某20CrNiMo部件等離子堆焊鎳基硬質(zhì)合金工藝研究

陳興東 郭洋 黃嵐

摘要：采用等離子粉末噴焊工藝在某20CrNiMo產(chǎn)品上制備Ni基硬質(zhì)合金層，并進(jìn)行PT、微觀金相、硬度及SEM掃描等分析。結(jié)果表明，硬質(zhì)合金層制備工藝的重復(fù)性良好，熔合線平滑、無缺陷。堆焊接頭焊層距離熔合線約100 μm處有析出相減少帶，熔合線處有寬2.5 μm的白亮帶，熔合線母材側(cè)面存在寬100～200 μm的擴(kuò)散帶。擴(kuò)散帶組織為珠光體鐵素體及WC的混合組織。通過SEM-EDS分析可知，焊層組織為γ鎳固溶體基體及枝晶間碳化物共晶組織。堆焊層硬度檢測(cè)分布均勻，硬度滿足要求，同時(shí)焊層具有加工硬化特征。

關(guān)鍵詞：等離子噴焊;WC;鎳基硬質(zhì)合金;金相組織

0 前言

在礦山、鉆探等領(lǐng)域，其易損部件如液壓支柱、掘進(jìn)齒、閥座、閥體等運(yùn)行工況十分惡劣[1]，要承受高頻率的對(duì)撞沖擊和磨粒磨損，其使用壽命較短，經(jīng)常需要停機(jī)更換。如鉆探作業(yè)中的泥漿泵類零部件，工作8～10 h就會(huì)因沖擊面變形損傷、疲勞磨損而失效[2]，給生產(chǎn)帶來無效的停頓時(shí)間，延長(zhǎng)施工周期。該類型產(chǎn)品的常規(guī)工藝方法是使用20CrNiMo、42CrMo等材料進(jìn)行滲透淬火處理，以制備硬化層。常規(guī)淬火方式獲得的硬化層厚度為1～3 mm，硬度可達(dá)58～70 HRC。但實(shí)踐證明，淬火滲碳等工藝制備未能有效改善該淬火鋼的使用壽命。

針對(duì)該現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)外開始研究使用等離子粉末堆焊鎳基硬質(zhì)合金的工藝技術(shù)，效果較好。等離子是繼激光、電子束之后的第三大高能束流，是一種集合電磁壓縮、機(jī)械壓縮和熱壓縮效應(yīng)的拘束電弧，能量密度可與激光媲美[3]。不同焊接熱源的溫度分布如表1所示。

文中針對(duì)20CrNiMo鍛件材料，使用東汽自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的等離子粉末噴焊設(shè)備，研究Ni-Cr-B-Si系鎳基硬質(zhì)合金的等離子粉末堆焊工藝。

1 試驗(yàn)方法及材料

試驗(yàn)材料為鍛件20CrNiMo，其化學(xué)成分如表2所示。采用等離子粉末噴焊專機(jī)在部件的沖擊面進(jìn)行堆焊，堆焊位置及坡口如圖1所示。斜坡面預(yù)制堆焊凹槽，保證加工后的焊層具有良好的熔覆性和耐磨性[4]。堆焊粉末分別為80～200目的Ni55、Ni60、Ni60+25%WC鎳基合金粉末，其化學(xué)成分如表3所示。

焊層厚度滿足坡口處邊緣不小于2 mm、中部大于3 mm。試驗(yàn)用等離子設(shè)備的送粉氣、離子氣和保護(hù)氣均為純度99.999%的氬氣。采用焊前預(yù)熱、焊后去應(yīng)力熱處理工藝，主要焊接參數(shù)如表4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)件焊縫成形良好，進(jìn)行去應(yīng)力熱處理后進(jìn)行硬度及PT檢測(cè)。精加工后的試件如圖2所示。

對(duì)試樣進(jìn)行線切割取樣，分別使用TIME5610C便攜式超聲波硬度計(jì)、光學(xué)顯微鏡（40MAT 顯微鏡）、標(biāo)樂5112維氏硬度計(jì)及掃描電鏡（BURKER EDS）進(jìn)行接頭組織和硬度分析。

2.1 焊態(tài)硬度檢測(cè)

試件焊接完成后，采用超聲波硬度計(jì)檢測(cè)其焊態(tài)下及加工后的基體、焊層的表面硬度：焊層檢查共4點(diǎn)，正圓均布在該部件錐面焊道中部?；w外圓均布4點(diǎn)進(jìn)行硬度檢測(cè)。硬度數(shù)據(jù)如表5所示。

由表5可知，試驗(yàn)件在加工后與其焊態(tài)相比，硬質(zhì)合金層表面硬度均有所增加，平均增加值為2～4 HRC，說明該鎳基硬質(zhì)合金層在加工過程中產(chǎn)生了加工硬化現(xiàn)象。硬度較高的WC合金層（3#）的加工硬化更為明顯。

2.2 微觀金相檢查及分析

由于堆焊層的搭接位置是薄弱環(huán)節(jié)，更具有代表性，故在搭接處進(jìn)行線切割取樣，取樣位置及宏觀形貌如圖3所示。

使用40MAT 光學(xué)顯微鏡分析試樣組織，焊層及熔合線金相組織分別如圖4～圖7所示。

由圖4～圖7可知，各試樣熔合線平滑，母材側(cè)擴(kuò)散區(qū)寬度均勻，約為70～90 μm。在熔合線母材側(cè)均形成了大量較為均勻的板條馬氏體+少量鐵素體+碳化物的混合組織（見圖7 的B區(qū)放大圖）。這是由于熔合線一側(cè)的鎳基合金C、Ni、Cr、Si等元素含量都高于母材，在熔合界面出現(xiàn)了成分?jǐn)U散。另外，在堆焊槽兩側(cè)坡口處堆焊時(shí)，由于等離子弧長(zhǎng)被坡口壓縮，造成坡口處基材熔化，材料稀釋作用加劇，成分?jǐn)U散區(qū)也更寬。葛言柳、鄧德偉[5]等人研究該擴(kuò)散區(qū)的元素?cái)U(kuò)散情況發(fā)現(xiàn)，焊層中的Ni元素向基體擴(kuò)散的程度較低，而Fe元素?cái)U(kuò)散較強(qiáng)。這是熔合稀釋作用所導(dǎo)致的元素?cái)U(kuò)散和元素本身在高溫下擴(kuò)散綜合影響的結(jié)果。Cr元素在擴(kuò)散區(qū)存在較為嚴(yán)重的偏析，形成了較多的富Cr相。這是因?yàn)镃r原子半徑較小，高溫下易擴(kuò)散，并極易與C原子形成化合物，從而造成成分偏析。

1#試樣在焊層側(cè)寬約200 μm區(qū)域內(nèi)，析出相明顯減少，同時(shí)存在寬約2.5 μm的白亮帶;2#試樣同樣存在析出相減少區(qū)域，寬約100 μm;3#試樣也有一定寬度的析出相減少區(qū)域。3#試樣的焊層中WC顆粒鑲嵌其中，分布較為均勻，WC顆粒無明顯的分層現(xiàn)象，接近熔合線附近的WC顆粒輕微溶解，焊層中WC顆粒相對(duì)溶解較多。這是由于焊接過程中焊道搭接處溫度更高，使得搭接處焊層中部的WC顆粒溶解較多，而熔合線附近因凝固速度較快，WC顆粒來不及溶解更多的緣故。此外，混合在Ni60粉末中的WC顆粒是熔融破碎型WC，為不規(guī)則鋸齒形，有效增加了溫度吸收面積，加速了WC顆粒在高溫下的溶解，在上述原因的共同作用下，使得WC顯示出極不規(guī)則的形狀。

選擇2#焊層組織進(jìn)行SEM-EDS（BURKER EDS）分析，主要分析照片（見圖8）中黑色塊針狀組織、灰色組織和淺色的基體，分別編號(hào)為301-1（2#-1）、304-2（2#-2）、304-3（2#-3）。由圖8可知，2#-2、2#-3均含有Si，2#-1不含Si且富含Cr，參考文獻(xiàn)[8]可知，其為C、Cr的化合物和Si的化合物。而對(duì)于2#-3，其主要富Ni，是Fe、Si、Cr溶于Ni形成的固溶體，呈枝晶狀，為γ-Ni基體[7]。2#-2位置主要是Ni、Fe、Si化合物形成的共晶組織。同理，1#和3#試樣也為鎳基合金，同屬于Ni-Cr-B-Si系合金，而3#試樣中增加的WC只是機(jī)械混合，并沒有改變其成分體系。因此其形成的合金組織必然具有相似性。

另外，等離子堆焊時(shí)熔池中溫度梯度很大，同時(shí)存在表面張力、等離子束流處理、氣體動(dòng)力以及顯微成分的不均勻性，因此形成了一定的組織梯度[7-8]。而對(duì)于同一合金系，采用相同的焊接方法及參數(shù)，該組織梯度應(yīng)具有相似性，故本次僅對(duì)2#試樣進(jìn)行掃描分析。

對(duì)2#試樣，從基體穿越熔合線到焊層進(jìn)行EDS線掃描，如圖9所示。由圖9可知，約2.5 μm的白亮帶區(qū)域內(nèi)Fe、Cr、Si、Ni元素存在著明顯的擴(kuò)散，其中Fe元素在該區(qū)域內(nèi)的含量急劇降低，Si、Cr、Ni元素劇烈增加，這是基體和焊層合金元素相互擴(kuò)散導(dǎo)致的。Junling Lind[8]等人將該白亮帶稱之為擴(kuò)散遷移帶（DTB），認(rèn)為DTB是在超過1 000 ℃的高溫下焊層合金元素向基體奧氏體中擴(kuò)散并在快速冷卻過程中被保留在奧氏體基體中的結(jié)果。張紅霞[9]等人分析認(rèn)為，該白亮帶是焊層合金中的Ni、Si、B、Cr元素在高溫下熔入奧氏體γ相后，使得γ相劇烈合金化，并在隨后的冷卻中被保留下來的產(chǎn)物。由此可知，白亮帶的出現(xiàn)，吸收了附近焊層區(qū)域內(nèi)的Cr等元素。

由成分掃描可知，Cr元素在焊層側(cè)熔合線處距離約40 μm范圍內(nèi)呈現(xiàn)小幅度的成分高低起伏;在該40 μm往右側(cè)28～40 μm區(qū)域內(nèi)，成分曲線平緩且處于含量較低水平。而該區(qū)域內(nèi)Ni含量較高，主要分布相為Ni的固溶體。說明該Cr成分含量較低的區(qū)域內(nèi)，Cr元素向母材和焊層兩側(cè)均進(jìn)行了擴(kuò)散以及與C等元素之間化合，從而減少了該區(qū)域Cr元素，這將降低該區(qū)域內(nèi)Cr固溶強(qiáng)化和形成硬質(zhì)相的作用[10-11]。這解釋了硬質(zhì)合金焊層在熔合線附近均存在80～200 μm的Cr析出相減少區(qū)域的現(xiàn)象。

由此可知，該Cr的析出相減少區(qū)域以及白亮帶是在高溫下由于元素的擴(kuò)散和電弧攪拌稀釋作用共同形成的。

2.3 解剖后硬度

使用標(biāo)樂5112維氏硬度計(jì)測(cè)試接頭硬度，數(shù)據(jù)如圖10所示，硬質(zhì)合金硬度基本與牌號(hào)提供硬度相當(dāng)。母材組織硬度在200 HV以上，具有良好的韌性儲(chǔ)備。

3 結(jié)論

（1）采用Ni55、Ni60和Ni60+25%WC鎳基合金成功制備試樣件3件，均獲得了硬質(zhì)相分布均勻的硬質(zhì)合金層，合金層金相組織純凈，PT等檢測(cè)均一次合格。鎳基硬質(zhì)合金的等離子堆焊工藝選擇恰當(dāng)，重復(fù)性良好。

（2）等離子噴焊制備的硬質(zhì)合金層在加工后有加工硬化現(xiàn)象，且合金層硬度越高，加工硬化越明顯。

（3）焊層與基體間會(huì)形成白亮帶過渡層，該層元素?cái)U(kuò)散劇烈。在硬質(zhì)合金焊層偏白亮帶的一側(cè)，由于合金元素?cái)U(kuò)散，會(huì)形成Cr硬質(zhì)相減少區(qū)域，寬度約為80～200 μm。

（4）對(duì)焊接試樣進(jìn)行EDS線掃描，發(fā)現(xiàn)從基體到硬質(zhì)合金層，合金元素的主要成分有峰值波動(dòng)，這是因?yàn)樵摵辖鹪貐⑴c了相組成，導(dǎo)致局部區(qū)域濃度減少的緣故。

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