芯棒表面堆焊材料組織與耐磨性能分析

李 亮

(大連華銳重工特種備件制造有限公司 遼寧大連116052)

在定管定壁中起關(guān)鍵作用的芯棒是連軋管機(jī)組中不可或缺的工具。但由于其服役的工況十分惡劣[1,2]，芯棒表面經(jīng)常發(fā)生不同程度的劃痕、裂紋乃至嚴(yán)重磨損，進(jìn)而影響整個機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)。由于芯棒材質(zhì)一般為H13鋼，制造成本高，采購周期長，因此延長芯棒使用時限，提高芯棒表面抗磨性能，具有巨大的經(jīng)濟(jì)意義[3]。

由于芯棒的磨損失效都發(fā)生在其表面，故在其表面覆蓋上一層高性能材料不僅能提高其抗磨損性能，還可以對本體多次利用?，F(xiàn)在常見的表面改性技術(shù)有：涂鍍法[4]、堆焊法[5]和激光熔覆法[6]。其中由于堆焊法相比于熔覆法價格更低廉，還可以克服涂鍍法涂層較薄的缺點(diǎn)[7]，能獲得性能優(yōu)良的復(fù)合涂層[8]。本文在H13鋼基體上堆焊一定厚度的耐磨材料，對堆焊層的組織形貌、相組成及摩擦磨損性能進(jìn)行分析，并與基體組織進(jìn)行對比分析，為后續(xù)的復(fù)合制造提供參考數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試樣制備

試樣基體采用H13鋼基體材料，規(guī)格為80mm×50mm×30mm。堆焊前先用噴砂機(jī)對其表面進(jìn)行噴砂處理，完全去除基體表面氧化膜，保證露出金屬光澤，然后進(jìn)行堆焊。堆焊材料采用中冶建筑研究有限公司生產(chǎn)的104-S和108-S兩種埋弧堆焊藥芯焊絲，并配用專用的焊劑。藥芯焊絲和焊劑的化學(xué)成分見表1，具體堆焊工藝參數(shù)見表2所示。

表1 藥芯焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)%)

表2 焊劑化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表3 堆焊工藝參數(shù)

1.2 試驗(yàn)方法

采用日立S-3400掃描電子顯微鏡對熔覆組織進(jìn)行觀察，用島津7000型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析。使用HVS-1000維氏硬度計(jì)對整個堆焊層橫截面進(jìn)行硬度測試，加載壓力為200g，加載時間為15s。采用MMU-5G銷盤磨損機(jī)對堆焊件φ15mm×20mm進(jìn)行磨損測試，實(shí)驗(yàn)壓力為100N，轉(zhuǎn)速為100r/min，時間10min，對磨材料為Cr12MoV。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堆焊層焊態(tài)組織形貌

圖1是104-S堆焊層焊態(tài)的組織形貌。從圖1a中可知，試樣近表面處的組織是由馬氏體和殘余奧氏體組成。其中顏色稍深一點(diǎn)區(qū)域是馬氏體，近似于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；而略微凸起，平滑的白色塊狀區(qū)域是殘余奧氏體。在圖1b中，近母材處雖然也由馬氏體與殘余奧氏體組成，但可以明顯看出該處的馬氏體組織比較粗大，殘余奧氏體相對于近表面處也略有下降。這是由于近表面處合金元素含量高，奧氏體穩(wěn)定，只有在較低的相變溫度才能轉(zhuǎn)為了隱晶馬氏體，故奧氏體含量較高；而在近母材處，由于合金元素的稀釋，奧氏體穩(wěn)定性下降，馬氏體轉(zhuǎn)換比例變大，故殘余奧氏體減少。

圖2中可以看出108-S試件在近表面處的組織為平坦且顏色較深的塊狀殘余奧氏體，大塊平行的板條狀是上貝氏體組織，小塊雜亂且很細(xì)的是馬氏體針狀組織，近母材處則以針狀馬氏體為主，并帶有少量的塊狀貝氏體。

圖1 104-S堆焊層焊態(tài)組織形貌

圖3為104-S試樣經(jīng)650℃高溫回火后的組織形貌。由圖3a中可知，在近表面處略顯凹入的灰白色區(qū)域是原來隱晶馬氏體分布的位置。雖然馬氏體退化后，邊緣變得模糊，但仍可大致看到原來的邊界，而深灰色塊狀組織是殘余奧氏體。由圖3b中可知，近母材處的馬氏體退火后，雖然能看到這些組織原來的針狀形貌，但邊界更加模糊且殘余奧氏體較少。

圖2 108-S堆焊層的組織形貌

圖4為108-S試樣經(jīng)650℃高溫回火后的組織形貌。由圖4a中可知，經(jīng)過回火處理后，近表面處原來的平坦深色的殘余奧氏體幾乎沒有變化，但是大量呈片狀。針狀有細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的組織則退化成貝氏體和馬氏體。由圖4b中可知，近母材處的組織變化最大，馬氏體組織已經(jīng)完全不可見，只能發(fā)現(xiàn)索氏體組織。

2.2 X射線衍射分析

圖5對應(yīng)的是焊芯為104-S和108-S所對應(yīng)的試樣回火后的X射線衍射結(jié)果。雖然兩種藥芯焊絲成分有所不同的，但在圖中均只發(fā)現(xiàn)Fe-Cr合金固溶體相，沒有出現(xiàn)明顯的碳化物等硬質(zhì)相峰值，這可能是因?yàn)槠渌睾枯^少，衍射峰強(qiáng)度很低所致。

圖3 104-S堆焊層回火后的組織形貌

圖4 108-S堆焊層回火后的組織形貌

圖5 堆焊層試樣的XRD分析圖

2.3 硬度測試

圖6 回火后堆焊層硬度

圖6為兩種回火試樣的顯微硬度曲線?；鼗鸷髢煞N試樣的母材部分的硬度均在140HV左右，104-S回火試樣堆焊層的硬度在320HV左右，而108-S回火試樣的硬度略高，達(dá)到340HV左右。這是因?yàn)?08-S藥芯焊絲中加入的Cr能與C形成硬質(zhì)強(qiáng)化相。同時N含量的增加，也能替代部分C元素提高強(qiáng)化效果。

2.4 耐磨性測試

圖7和圖8分別為兩種回火試樣的摩擦系數(shù)曲線與磨損失重圖。從圖中可以看出兩種回火試樣的摩擦系數(shù)相差不大，回火后的104-S和108-S試樣的摩擦系數(shù)分別為0.64和0.65。但從磨損失重來看，108-S回火試件更耐磨一些，這與108-S回火試樣的較高硬度相對應(yīng)。相對于母材失重8.8mg，堆焊層的失重僅分別為3.7mg和3.2mg，涂層耐磨性能優(yōu)良，耐磨性提高近3倍。

圖7 回火后堆焊層的摩擦系數(shù)

圖8 回火后堆焊層的磨損失重

3 結(jié)論

(1)堆焊涂層具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，經(jīng)回火后104-S試樣近表面隱晶馬氏體消失，近母材處的馬氏體發(fā)生退化，殘余奧氏體含量下降。而108-S試樣近表面的上貝氏體和馬氏體發(fā)生退化成細(xì)網(wǎng)狀組織，近母材處的馬氏體退化成回火索氏體。

(2)堆焊涂層相對于母材具有較高的硬度，最大值可以達(dá)到350HV，其硬度為母材的2.2倍。

(3)堆焊涂層具有優(yōu)異的耐磨性，失重較少，可以使母材的耐磨提高3倍以上。