正火對(duì)耐磨堆焊層組織與性能的影響

張佩

沈陽遠(yuǎn)大環(huán)境工程有限公司 遼寧 沈陽 110027

引言

堆焊技術(shù)在我國(guó)近50年的發(fā)展歷程中，為基礎(chǔ)工業(yè)的崛起和發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)，其應(yīng)用遍及機(jī)械、能源、交通、電力和冶金工業(yè)等領(lǐng)域[1-3]。通常在低碳鋼或低合金鋼制造的設(shè)備零部件工作表面進(jìn)行堆焊高合金耐磨層[4-6]。研究熱處理對(duì)耐磨堆焊層組織與性能的影響，熟悉其使用性能能延長(zhǎng)零部件壽命，增加耐磨性，減少經(jīng)濟(jì)損失，獲得更好的經(jīng)濟(jì)效益。本文以16Mn鋼作為基體材料，研究正火工藝對(duì)耐磨堆焊層組織與性能的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

選16Mn作為基體材料，組織為鐵素體和珠光體，尺寸為400mm×55mm×20mm，在寬55mm中間開一個(gè)10mm×10mm的U形槽，便于堆焊。焊條選用D507/GB EDCr-A1-15，焊條直徑為4mm。碳含量為0.15%，鉻含量15%，硫含量0.03%，磷含量0.045%，其他元素2.5%。

焊前對(duì)試件表面進(jìn)行除油、除銹處理，并預(yù)熱處理；焊條也進(jìn)行預(yù)熱，保證焊接時(shí)焊條表面的干燥。焊接電流為直流190A，堆焊后焊件進(jìn)行空冷。

采用SX2-8-10中溫電阻爐，對(duì)試件分別進(jìn)行910℃、940℃和970℃正火處理，保溫均為1h。采用XLL-02A立式金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織觀察；使用HR-150A洛氏硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)試；利用ML-100磨粒磨損機(jī)進(jìn)行磨損性能測(cè)試，對(duì)磨材料為180目水磨砂紙，載荷為40N，磨損時(shí)間為2min，用FA1104N型電子天平稱量，并計(jì)算堆焊試樣的磨損量。在JB-30A型沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊試樣為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的10mm×10mm×55mm試樣。采用SSX-500掃描電子顯微鏡，400倍下觀察堆焊層側(cè)面的斷口形貌如圖1所示。

圖1 堆焊層正火前的組織（400×）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

圖1、2為不同條件下融合區(qū)的金相組織。

16Mn鋼開槽進(jìn)行堆焊，堆焊焊條D507合金元素較高，在焊接時(shí)，熔池溫度很高，在淬火溫度以上，奧氏體冷卻時(shí)發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，堆焊層組織為低碳馬氏體，由成群的板條組成也叫板條狀馬氏體。這些密集的板條之間通常由含碳量較高的殘余奧氏體分隔開（圖中白色部分），這一薄層殘留奧氏體的存在顯著改善鋼的力學(xué)性能。

溫度升高到910℃時(shí)，堆焊層組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，保溫1小時(shí)后空冷，奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和鐵素體，正火時(shí)堆焊層組織由馬氏體變?yōu)殍F素體和珠光體，強(qiáng)度硬度下降，塑韌性變好。正火可以使碳化物分布均勻以及細(xì)化晶粒，910℃時(shí)晶粒正火后晶粒比較細(xì)小，塑韌性提高了。如圖2所示，圖中均勻分布的白色顆粒狀組織為鐵素體，低碳鋼正火時(shí)鐵素體會(huì)較多，珠光體為黑色。溫度升高到940℃，保溫1h后空冷，堆焊層組織由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w和鐵素體。940℃正火比910℃正火得到的晶粒要大，910℃時(shí)堆焊層組織塑韌性更好，強(qiáng)度更高。溫度升高到970℃時(shí)，保溫1小時(shí)后空冷，組織為珠光體和鐵素體。970℃正火比940℃正火得到的晶粒還要粗大，970℃正火時(shí)的堆焊層組織塑韌性比940℃差，強(qiáng)度更低，但是相對(duì)于馬氏體來講，正火轉(zhuǎn)變時(shí)強(qiáng)度硬度都下降了，塑韌性提高了。

圖2 不同溫度正火處理堆焊層顯微組織

通過對(duì)顯微組織觀察分析得出，當(dāng)保溫時(shí)間固定時(shí)，加熱溫度越高，晶粒越粗大，強(qiáng)度、塑韌性越差。

2.2 硬度分析

從表1中可以看出，硬度從堆焊層到母材依次遞減；隨正火溫度的升高，硬度值逐漸降低。這是因?yàn)?，鋼加熱溫度高或在該溫度上停留時(shí)間過長(zhǎng)，就會(huì)使奧氏體晶粒長(zhǎng)得粗大。正火冷卻下來晶粒也就粗大，導(dǎo)致機(jī)械性能降低。并且，正火之前堆焊層為馬氏體組織，正火之后堆焊層組織為鐵素體和珠光體，強(qiáng)度硬度下降。

表1 硬度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.3 耐磨性分析

表2為堆焊接頭在不同正火溫度下的磨損量。可見，堆焊接頭中心的堆焊層硬度值高于熱影響區(qū)的硬度值；隨正火溫度的提高，磨損量增加。

表2 試樣磨損量

這是由于焊后原始的中心堆焊層組織為低碳馬氏體，耐磨性好，強(qiáng)度硬度高，熱影響區(qū)組織不均勻，耐磨性相對(duì)于中心堆焊層較差。正火處理時(shí)，堆焊層和熱影響區(qū)組織由馬氏體變?yōu)橹楣怏w和鐵素體。鐵素體和珠光體的強(qiáng)度硬度比馬氏體低，耐磨性不如低碳馬氏體。

2.4 沖擊韌性分析

熱處理前后試樣的沖擊韌性值，如表3所示?？煽闯?，經(jīng)正火處理后試樣沖擊韌性都有所提升；并且隨正火溫度升高試樣沖擊韌性值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。這是因?yàn)檎鸷蠖押笇咏M織由馬氏體變?yōu)橹楣怏w和鐵素體，塑韌性變好，正火溫度越高，獲得的奧氏體晶粒越粗大，冷卻后堆焊層組織塑性越低。

表3 熱處理前后試樣沖擊韌性αk（單位:J?cm-2）

通過對(duì)表3的分析，可發(fā)現(xiàn)沖擊韌性普遍偏小，是因?yàn)槎押笇咏M織處為低碳合金鋼，堆焊層內(nèi)有缺陷，存在細(xì)小微孔，減小了沖擊面積，堆焊層組織中鉻含量較高。鉻能很大的提高金屬的強(qiáng)度和硬度，但同時(shí)降低塑性和韌性，顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，減小了沖擊功，從而減小了沖擊韌性。

2.5 斷口形貌分析

通過對(duì)試樣的斷口掃描來分析試樣的斷裂特征。斷口形貌如圖3所示。

圖3 斷口形貌（800×）

圖（a）、（b）和（c）可看出，微觀形態(tài)呈蜂窩狀，是大量的韌窩，屬于韌窩斷裂或韌性斷裂，金屬多晶材料的斷裂，是通過空洞核的形成、長(zhǎng)大和相互連接的過程進(jìn)行。韌窩的大小決定于第二相質(zhì)點(diǎn)的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和應(yīng)變硬化指數(shù)，以及外加應(yīng)力的大小和狀態(tài)等。韌窩斷裂是屬于一種高能吸收過程的延性斷裂。韌窩是微孔聚集斷裂的基本特征。韌窩斷裂的形成包括微孔成核、長(zhǎng)大、聚合直至斷裂。這些微孔是通過第二相質(zhì)點(diǎn)本身的破裂，或第二相與基體介面脫離而形成的，他們是金屬材料在斷裂前塑性變形到一定程度時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)試件受到?jīng)_擊發(fā)生微量變形時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的位錯(cuò)。位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)會(huì)遇到第二相質(zhì)點(diǎn)，位錯(cuò)環(huán)會(huì)在外加應(yīng)力的作用下堆積起來。當(dāng)位錯(cuò)環(huán)移向質(zhì)點(diǎn)與基體界面時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生微孔。因?yàn)槲⒖壮珊?，位錯(cuò)的斥力大大下降，位錯(cuò)源重新被激活，放出新的位錯(cuò)，從而是微孔長(zhǎng)大。相鄰微孔之間的截面不斷減小，最后斷裂。

圖（d）中既有解理臺(tái)階又有韌窩，所以說這種斷裂既有韌性斷裂又有脆性斷裂。在斷裂過程中不但要行成韌窩，還要形成解理面。由這兩種斷裂方式共同作用的，只是哪一個(gè)是主要的作用就是那種斷裂機(jī)制。

3 結(jié)論

本文對(duì)堆焊層進(jìn)行正火處理，通過對(duì)堆焊層組織和力學(xué)性能進(jìn)行表征及分析。得以下結(jié)論：

堆焊層具有很高的強(qiáng)度硬度以及耐磨性，堆焊層原始組織為低碳馬氏體，正火后堆焊層得到鐵素體和珠光體。

堆焊層正火處理后，組織變化致使硬度發(fā)生了變化，隨正火溫度升高，硬度值逐漸降低。由于金屬材料的耐磨性與其硬度成正比，隨著堆焊層硬度的降低，耐磨性也隨之降低。

正火處理后，由馬氏體變?yōu)橹楣怏w和鐵素體，試樣沖擊韌性都有所提升，但隨正火溫度升高試樣沖擊韌性值呈現(xiàn)減小趨勢(shì)。