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        不同焊接方法對NiCrFe堆焊層組織及性能的影響

        2016-01-09 21:11:40閆侯霞
        焊管 2016年10期
        關(guān)鍵詞:軸類金相電火花

        閆侯霞

        (內(nèi)蒙古能源發(fā)電金山熱電有限公司,呼和浩特010106)

        電火花堆焊技術(shù)是一種具有獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢的新興材料表面技術(shù),在表面耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、表面修復(fù)與改性等方面具有廣闊的應(yīng)用前景,不僅應(yīng)用于工具、模具與刃具、礦山、冶金、汽車、醫(yī)用器材等一般工業(yè)領(lǐng)域,還可以應(yīng)用于核反應(yīng)堆、直升機(jī)和戰(zhàn)機(jī)引擎等高端零件。

        電火花堆焊是利用電極棒在工作表面旋轉(zhuǎn),在相互接觸的微小區(qū)域瞬時(shí)(10-6~10-5s)流過高密度的電流(105~106A/cm2),由于放電能量在時(shí)間和空間上高度集中,在微小的放電區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生4 727~24 727℃的高溫,使該區(qū)域的局部材料高能離子化,電極棒高速轉(zhuǎn)移到工件表面,并擴(kuò)散進(jìn)入到工件表層,形成冶金型牢固結(jié)合的堆焊層。

        與其他表面堆焊方法相比,電火花堆焊有如下優(yōu)點(diǎn):①能量輸入低,母材保持在室溫,熱影響區(qū)及變形極小,可忽略其對母材的影響;②僅需少量或不需進(jìn)行前、后處理;③適用范圍廣,可適用于所有能導(dǎo)電、可熔的金屬及陶瓷材料。

        本研究分別采用電火花堆焊技術(shù)、氬弧焊堆焊技術(shù)和手工電弧焊堆焊技術(shù)在同一焊接母材Q345鋼表面堆焊同類型焊接材料,對比堆焊層至母材之間硬度的分布情況,分析不同堆焊方法堆焊層的組織及元素過渡情況,為利用堆焊技術(shù)修復(fù)軸類表面劃傷提供技術(shù)及理論支持。

        1 試驗(yàn)材料及方法

        試驗(yàn)?zāi)覆倪x用Q345鋼,制備成3個(gè)試樣,規(guī)格為20 mm×20 mm×12 mm。在試樣表面的中心加工一個(gè)深2 mm、60°角的V形槽,用來模擬軸類表面的劃痕。

        電火花堆焊采用DZ-4000(Ⅲ)多功能表面強(qiáng)化機(jī),火花放電電極直徑4 mm,氬弧堆焊及手弧堆焊采用焊條直徑分別為2.5 mm和3.2 mm,堆焊材料選Ni、Cr、Fe含量相近且在生產(chǎn)實(shí)踐中有成功修復(fù)軸類案例的火花放電電極、氬弧焊絲或手弧焊條,其化學(xué)成分及堆焊工藝參數(shù)見表1、表2。

        表1 堆焊材料的化學(xué)成分

        表2 堆焊工藝參數(shù)

        使用HVS-30Z/LCD數(shù)字式維氏硬度計(jì)對堆焊層至母材間的硬度分布進(jìn)行測試,使用Axio Observer A1m型金相顯微鏡對熔合區(qū)組織進(jìn)行分析,使用帶有EDS的Philips Quant 400型掃描電子顯微鏡對堆焊層截面各元素的分布情況進(jìn)行分析。

        2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

        2.1 試驗(yàn)結(jié)果

        利用3種堆焊方法,試樣表面的模擬劃痕均被成功修復(fù)。從試樣截面對應(yīng)V形槽的中心開始,自母材至堆焊層每隔0.25 mm測量一個(gè)顯微硬度值,測量的結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出,電火花堆焊母材與堆焊層之間發(fā)生硬度變化的區(qū)域很小,硬度值變化較大的區(qū)域?yàn)楹附訜嵊绊憛^(qū),硬度值由母材區(qū)的180HV提高至堆焊層的400HV。氬弧堆焊及手弧堆焊的母材與堆焊層之間硬度變化的區(qū)域較大,手弧堆焊的母材硬度較高,表明在3種堆焊方法中,手弧堆焊對母材的熱影響最大。

        圖1 不同堆焊方法試樣硬度測量結(jié)果

        2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

        圖2 3種焊接方法堆焊層的金相組織照片

        圖2為3種堆焊工藝下堆焊層的金相組織照片。從圖2(a)可以看出,電火花堆焊工藝中下方白亮色為NiCrFe堆焊層,過渡區(qū)及熱影響區(qū)相對較窄,主要由堆焊電極及母材在電火花放電能量下熔化發(fā)生冶金反應(yīng)而生成。從金相組織可以看出,過渡區(qū)發(fā)黑,主要因?yàn)楦邷乩鋮s時(shí)析出的細(xì)小碳化物附在細(xì)化的馬氏體組織上腐蝕后形成。由于電火花堆焊的焊接熱影響區(qū)很小,靠近堆焊層母材的組織沒有發(fā)生變化,仍然為鐵素體+珠光體。從圖2(b)可以看出,氬弧堆焊層的金相組織中下方白亮色為堆焊層NiCrFe,過渡區(qū)及熱影響區(qū)相對變寬,過渡區(qū)具有明顯的奧氏體組織出現(xiàn),熔合區(qū)至母材的組織逐漸發(fā)生變化,由奧氏體向鐵素體+珠光體組織過渡。手弧堆焊層變化情況與氬弧堆焊變化情況基本一致,修復(fù)相同體積缺陷時(shí),手弧堆焊的焊接熱影響區(qū)更寬。

        通過比較堆焊層及母材的金相組織發(fā)現(xiàn),電火花堆焊對母材的熱影響最小,手弧堆焊對母材的熱影響最大,同時(shí),通過比較這兩種堆焊方法合金元素的過渡情況也可印證這一點(diǎn)。圖3為電火花堆焊及手弧堆焊工藝下堆焊層截面形貌及元素線掃描結(jié)果。由圖3(a)可看出,電火花堆焊層的組織均勻細(xì)密,基本沒有裂紋氣孔等缺陷,在堆焊層與母材之間存在明顯的元素過渡區(qū),熔合區(qū)寬度小于50 μm,在此過渡區(qū)內(nèi),元素含量是逐漸變化的,表明電極材料和母材之間發(fā)生了元素的相互擴(kuò)散,因此堆焊層與母材之間結(jié)合牢固。圖3(b)中手弧堆焊層合金元素的過渡更加平緩,表明焊接的熔合區(qū)域更寬,寬度大于100 μm。

        圖3 不同焊接工藝下堆焊層截面形貌及元素線掃描結(jié)果

        堆焊層中主要分布著Ni、Fe和Cr,其中Fe含量低于母材,這是因?yàn)镕e在母材中的含量遠(yuǎn)高于堆焊材料,部分Fe由母材進(jìn)入堆焊層,這是一個(gè)擴(kuò)散過程。Ni與Cr僅存在于堆焊層中,Ni與Cr在堆焊層中的含量高于母材,Mn及Nb含量較低,接近于母材,因此,在堆焊層及母材中的含量大致相同。

        3 結(jié) 論

        (1)電火花堆焊使母材至各堆焊層之間的硬度先增至某一峰值后下降,最后達(dá)到恒定值。

        (2)電火花堆焊技術(shù)自母材至堆焊層硬度變化區(qū)域最窄,因此該堆焊技術(shù)產(chǎn)生的熱影響區(qū)較小,母材因熱輸入產(chǎn)生的組織及變形非常小,特別適合電力軸類這些對變形要求嚴(yán)格部件的修復(fù)。

        (3)電火花堆焊層與母材之間各元素發(fā)生擴(kuò)散且過渡比較均勻,表明堆焊層與母材間為冶金結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度較高。

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