趙 霞， 王 勃， 劉 興

（1.黑龍江科技大學材料科學與工程學院，哈爾濱150022；2.平朔露天設(shè)備維修中心，山西朔州036006）

滲硼鋼板焊接接頭的耐磨性

趙 霞1， 王 勃2， 劉 興1

（1.黑龍江科技大學材料科學與工程學院，哈爾濱150022；2.平朔露天設(shè)備維修中心，山西朔州036006）

為提高滲硼Q235鋼焊接后接頭的耐磨性，選擇三種焊條對滲硼鋼進行焊接，分析所得到的滲硼層和焊接接頭的金相組織、顯微硬度和耐磨性。結(jié)果表明：滲硼Q235鋼表面峰值顯微硬度可達16.17 GPa，經(jīng)D256、D107、J422焊條焊接后，接頭內(nèi)顯微硬度最高分別為3.21、4.90、2.94 GPa，相對耐磨性分別為滲硼鋼的2.50、0.96、0.46倍。D107和D256焊條適宜焊接滲硼Q235鋼，其耐磨性近于或優(yōu)于滲硼鋼。

鋼板；滲硼；焊接接頭；顯微組織；顯微硬度；耐磨性

滲硼是借助滲硼劑分解出活性硼原子，將其擴散進入金屬表層，形成硬質(zhì)硼化物層的表面強化化學熱處理過程［1］。滲硼后的硼化物層具有表面硬度高、耐磨性好、抗高溫氧化性和紅硬性優(yōu)良等特點［2］。目前，滲硼工件廣泛應(yīng)用于工作條件惡劣的工模具和易磨損的零件，并逐步擴大至精密工件，在機械、冶金、石油化工、輕工、煤礦、農(nóng)業(yè)等行業(yè)都得到了應(yīng)用［3］。

隨著滲硼技術(shù)的廣泛應(yīng)用，滲硼工件的焊接問題呈現(xiàn)出來。使?jié)B硼工件焊接后接頭與滲硼層具有相近的硬度及耐磨性，這在現(xiàn)實生產(chǎn)中具有十分重要的意義。為此，筆者選擇不同焊條對滲硼鋼板進行焊接，研究滲硼鋼板焊接接頭的耐磨性，為滲硼鋼板焊接工藝的推廣奠定了基礎(chǔ)。

1　實 驗

1.1樣品制備

實驗選用固體粉末法進行Q235鋼滲硼。滲硼試樣尺寸為80 mm×50 mm×10 mm。固體滲硼劑選用商用LSB-I型粒狀滲硼劑。將試樣置于φ100 mm×120 mm的密封罐內(nèi)，經(jīng)150℃烘干1 h后放入SXF8-10可編程高溫爐箱內(nèi)進行滲硼實驗，溫度850℃，時間7 h，取出密封罐空冷至室溫。滲硼鋼板焊接選取焊條電弧焊方法，接頭形式為對接接頭，焊條選擇D256、D107、J422三種，焊接工藝參數(shù)為電流90 A、電壓20 V。

1.2分析方法

用XJB-1型金相顯微鏡進行組織形貌觀察，用MHV2000型數(shù)顯顯微維氏硬度儀測定焊接接頭的顯微硬度分布。在MMS-2B磨損實驗機上進行焊接接頭的摩擦磨損性能實驗，對磨試樣為淬火處理的GCr15鋼，磨損實驗力為100 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，時間為30 min。利用FC204型電子天平測定磨損試樣前后的重量，精度為0.1 mg。

2　結(jié)果與討論

2.1金相組織觀察與分析

2.1.1滲硼鋼組織

圖1為滲硼鋼截面組織形貌。從圖中可以看出，滲硼層組織呈典型的齒狀結(jié)構(gòu)，滲硼層內(nèi)齒峰不均、疏松，滲硼層厚度約為110μm。根據(jù)文獻［4-5］可知，滲硼層由FeB和Fe2B兩相組成，滲硼層的微觀硬度較高。

圖1　滲硼鋼截面組織Fig.1 M icrostructure of boriding steel

2.1.2D256焊條焊滲硼鋼接頭組織

圖2為D256焊條焊滲硼鋼接頭金相組織。由圖2a可見，焊縫內(nèi)奧氏體團狀組織鑲嵌在鋼中；圖2b可見，接頭內(nèi)存在熔合區(qū)及晶粒粗大的過熱區(qū)，且焊縫內(nèi)未見裂紋。

圖2　D256焊條焊滲硼鋼接頭金相組織Fig.2 M icrostructure observation D256 electrode welding steel fittings boriding

2.1.3D107焊條焊滲硼鋼接頭組織

D107焊條焊接后得到的接頭組織為珠光體，為提高接頭的耐磨性，對焊接件進行熱處理（淬火+低溫回火）獲得馬氏體組織，如圖3所示。

圖3　D107焊條焊滲硼鋼接頭金相組織Fig.3 M icrostructure observation D107 electrode welding steel fittings boriding

由圖3可見，焊縫為板條馬氏體，縫內(nèi)未見裂紋。

2.1.4J422焊條焊滲硼鋼接頭組織

J422焊條焊后得到的接頭組織如圖4所示。由圖4可見，焊縫中心形成等軸晶，焊縫內(nèi)未見裂紋。這是因為熔化焊縫金屬聯(lián)結(jié)處的母材有交互結(jié)晶的特征，熔池金屬的結(jié)晶是從熔合區(qū)的半熔化晶粒開始向焊縫中心生長。當晶體最易長大方向與散熱最快方向一致時，晶體便優(yōu)先得到生長。當一部分晶體的取向不利時，晶粒的成長就被抑制，形成柱狀晶。焊縫中心形成等軸晶。

圖4　J422焊條焊滲硼鋼接頭金相組織Fig.4 M icrostructure observation J422 electrode welding steel fittings boriding

2.2顯微硬度分析

圖5為滲硼鋼板截面顯微硬度分布曲線。由圖可見，滲硼鋼板近表面顯微硬度達到峰值后，至基體呈梯度降低。滲硼層峰值硬度約為16.17 GPa，基體硬度約為1.94 GPa，滲硼層峰值硬度約為基體的8倍。

圖6為不同焊條焊滲硼鋼板焊后接頭的顯微硬度分布曲線。由圖可見，D107焊條焊滲硼鋼接頭整體硬度高于D256和J422焊條焊滲硼鋼接頭的整體硬度。D107焊條焊滲硼鋼接頭焊縫內(nèi)顯微硬度可達4.90 GPa；D256焊條焊滲硼鋼接頭焊縫內(nèi)最大顯微硬度約為3.21 GPa；J422焊條焊滲硼鋼接頭焊縫內(nèi)最大顯微硬度約為2.94 GPa，從焊縫至基體緩慢下降。

圖5　滲硼鋼板截面顯微硬度分布曲線Fig.5 Boronizing steel sectionalm icrohardness d istribution curve

圖6　不同焊條焊滲硼鋼接頭的硬度分布曲線Fig.6 Different electrode welding steel fittings boronizing hardness distribution curves

顯微硬度分布和組織有關(guān)。因為鋼板經(jīng)過滲硼后，在表面形成的鐵硼化合物FeB和Fe2B本身具有很高的硬度，顯微硬度分別為18.52～22.93 GPa和12.64～16.46 GPa，因此，滲硼層的峰值硬度可達16.17 GPa。圖5中滲硼層外表面顯微硬度有一段上升過程，是由于C在FeB和Fe2B中的溶解度很小，鋼表面C被排擠到內(nèi)側(cè)，在緊靠硼化物的內(nèi)側(cè)出現(xiàn)一個富碳擴散層，所以，在滲硼層最表面的顯微硬度會有一段升高的過程。滲硼層至基體呈梯度降低是由于滲硼層的連續(xù)性減小，承受擠壓的能力變小所致。結(jié)合焊接接頭的顯微組織分析不同焊條焊滲硼鋼接頭硬度分布曲線（圖6），D256焊條焊滲硼鋼接頭為奧氏體組織，在沖擊力的作用下產(chǎn)生晶界塑性變形及大量位錯，大量的晶界阻礙位錯運動和晶體滑移，促使位錯纏結(jié)并釘扎在晶界，形成孿晶，派納力增大，從而使材料得到強化，但因組織仍為奧氏體，因此，焊縫顯微硬度略高于基體Q235鋼。D107焊條焊滲硼鋼接頭為板條馬氏體，其焊縫金屬硬度得到較大提高。J422焊條焊滲硼鋼時，熔敷金屬對焊縫有一定的合金化作用，使焊縫顯微硬度也略高于基體Q235鋼。

2.3耐磨性分析

2.3.1焊滲硼鋼接頭的相對耐磨性

圖7為滲硼鋼焊接前后的相對耐磨性。ε相= Wa/Wb（Wa為標準滲硼鋼試樣單位時間內(nèi)的磨損量，Wb為D256、D107或J422焊滲硼鋼接頭試樣單位時間內(nèi)的磨損量，ε相為J422、D256或D107滲硼鋼接頭的相對耐磨性）。經(jīng)過計算，滲硼鋼及D256、D107、J422焊滲硼鋼接頭相對耐磨性分別為1.00、2.50、0.96、0.46。由圖也可以明顯看出，D256滲硼鋼接頭耐磨性最好，J422滲硼鋼接頭耐磨性最差，D107滲硼鋼接頭耐磨性與滲硼鋼耐磨性相近。

圖7　不同焊條焊滲硼鋼接頭的相對耐磨性Fig.7 Relative permeability of different welding electrode wear boron steel joints

2.3.2滲硼鋼表面磨損形貌

圖8為滲硼鋼焊接前后表面磨損形貌。從磨損形貌分析，滲硼鋼和J422焊條焊滲硼鋼接頭磨損形貌為犁溝，表面剝落嚴重，磨損深度和面積比較大（圖8a、8d）；D256焊條焊滲硼鋼接頭表面磨損形貌為較淺的犁痕和輕微黏著（圖8b）；D107焊條焊滲硼鋼接頭表面磨損形貌為較淺的犁痕和坑洞（圖8c）。

磨損性能不僅與表面硬度有關(guān)，同時與過渡區(qū)的強韌性有關(guān)［6］。由上述分析可知，滲硼層由FeB和Fe2B兩相組成，雖然兩相微觀硬度較高，但兩相的比熱容和線膨脹系數(shù)存在差異，因此界面結(jié)合力較弱。滲硼層組織的疏松很容易成為裂紋源，均影響滲硼層的耐磨性，導致磨損表面產(chǎn)生剝落。J422焊條焊滲硼鋼接頭耐磨性最差，是因為滲硼鋼焊接過程中硼化物被熔化后，在電弧的吹力作用下，將熔化后的硼化物吹向接頭的兩側(cè)從而導致焊接接頭表面將不存在硼化物。磨損實驗時，周期性的載荷使接觸區(qū)受到很大的應(yīng)力，當超過材料強度時，在表層薄弱點處引起裂紋、擴展、斷裂，造成點蝕或剝落。所以，相對耐磨性較低。D107焊條焊滲硼鋼接頭與滲硼鋼耐磨性相近，是因為焊縫為板條馬氏體，硬度較高，耐磨性較好。但磨損形貌可見坑洞，原因是磨損過程中磨損面產(chǎn)生加工硬化，塑韌性降低，造成顯微疲勞剝落導致，D256焊條是一種含錳10%～14%的高錳鋼焊條。該焊條焊滲硼鋼接頭雖硬度不高，但韌性較好，具有較好的硬度韌性配比，在磨損過程中，磨損表面發(fā)生加工硬化，耐磨性得到提升，因此，三種焊條中相對耐磨性最大。

圖8　滲硼鋼焊接前后表面磨損形貌Fig.8 Boronizing worn surface of steel after welding

3　結(jié) 論

（1）滲硼Q235鋼表面的峰值顯微硬度可達16.17 GPa，經(jīng)D256、D107、J422焊條焊接后接頭內(nèi)最高顯微硬度分別為3.21、4.90、2.94 GPa。

（2）滲硼鋼、J422焊條焊接接頭、D107焊條焊接接頭、D256焊條焊接接頭的相對耐磨性分別為1.00、0.46、0.96、2.50。

（3）D107和D256焊條適宜焊接滲硼Q235鋼，可獲得與滲硼鋼相近甚至優(yōu)于的耐磨性。

［1］ 袁曉波，楊瑞成，陳 華，等.固體滲硼最佳工藝技術(shù)及其發(fā)展趨勢［J］.中國表面工程，2003，63（5）：5-14.

［2］ 李春波.稀土復合滲硼工藝的應(yīng)用研究［J］.赤峰學院學報：自然科學版，2013（23）：99-100.

［3］ 楊志兵，彭志輝.滲硼工藝的應(yīng)用［J］.金屬熱處理，2003，28（11）：63-66.

［4］ 趙 霞，高麗敏，劉 興.滲硼對球墨鑄鐵組織和耐磨性能的影響［J］.黑龍江科技學院學報，2010，20（2）：121-123.

［5］ 趙 霞，朱 艷，徐家文.氬弧重熔對20G鋼滲硼層組織結(jié)構(gòu)和耐磨性能的影響［J］.材料保護，2011，44（8）：75-77.

［6］ MARTINIC，PALOMBARNIG，POLIG，etal.Sliding and abrasivewear behavior of boride coatings［J］.Wear，2004，256（6）：608-613.

（編輯荀海鑫）

Boronizing wear resistance of steelwelded joints

ZHAO Xia1， WANG Bo2， LIU Xing1
（1.School of Materials Science&Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.Maintenance Center of OpencastWorking Equipment of Pingshuo Mining Company，Shuozhou 036006，China）

In order to improve the wear resistance of steel after boronizing Q235 welded joints，a choice of three electrodes for welding steel boronizing analyze the microstructure boride layer and the resulting weld joints，micro-hardness and wear resistance.The results showed that the peak boronizing Q235 steel surface microhardness up to 16.17 GPa，by D256，D107，J422 electrode within the joint highestmicro-hardness after welding 3.21，4.90，2.94 GPa，respectively，relative wear resistance of steel were boriding the 2.50，0.96，0.46 times.D107 and D256 electrode suitable for welding boronizing Q235 steel，the wear resistance near to or better than boronizing steel.

steel plate；boronizing；welded joints；microstructure；microhardness；wear resistance

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.007

TG457.1

2095-7262（2014）05-0476-04

A

2014-08-25

趙 霞（1980-），女，黑龍江省哈爾濱人，講師，碩士，研究方向：金屬材料表面改性、焊接，E-mail：sunyxzhaox@163.com。