耐磨堆焊層顯微組織特征及其與耐磨性關(guān)系的探析

劉 明

（威克萊冀東耐磨技術(shù)工程（唐山）有限公司， 063200）

隨著社會以及技術(shù)深層次發(fā)展，低應(yīng)力磨料磨損工件的需求量明顯增加，普通碳素鋼表面被堆焊一層高鉻合金鑄鐵之后，頻繁應(yīng)用到這類工件制造、修復(fù)兩大環(huán)節(jié)。工件整體性能、應(yīng)用效果和堆焊層的耐磨性緊密聯(lián)系，要全面剖析耐磨堆焊層顯微組織呈現(xiàn)的主要特征，深入探究顯微組織對堆焊層耐磨性的影響，以顯微組織為基礎(chǔ)，高效控制堆焊材料質(zhì)量，確保堆焊層有著較高的耐磨性，滿足低應(yīng)力磨料磨損工件制造以及修復(fù)要求。

1 實(shí)驗(yàn)材料以及實(shí)驗(yàn)方法

以某廠大型風(fēng)機(jī)葉片的耐磨堆焊層為例，風(fēng)機(jī)的葉片就是將高鉻合金耐磨材料堆焊在表面的低碳鋼。該風(fēng)機(jī)運(yùn)行中的風(fēng)量達(dá)到14000m3/min[1]，高速以及高溫的粉塵粒子不斷沖擦是影響風(fēng)機(jī)的主要因素，風(fēng)機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中的磨損屬于低應(yīng)力磨料磨損。在作業(yè)環(huán)境不斷影響下，風(fēng)機(jī)葉片的磨損日漸嚴(yán)重，最終功能作用無法順利發(fā)揮，需要對其進(jìn)行合理化的修復(fù)處理。堆焊修復(fù)一段時(shí)間后，對風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行了系統(tǒng)化檢查，發(fā)現(xiàn)修復(fù)層耐磨效果并不高，低于修復(fù)之前的堆焊層。針對這種情況，展開了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究，全方位、系統(tǒng)化分析耐磨堆焊層顯微組織以及影響堆焊層耐磨性的主要因素。在實(shí)驗(yàn)過程中，高鉻合金堆焊材料、馬氏體型高速堆焊材料都被應(yīng)用其中，采用的焊接方法就是常規(guī)手工電弧焊，通過透射電鏡、掃描電鏡，觀察耐磨堆焊層顯微組織。相應(yīng)地，下面是實(shí)驗(yàn)中基材以及堆焊材料某些化學(xué)成分具體情況。

基材以及堆焊材料某些的化學(xué)成分（單位：wt%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

21 堆焊層耐磨性和硬度

沖蝕磨粒磨損主要體現(xiàn)在機(jī)械切削、斷裂兩大層面，磨損表面金屬出現(xiàn)裂紋的同時(shí)發(fā)生塑性變形，在不斷擴(kuò)展過程中出現(xiàn)磨損碎片。和原堆焊層金屬相比，修復(fù)層的堆焊金屬成分大致相同，鉻-碳含量比不低于3.5。鐵素體、共晶M7C3硬質(zhì)相等都是堆焊層顯微組織的構(gòu)成部分[2]。與此同時(shí)，測量了修復(fù)層的硬度，發(fā)現(xiàn)其平均硬度為HRC64.4，比原堆焊層高，但耐磨性能低于原堆焊層，也就是說，硬度并不是影響堆焊層耐磨性的唯一因素，和堆焊層顯微組織呈現(xiàn)的特征有著直接關(guān)系。

2.2 堆焊層耐磨性與顯微組織特征

在掃描電鏡觀察中，發(fā)現(xiàn)原堆焊層的樹枝晶并不大，顯微組織均勻分布，但修復(fù)堆焊層的樹枝晶較大，顯微組織的分布并不均勻。隨后，再利用透射電鏡深層次觀察，發(fā)現(xiàn)原堆焊層的共晶M7C3形態(tài)大都呈顆粒狀，并不大，很少呈條狀，分布相對均勻，基體是鐵素體、珠光體；修復(fù)堆焊層的共晶M7C3呈板條狀，比較大，分布并不均勻，基體是亞穩(wěn)γ-Fe、Cr6Fe18Mo5金屬間化合物相[3]。M7C3硬質(zhì)相、基體二者分別具有抗磨損、抗裂紋的作用，在科學(xué)匹配基礎(chǔ)上可以對沖蝕磨粒切削起到較好的阻礙作用，提升堆焊層的耐磨性。與此同時(shí)，和周圍基體相比，硬質(zhì)相的硬度更高，在切向壓力不斷作用下，二者界面區(qū)極易發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形以及位錯塞積，在應(yīng)力數(shù)值達(dá)到臨界數(shù)值，出現(xiàn)裂紋的同時(shí)會不斷擴(kuò)展，硬質(zhì)相、基體二者分離，堆焊層不斷被磨損，也就是說，裂紋的出現(xiàn)、擴(kuò)展和硬質(zhì)相的形態(tài)、分布、尺寸等有直接關(guān)系，對于細(xì)小、呈細(xì)桿狀、均勻分布的硬質(zhì)相來說，是很難和基體脫離的，這就是原堆焊層耐磨性高于修復(fù)堆焊層的關(guān)鍵性原因。此外，在沖擊應(yīng)力持續(xù)作用下，硬質(zhì)相、奧氏體基體二者界面也會出現(xiàn)嚴(yán)重的變形，硬質(zhì)相、基體二者極易分離。在硬質(zhì)相的基本性質(zhì)一樣的情況下，和奧氏體基體相比，鐵素體基體作用下的堆焊層耐磨性更高。

就低應(yīng)力磨料磨損來說，高碳高鉻合金耐磨材料、馬氏體型高速鋼耐磨材料二者應(yīng)用都比較頻繁[4]，具有較高的抗磨損效果。在測量過程中，發(fā)現(xiàn)馬氏體堆焊層具有較高的硬度。在熔合位置，馬氏體堆焊層某側(cè)硬度大幅度上升，高鉻合金堆焊層、母材基板二者硬度差并沒有較大的變化，這是因?yàn)轳R氏體堆焊層的顯微組織、化學(xué)成分各自都有陡變，硬度數(shù)值也會出現(xiàn)陡變。相應(yīng)地，下面是熔合區(qū)堆焊層硬度分布曲線圖。

熔合區(qū)堆焊層的硬度分布曲線圖

在掃描電鏡觀察中，發(fā)現(xiàn)高鉻合金作用下的堆焊層、基板二者結(jié)合程度較高，氏體堆焊接頭熔合位置有微小的裂紋出現(xiàn)，這表示隨著馬氏體相變的出現(xiàn)，堆焊層的工藝性能降低。從整體上說，高鉻堆焊層耐磨性和硬度有一定關(guān)系，但顯微組織呈現(xiàn)的特征才是主要影響因素，體現(xiàn)在性質(zhì)、形態(tài)、分布、尺寸等層面，細(xì)小、桿狀、分布均勻的硬質(zhì)相更利于提高堆焊層耐磨效果。在磨損條件不變的情況下，馬氏體堆焊層硬度較高，但耐磨性低于高鉻鑄鐵堆焊層，要在聯(lián)系實(shí)際的基礎(chǔ)上以磨損條件為切入點(diǎn)，科學(xué)選擇堆焊材料。

3 結(jié)語

總而言之，堆焊層的耐磨性和其顯微組織的基本相、硬質(zhì)相等有著直接關(guān)系，要在實(shí)驗(yàn)研究的過程中有機(jī)聯(lián)系實(shí)際，深化了解耐磨堆焊層顯微組織，準(zhǔn)確把握多樣化特征，進(jìn)一步探析顯微組織、耐磨性二者之間的關(guān)系以及堆焊層的磨損條件，科學(xué)選擇應(yīng)用其中的堆焊材料，最大化提高堆焊層耐磨效果，將實(shí)際應(yīng)用中的磨損程度最小化。