38CrMoAl上堆焊2Cr13工藝參數(shù)研究

趙佳銘，岳峰麗，陳卓君，陳 彬

(1.沈陽理工大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，沈陽110159； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，沈陽 110866)

焊接是現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)中一種必要的工藝方法，在汽車制造中得到廣泛的應(yīng)用。汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車橋、車架、車身、車廂六大總成都離不開焊接技術(shù)的應(yīng)用，零部件的質(zhì)量和生產(chǎn)效率的高低絕大程度上取決于焊接；制造商一直致力于優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)性能，從車身重量、剛度和抗沖性、成本等方面進(jìn)行研究。目前市場競爭激烈以及生產(chǎn)批量加大的情況，汽車焊接技術(shù)雖然性能穩(wěn)定，但其工作時(shí)間仍可以縮減，從而加強(qiáng)整體生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。本文嘗試采用氬弧堆焊工藝，用弧焊熱源將2Cr13熔敷在38CrMoAl表面，以獲得硬質(zhì)堆焊層；通過改變堆焊工藝參數(shù)以及對(duì)堆焊層性能進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，研究堆焊工藝參數(shù)對(duì)堆焊層性能的影響規(guī)律[1-3]。

1 試驗(yàn)材料、設(shè)備及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 焊條材料

本研究采用馬氏體不銹鋼2Cr13焊條，其具有高抗蝕性、抗氧化、高強(qiáng)度、高韌性和足夠的熱強(qiáng)性，具有較好的綜合機(jī)械性能[4]。2Cr13焊條化學(xué)成分如表1所示。

表1 焊條2Cr13化學(xué)成分 wt/%

1.2 基體材料

本研究堆焊基體選用中碳合金鋼38CrMoAl，該合金鋼硬度為950～1100Hv，耐磨性好，可加工性好，其化學(xué)成分如表2所示。

表2 基體38CrMoAl化學(xué)成分 wt/%

堆焊前對(duì)試件表面熱處理，對(duì)其800℃保溫10min，250℃低溫回火油淬，并用乙醇和超聲波清洗除油污。

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

設(shè)備選用WSE-350交直流脈沖氬弧焊機(jī)；硬度測(cè)試選用HV-1000手動(dòng)轉(zhuǎn)塔顯微硬度儀；磨損試驗(yàn)選用MM-200磨損試驗(yàn)機(jī)；金相組織分析選用日立S-3400N掃描電鏡。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

堆焊電流是氬弧焊中主要的工藝參數(shù)，其直接影響堆焊層的形成及力學(xué)性能。本研究選用的焊接電流為110A、120A、130A、140A、150A。

氬氣壓強(qiáng)也是一個(gè)重要工藝參數(shù)，氬氣壓強(qiáng)的大小影響氬氣保護(hù)的效果[5]。本試驗(yàn)選用的氬氣壓強(qiáng)為5MPa和10MPa。

對(duì)磨損的評(píng)定方法，一般通過磨損量和磨損率兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)定。

(1)磨損量

在實(shí)驗(yàn)室摩擦磨損試驗(yàn)中應(yīng)用最多的是重量磨損量ΔW，也是本研究采用的評(píng)定指標(biāo)，指的是試樣磨損后重量的變化量。為減小試驗(yàn)誤差，磨損前后使用超聲波清洗儀和無水乙醇對(duì)試件進(jìn)行清洗，用吹風(fēng)機(jī)吹干。

(2)磨損率

磨損率是重量磨損量與磨損時(shí)間之比，由于對(duì)達(dá)到的磨損程度、需要的時(shí)間很難把握，所以對(duì)實(shí)驗(yàn)室的摩擦磨損試驗(yàn)一般不采用該指標(biāo)對(duì)金屬材料磨損進(jìn)行評(píng)定。但本研究的磨損時(shí)間為固定值300min，磨損率也可以作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

圖1為2Cr13堆焊層顯微硬度隨焊接電流和氬氣壓強(qiáng)變化的曲線圖。

圖1 2Cr13堆焊層硬度隨焊接電流和氬氣壓強(qiáng)變化曲線

由圖1可看出，當(dāng)氬氣壓強(qiáng)5MPa，焊接電流110A時(shí)，顯微硬度為3512.2Hv。焊接電流120A時(shí)，顯微硬度上升到3653.8Hv。焊接電流增長到130A時(shí)，焊條得到足夠能量與38CrMoAl熔合，堆焊層中有大量合金元素，使堆焊層組織得到強(qiáng)化，顯微硬度為3745.4Hv，比焊接電流110A時(shí)的顯微硬度提高了81.6Hv。焊接電流140A時(shí)，顯微硬度下降至3497.6Hv。焊接電流150A時(shí)，顯微硬度降至3444.2Hv。當(dāng)電流超過130A時(shí)，熱輸入過大，堆焊層冷速減慢使硬度降低。

當(dāng)氬氣壓強(qiáng)10MPa，焊接電流110A時(shí)，顯微硬度為3246.4Hv。焊接電流120A時(shí)，顯微硬度上升至3522.6Hv。焊接電流增長到130A時(shí)，顯微硬度較大，為3651.4Hv，比焊接電流110A時(shí)的顯微硬度提高了405Hv。焊接電流140A時(shí)，硬度下降至3439.4Hv。焊接電流150A時(shí)，顯微硬度下降至3269.2Hv。

當(dāng)焊接電流相同時(shí)，在氬氣壓強(qiáng)分別為5MPa、10MPa，堆焊層硬度對(duì)比可以看出，氬氣壓強(qiáng)過大，氬氣的保護(hù)效果較差，導(dǎo)致5MPa的顯微硬度大于10MPa。當(dāng)電流小于130A時(shí)，由于堆焊電流較小，焊條不能完全熔化，合金元素熔入較少，使熔池合金元素含量降低，堆焊層顯微組織中固溶體減少，導(dǎo)致組織硬度不高。當(dāng)電流大于130A時(shí)，熱輸入過大，推焊層冷速減慢，使硬度降低。

圖2為在38CrMoAl上堆焊2Cr13磨損量隨焊接電流和氬氣壓強(qiáng)變化的柱狀圖。

圖2 2Cr13堆焊層磨損量隨堆焊電流和氬氣壓強(qiáng)變化圖

從圖2可以看出，氬氣壓強(qiáng)5MPa，焊接電流110A時(shí)，磨損量為31.6mg。焊接電流120A時(shí)，磨損量為24.1mg，比110A時(shí)的磨損量減少了7.5mg。焊接電流130A，磨損量為15.6mg，比120A時(shí)的磨損量減少了8.5mg。焊接電流140A時(shí)，磨損量為20.8mg，比130A時(shí)的磨損量增長了5.2mg。焊接電流150A時(shí)，磨損量為30.9mg，比130A時(shí)的磨損量增長了15.3mg。電流130A磨損量最少，為15.6mg，此時(shí)磨損率也最低，為0.52mg/min。

當(dāng)氬氣壓強(qiáng)10MPa，焊接電流110A時(shí)，磨損量為35.7mg。焊接電流120A時(shí)，磨損量為26.0mg，比110A時(shí)的磨損量減少了9.7mg。焊接電流130A，磨損量為23.3mg，比120A時(shí)的磨損量減少了2.7mg。焊接電流140A時(shí)，磨損量為23.9mg，比130A時(shí)的磨損量增長了0.6mg。焊接電流150A時(shí)，磨損量為36.2mg，比140A時(shí)的磨損量增長了12.3mg。磨損量最少仍為130A時(shí)，為23.3mg，此時(shí)磨損率最低，為0.078mg/min。

在相同焊接電流下，氬氣壓強(qiáng)過大，保護(hù)效果較差，堆焊層組織結(jié)構(gòu)得不到強(qiáng)化導(dǎo)致磨損量增大，所以氬氣壓強(qiáng)10MPa的磨損量和磨損率均大于5MPa時(shí)，磨損量相差1.9～7.7mg，磨損率相差0.0063～0.025mg/min。

圖3、圖4分別為氬氣壓強(qiáng)5MPa、10MPa，焊接電流130A，2Cr13堆焊層SEM圖像。由圖3a看出，堆焊層和38CrMoAl分層明顯，且有明顯的斷面，約0.08mm，2Cr13熔渣與38CrMoAl熔合，焊接效果較好。由圖4a看出，堆焊層和38CrMoAl有明顯的斷層，約0.06mm，且與基體的分層較明顯，堆焊層組織出現(xiàn)凹坑、氣孔等焊接缺陷。由圖3b、圖4b看出，堆焊層組織為板條狀馬氏體，其具有較高的硬度和強(qiáng)度，在高倍下發(fā)現(xiàn)有較多的形狀各異、大小不等的組織和凹槽。堆焊層金相組織的硬質(zhì)相分布均勻，顯著提高了堆焊層的硬度和耐磨性。

圖3 氬氣壓強(qiáng)5MPa、焊接電流130A時(shí)堆焊層SEM圖像

圖4 氬氣壓強(qiáng)10MPa、焊接電流130A時(shí)堆焊層SEM圖像

圖5為氬氣壓強(qiáng)5MPa、10MPa，焊接電流130A，2Cr13堆焊層斷層附近Cr元素能譜圖。橫坐標(biāo)為基體到堆焊層的截面深度，單位μm；縱坐標(biāo)為能譜的計(jì)數(shù)率。

由圖5看出，堆焊層中的Cr 滲透到了38CrMoAl中，由于元素的相互滲透擴(kuò)散，Cr的含量在斷層處有明顯的增長。隨著斷面深度的增加，Cr含量急劇升高，熔渣與38CrMoAl發(fā)生了冶金結(jié)合，提高了結(jié)合強(qiáng)度，從而增加了堆焊層的顯微硬度。對(duì)比圖5a、圖5b，當(dāng)焊接電流為130A，氬氣壓強(qiáng)5MPa時(shí)，Cr含量增長均勻，說明堆焊層與基體結(jié)合的較好。氬氣壓強(qiáng)10MPa時(shí)，Cr含量突增，說明Cr在焊接過程中滲透的不好。

3 結(jié)論

本研究使用WSE-350氬弧焊機(jī)，通過改變不同的焊接電流和氬氣壓強(qiáng)，在38CrMoAl上堆焊2Cr13。通過對(duì)堆焊層進(jìn)行硬度測(cè)試、耐磨性試驗(yàn)，掃描電鏡組織分析得出：當(dāng)氬氣壓強(qiáng)5MPa，焊接電流130A時(shí)，堆焊層的顯微硬度為3745.4Hv，磨損量為15.6mg，磨損率為0.052mg/min；焊層組織均勻，且無氣孔、凹坑等焊接缺陷，Cr在堆焊層和38CrMoAl中相互滲透的比較好，耐磨性較強(qiáng)，可以有效的提高曲軸的耐磨性。