐磨性能。

1 試驗材料、設(shè)備及方法

研制焊條的焊芯采用馬氏體不銹鋼1Cr13，選用低氫型焊條藥皮，其渣系為CaO-CaF2-TiO2，焊條的工藝性能主要通過大理石、螢石和鈦鐵礦三者之間的配合來調(diào)整熔滴過渡特性、熔渣粘度和脫渣性[4]?？紤]到磨損特點，在藥皮中還加入適量的鈮鐵、鈦鐵、氮化鉻等合金粉末進行合金化來提高堆焊層的耐磨性。此外，在藥皮中添加少量稀土硅來改善焊條的脫渣性能；為改善焊條穩(wěn)弧性能，還添加少量的穩(wěn)弧劑鈦白粉和鉀長石。

試驗用鋼板為Q235，板厚10 mm。試驗設(shè)備為ZX7-400數(shù)控手工焊機，采用焊條電弧焊在低碳鋼鋼板上堆焊五層以上，保證堆焊層金屬厚度大于等于10 mm。焊接工藝參數(shù)為：電弧電壓35～45 V，焊接電流120 A，直流反接，焊接速度18～23 m/h。

從鋼板上截取接頭試樣，經(jīng)砂紙打磨、機械拋光后，用CuSO4-HCl溶液分別腐蝕母材和堆焊層，腐蝕母材5 s、堆焊層10 s，腐蝕后用酒精清洗、吹干，使用金相顯微鏡觀察接頭組織。利用HD-1000TC維氏硬度測試儀測量母材和堆焊層金屬的顯微硬度。截取堆焊層金屬制備金相試樣，經(jīng)打磨和拋光后，用王水腐蝕，通過XJG-05型臥式金相顯微鏡觀察堆焊層金屬的顯微組織。

采用MLS-225型濕砂橡膠輪磨粒磨損試驗機分別對母材和堆焊層金屬進行磨粒磨損試驗，試樣尺寸57 mm×25.5 mm×6 mm，選用20～40目石英砂，砂水比例為1.5 kg砂子+1 kg水，轉(zhuǎn)輪直徑178 mm，載荷力100 N，轉(zhuǎn)速182 r/min，通過SK-404電子計數(shù)控制器進行計數(shù)，2 000 r后自動關(guān)閉磨粒磨損試驗機，觀察磨損形貌，分析磨損機理。

2 堆焊接頭分析

在焊接過程中，研制的焊條易引弧，電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺少。其原因為：一是焊條藥皮中加入的螢石和鉀長石在電弧作用下產(chǎn)生大量易電離的F-、 K+，能夠有效改善電弧的導(dǎo)電性；二是稀土元素原子半徑較大，電離電勢較低，在焊接高溫作用下，稀土元素最外層電子獲得較高能量而“逃逸”，電弧區(qū)內(nèi)電子增多，改善了電弧的導(dǎo)電性，從而提高電弧穩(wěn)定性[5]。焊縫成形美觀，堆焊層與母材結(jié)合良好，無裂紋，脫渣性能較好，渣殼較易脫落。焊接過程中，稀土元素易與氧發(fā)生反應(yīng)生成穩(wěn)定的高熔點稀土氧化物，降低了焊接區(qū)的氧含量，使焊縫表面不易形成FeO氧化膜；同時，稀土氧化物進入熔渣后能夠增大熔渣的表面張力，而進入焊縫金屬的稀土元素能夠降低焊縫金屬的表面張力，焊縫冷卻收縮時產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力差，使熔渣易發(fā)生脫落[6]。

接頭試樣熱影響區(qū)的顯微組織如圖1所示。

其組織為珠光體和鐵素體。受熱循環(huán)影響程度的不同，分別出現(xiàn)不完全重結(jié)晶區(qū)、混合晶粒區(qū)（正火區(qū)和過熱區(qū)）、過熱區(qū)和熔合區(qū)。混合晶粒區(qū)的形成是由于多層多道焊導(dǎo)致溫度場分布不均勻，該區(qū)域既分布著細小的重結(jié)晶組織，又存在著粗大的過熱組織。相對于正火區(qū)組織，過熱區(qū)雖然出現(xiàn)晶粒長大的現(xiàn)象，但通過顯微硬度測試發(fā)現(xiàn)該區(qū)域平均硬度為152.9 HV，略高于母材硬度（138.1HV）。因此采用焊條堆焊后的母材并未出現(xiàn)明顯的性能缺陷，熔合區(qū)也沒有發(fā)現(xiàn)裂紋等缺陷存在。因此母材與堆焊層金屬結(jié)合良好，未出現(xiàn)硬度軟化現(xiàn)象。

接頭試樣焊縫金屬的顯微組織如圖2所示。由圖可知，隨著焊接層數(shù)的增加，板條馬氏體的數(shù)量逐漸增多，鐵素體含量減少，這是由于稀釋率隨著層數(shù)的增加而降低，熔敷金屬中Cr、C、N、Ti、Nb等元素含量與焊條金屬成分趨于一致。顯微硬度測試結(jié)果表明，硬度隨著焊接層數(shù)的增加而逐漸增加，第三層以上硬度保持穩(wěn)定。

3 堆焊層組織和耐磨性能

3.1 堆焊層金屬的金相組織

堆焊層金屬顯微組織如圖3所示，其組織為板條馬氏體+少量殘余奧氏體，在基體上彌散分布著大量細小的第二相質(zhì)點碳氮化物。由分析可知，大量細小的析出相彌散分布在基體上，起到彌散強化的作用，提高了基體強度。同時，碳氮化物析出相對晶界有釘扎作用，能夠有效阻礙晶粒的長大。晶粒越細小，晶界越多，位錯的運動越困難，大量的晶界還能阻礙微裂紋的擴展。因此，碳氮化物的細晶強化和彌散強化作用提高了材料的強度和韌性。

圖1 焊接接頭熱影響區(qū)的顯微組織

圖2 焊接接頭堆焊層的顯微組織

3.2 堆焊層金屬的耐磨損性能

母材和堆焊層金屬的顯微硬度和載荷力100 N的磨損失重如圖4所示。堆焊層金屬硬度為519.7 HV，遠高于母材，堆焊層金屬的磨損失重明顯小于母材的磨損失重，表明堆焊層金屬的耐磨損性能較母材有顯著提高，研制的堆焊焊條具有較高的硬度和良好的耐磨性能。

圖3 母材和堆焊層金屬磨損形貌

圖4 母材和堆焊層的顯微硬度和磨損失重

母材和堆焊層金屬在載荷作用下磨粒磨損的宏觀形貌如圖5所示。由圖5a可知，母材試樣上的切削溝槽較寬深、連續(xù)、平行度好，因此，造成其磨損失重的主要機制為磨粒的顯微切削，此時磨損嚴重。由圖5b可知，堆焊層試樣的磨損形貌主要為切削溝槽和深淺不同的犁溝，溝槽窄且淺，磨損劃痕呈現(xiàn)出不連續(xù)性，在磨損表面能夠觀察到塑性變形。因此，堆焊層金屬的磨粒磨損機制主要是顯微切削和塑性變形。

在磨粒磨損的過程中，母材的組織為珠光體和鐵素體，其硬度較低，在載荷力的作用下，磨粒壓入深度較深，同時母材基體中的硬質(zhì)相很少，因此磨粒能夠很容易地直接切削母材金屬。而堆焊層金屬的組織為板條馬氏體和碳氮化物硬質(zhì)相。高強度、高硬度的馬氏體基體能夠減少塑性變形，減小粒子壓入的深度，阻礙切向運動，從而減少磨粒的顯微切削；同時，在馬氏體基體中彌散分布著大量的碳氮化物硬質(zhì)相，它們具有很高的硬度，能夠有效阻礙磨粒對基體的顯微切削，保護基體。此外，得到細晶強化的馬氏體組織具有良好的韌性，能夠支撐碳氮化物，使其在承受磨粒磨損作用時不會因應(yīng)力集中而剝落。馬氏體基體和碳氮化物之間的相互配合共同減輕了材料的磨損，從而提高了堆焊合金的耐磨損性能。

圖5 母材和堆焊層金屬磨損形貌

4 結(jié)論

（1）研制的耐磨焊條具有良好的焊接工藝性能，焊縫成形美觀，堆焊接頭試樣母材與堆焊層金屬結(jié)合良好，未發(fā)現(xiàn)有裂紋等缺陷存在。

（2）堆焊層金屬的顯微組織主要為板條馬氏體以及大量細小的碳氮化物析出相。

（3）堆焊層金屬中細小的碳氮化物彌散析出，起到細晶強化和沉淀強化作用，并配合馬氏體基體獲得較高的硬度和良好的耐磨損性能；磨損機制主要是顯微切削和塑性變形。

[1]劉國宇，鮑崇高，張安峰.不銹鋼與碳鋼的液固兩相沖刷腐蝕磨損研究[J].材料工程，2004（11）：37-40.

[2]徐濱士.表面工程和再制造工程的現(xiàn)狀及展望[J].材料工程，2003（S1）：1-6.

[3]Kirchganer M，Badisch E，F(xiàn)ranek F.Behavior of iron-based hardfacingalloysunderabrasionandimpact[J].Wear，2008，265（5/6）：772-779.

[4]孫咸.不銹鋼焊條脫渣性影響因素研究[J].焊接，1994（5）：2-6.

[5]紀東蓮，李永蓮.稀土對焊條工藝性和熔敷金屬組織性能的影響[J].稀土，1998，19（2）：19-22.

[6]李建國，于春玲，薛海濤，等.稀土對焊縫組織和性能影響的研究[J].兵器材料科學與工程，2011，9（5）：28-30.

[7]楊可.氮合金化堆焊硬面合金及其冶金行為研究[D].武漢：華中科技大學，2009：49-54.

Martensitic stainless steel wear resistance electrode and its property

GAO Yuan，YANG Ke，XU Hongxiang，LI Jiaqi，BAO Yefeng，JIANG Yongfeng
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Martensitic stainless steel exhibits a unique combination of high strength，good wear resistance and corrosion resistance.In this study，a kind of martensitic hardfacing electrode was developed，and overlayed on low carbon sheet steel Q235.The microstructure transformation of welded joint and the wear resistance of hardfacing alloy were investigated.It was proved that the electrode has a good welding performance.Surfacing layer metal and base metal are combined well，without cracks，etc.The microstructure of hardfacing alloy contains lath martensite，carbonitride and a small amount of retained austenite.Carbonitrides precipitate in martensite matrix and grain boundary with diffuse distribution，which has the effect of fine-grain strengthening and precipitation strengthening. Compared with the base metal，the hardness and the wear resistance of surfacing layer metal are increased significantly.The main wear mechanism is microscopic cutting and plastic deformation.

martensitic stainless steel；wear resistance electrode；microstructure；wear resistance

TG422.1

A

1001－2303（2017）03－0119-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.24

獻

高源，楊可，許紅祥，等.馬氏體不銹鋼耐磨焊條及其性能[J].電焊機，2017，47（03）：119-123.

2016-07-28；

2016-11-18

江蘇省自然科學基金資助項目（BK20141156）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（2015B22614）；河海大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目（2016102941187）

高 源（1991—），男，江蘇淮安人，碩士，主要從事表面堆焊表面堆焊合金組織與性能的研究工作。