北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院(100124)

肖 君 王國紅 周 正 賀定勇

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W對Fe-Cr-Mo-W-V熱鍛模具堆焊合金組織與性能的影響

北京工業(yè)大學 材料科學與工程學院(100124)

肖 君 王國紅 周 正 賀定勇

針對熱鍛模具工作條件及其失效形式，采用藥芯焊絲氣體保護堆焊方法制備Fe-Cr-Mo-W-V系熱鍛模具堆焊合金，采用金相組織觀察、硬度測試、回火熱處理、抗熱疲勞裂紋和力學性能等多種試驗方法，分析了W含量對堆焊合金顯微組織、焊態(tài)硬度、熱穩(wěn)定性、熱疲勞性能以及力學性能的影響。結(jié)果表明：Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的顯微組織由板條馬氏體+殘余奧氏體組成。隨著W含量的增加，堆焊合金焊態(tài)及550 ℃回火處理后所對應的硬度值逐漸增加，隨著熱處理時間的延長，堆焊層硬度逐步降低并趨于平緩。隨著堆焊合金中W元素的增加，堆焊合金抗熱疲勞裂紋性能逐漸降低，F(xiàn)e-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的抗拉強度略高于國外焊接材料Weld Mold 9650，斷后伸長率略低于焊接材料Weld Mold 9650。

熱鍛模具 堆焊合金 熱穩(wěn)定性 熱疲勞性能

0 序 言

熱鍛模具常在冷熱交替、復雜的應力狀態(tài)及摩擦磨損條件下工作，服役一段時間后，可能會產(chǎn)生斷裂、塑性變形、磨損和熱疲勞失效等問題。為提高熱鍛模具使用壽命，降低生產(chǎn)成本，實際生產(chǎn)中常采用堆焊、激光熔覆等表面技術(shù)對失效模具進行修復和再制造，在模具行業(yè)中已得到大量成功應用[1-4]。國內(nèi)用于堆焊修復熱鍛模具鋼的焊接材料主要有Cr-Mo系列焊條和少量藥芯焊絲產(chǎn)品，在模具堆焊用藥芯焊絲的研究及應用方面與國外相比仍存在一定的差距，高性能的焊接材料還依賴于進口，使用成本相對較高。

針對5CrNiMo，5CrMnMo和4Cr5MoSiV1(H13)等生產(chǎn)中常用的熱作鍛模具鋼的修復和再制造，堆焊的主要合金體系有：Fe-Cr-Mo-Ni，Ni-Cr-Mo-Nb,Co-Cr-Ni-Mo等。熱鍛模具堆焊合金應具有良好的高溫強度、韌性、耐磨性、熱穩(wěn)定性和較高的抗冷熱疲勞性能。添加少量W，V元素可進一步提高堆焊合金的熱穩(wěn)定性、高溫強度和耐磨性，改善合金抗冷熱疲勞性能，如：美國Weld Mold公司研制的Weld Mold 9580，Weld Mold 964等都添加了少量的W，V[5]。

文中研究了W含量對Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的顯微組織結(jié)構(gòu)、焊態(tài)硬度、熱穩(wěn)定性和熱疲勞性能的影響，并與美國某公司生產(chǎn)的焊接材料Weld Mold 9650進行對比。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

研制的Fe-Cr-Mo-W-V系藥芯焊絲直徑為φ2.4 mm，采用NBC-500型熔化極氣體保護焊機在尺寸為200 mm×100 mm×10 mm的Q235鋼板上進行半自動堆焊。堆焊工藝參數(shù)見表1，堆焊厚度約20 mm，焊接層間溫度控制在100 ℃以下。設(shè)計的Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的主要化學成分見表2，其中W元素的質(zhì)量分數(shù)分別為0，0.2%，0.5%，0.8%，1.0%。在保持其它元素含量不變的基礎(chǔ)上，調(diào)整堆焊合金中的W含量，考察W元素對堆焊合金組織和性能的影響。對比用的同類焊材為美國某公司生產(chǎn)的Weld Mold 9650藥芯焊絲，堆焊合金的主要化學成分見表2。該焊絲常用于壓力機熱鍛模具和錘鍛模具等，具有良好的沖擊韌性、抗熱疲勞和抗磨損性能。

表1 堆焊工藝參數(shù)

表2 Fe-Cr-Mo-W-V系和Weld Mold 9650堆焊合金的主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗方法

從堆焊層中用線切割切取帶表層的尺寸約為15 mm×15 mm×18 mm的試塊，將堆焊試樣表面磨平，經(jīng)體積分數(shù)為4%硝酸酒精腐蝕后，用OLYMPUS-PMG3型光學顯微鏡對堆焊合金組織進行金相觀察。選用上海電爐廠生產(chǎn)的型號為KSJD-412的箱式電阻爐，試驗溫度550 ℃，保溫時間分別4 h，8 h，12 h。用HR-150A洛氏硬度計測量焊態(tài)以及回火處理后試樣的洛氏硬度，用硬度的變化率評判材料的熱穩(wěn)定性。

在堆焊試板的上層切取熱疲勞試樣，其尺寸為40 mm×15 mm×5 mm，如圖1所示[6]。為檢測熱疲勞裂紋的萌生及擴展情況，在試樣的一端用直徑為0.18 mm的鉬絲線切割預制長5 mm的裂紋缺口。缺口加工前將試樣550 ℃回火熱處理4 h，以減少焊接內(nèi)應力對試驗的影響。在試樣另一端加工直徑4 mm的孔并保證其到預制裂紋的尺寸，其作用是將試樣固定在夾具上，使試樣加熱、入水位置一致，以保證每組試樣都處于相同條件下。試驗前，用砂紙磨去試樣表面加工痕跡并拋光，以消除試樣表面因素對試驗結(jié)果的影響。為模擬熱作模具表面反復急冷急熱的工作過程，試樣在600 ℃至室溫20 ℃(流動常溫水)之間進行加熱與冷卻的熱循環(huán)，加熱、冷卻一次作為一個循環(huán)，每次循環(huán)加熱時間為5 min，入水冷卻時間為10 s，直至預定循環(huán)500 次，以相同循環(huán)次數(shù)下的裂紋長度作為比較熱疲勞裂紋擴展抗力的指標。采用OLYMPUS-PMG3型光學顯微鏡觀測裂紋長度。

圖1 熱疲勞試樣尺寸

拉伸試樣按照GB/T 25774.1—2010《焊接材料的檢驗第1部分：鋼、鎳及鎳合金熔敷金屬力學性能試樣的制備及檢驗》標準制備，試件制備成帶墊板的V型坡口形式，墊板固定焊在試件的背面，焊后立即進行550℃回火熱處理，保溫4 h，確保與熱作模具堆焊藥芯焊絲熱處理程序一致。其中拉伸試驗按照GB/T 2652—2008《焊縫及熔敷金屬拉伸試驗方法》進行，試樣的公稱直徑10 mm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 堆焊合金的顯微組織

圖2為國外焊接材料Weld Mold 9650及不同W含量的Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金焊態(tài)下顯微組織形貌。從圖中可以看出，F(xiàn)e-Cr-Mo-W-V系堆焊合金焊態(tài)組織均為粗大板條馬氏體，在晶界處有少量白色的殘余奧氏體(圖2a)，未添加W的焊態(tài)合金晶粒和板條馬氏體都比較粗大，而且晶界十分的明顯。隨著W元素含量的提高，合金組織中可以看到晶界越來越明顯，成分均勻化更好，馬氏體間距降低，說明晶粒細化，板條狀馬氏體組織進一步細化，而且晶界處殘余奧氏體邊界更加清晰，說明其數(shù)量也比未添加W合金有所增加。其組織細化的原因可能W元素是強碳化物形成元素，主要用來增加堆焊合金的紅硬性，W與C原子的化學親和力大，易生成高熔點、高硬度的W2C，WC，這些微小、彌散分布的碳化物在晶界處析出，在加熱時不會完全溶解，可有效地阻止奧氏體晶粒的長大，從而起到細化晶粒的作用。而國外焊接材料Weld Mold 9650焊態(tài)組織以低碳馬氏體為主，未見明顯的殘余奧氏體。

2.2 堆焊合金焊態(tài)硬度及熱穩(wěn)定性

對堆焊合金的焊態(tài)硬度進行測試，結(jié)果見表3。堆焊層焊態(tài)硬度值隨著W含量的增加，呈逐漸增大的趨勢。少量W元素的加入可能增強了合金的固溶強化效果[7]。

圖3為堆焊合金洛氏硬度隨著回火處理時間變化的柱狀圖。堆焊合金經(jīng)550 ℃回火處理后的硬度比焊態(tài)均有不同程度下降，而且隨著熱處理時間的延長，堆焊層硬度逐步降低并趨于平緩，表明W元素的加入，可進一步提高合金的熱穩(wěn)定性。高溫回火時，一部分W元素在回火過程中與馬氏體基體過飽和固溶的碳形成碳化物，將以WC，W2C的形式彌散析出，造成二次硬化，從而提高堆焊合金熱穩(wěn)定性[8]。

圖2 0～1.0%W以及Weld Mold 9650堆焊合金焊態(tài)顯微組織

表3 堆焊合金焊態(tài)下洛氏硬度 HRC

圖3 堆焊合金熱穩(wěn)定性變化規(guī)律

堆焊合金經(jīng)回火處理后，合金硬度降低的主要原因是由于在該過程中馬氏體基體過飽和固溶的碳析出形成碳化物，導致馬氏體中碳含量的降低。強碳化物形成元素V，W元素的加入量都比較少，所以在堆焊合金中會形成的使彌散、細小而且少量的碳化物。碳化物的析出雖然對堆焊合金的微觀硬度略有提高，但其影響小于固溶強化作用的減弱，只能延緩硬度的下降趨勢。因此，堆焊合金硬度逐漸下降，當碳化物已析出、基體的碳含量已降低到平衡值后，隨著熱處理時間的增加，堆焊合金硬度下降趨于平緩[9-10]。

2.3 熱疲勞裂紋結(jié)果與討論

將經(jīng)過500次熱疲勞循環(huán)后的堆焊合金試樣表面產(chǎn)生的水垢及氧化皮進行磨拋去除，產(chǎn)生的疲勞裂紋形貌如圖4所示。經(jīng)500次熱循環(huán)后各試樣均產(chǎn)生多條裂紋，只依靠主裂紋長度來評定試樣對疲勞裂紋的抵抗力會產(chǎn)生偏差，因此用熱循環(huán)500次后試樣的裂紋總長度作為評定裂紋抵抗能力強弱的標準。將試樣表面產(chǎn)生的裂紋長度之和并取平均值后繪制成圖5?？梢钥闯觯瑖夂附硬牧蟇eld Mold 9650試樣的缺口邊緣由于裂紋貫通，局部剝落，導致試樣缺口擴大，其主裂紋平均長度為697.5 μm。未添加W試樣主裂紋長度最短，約為509 μm，它的主裂紋條數(shù)較少，裂紋寬度較細，在所有試樣中抗熱疲勞裂紋性能最好。隨著堆焊合金中W含量的增加，堆焊合金主裂紋平均長度由未添加W的509 μm逐漸增加至1.0%W的798.5 μm，W的加入降低了堆焊合金的抗熱疲勞裂紋性能。與國外焊接材料Weld Mold 9650相比，未添加W和含0.2%W，0.5%W的堆焊合金抗熱疲勞性能要比國外焊接材料Weld Mold 9650的抗熱疲勞性能強。

圖4 不同熱疲勞試樣500次熱循環(huán)后的裂紋形貌

圖5 不同熱疲勞試樣主裂紋平均長度

在試驗過程中，高溫加熱使得堆焊合金中的元素擴散速率增快，碳化物易于聚集長大，并且由于晶界處存在較多碳化物，當熱應力超過碳化物與基體的結(jié)合力時，熱疲勞裂紋易于從晶界粗大碳化物處萌生并擴展。隨著W含量的增加，W的碳化物析出相(WC，W2C)數(shù)量逐漸增加并在冷熱疲勞過程中聚集長大，在熱循環(huán)過程中，碳化物周圍容易應力集中形成微裂紋。當碳化物較多時，碳化物周圍的微裂紋容易連接形成較長的裂紋，從而加快裂紋的增長，使得熱疲勞性能變差。因此試樣隨著W含量的增加，碳化物和基體界面應力也越大，導致抗熱疲勞裂紋能力逐漸下降。

2.4 堆焊合金的力學性能

熱作模具在工作過程中將承受較大的沖擊載荷和內(nèi)應力，而模具材料的組織韌性對其裂紋擴展的難易程度有較大影響，從而影響模具的抗裂性，因此模具鋼必須具有強度和韌性的良好配合，有利于模具壽命的延長。對未添加W、含0.5%W和國外焊接材料Weld Mold 9650焊態(tài)堆焊合金的抗拉強度和斷后伸長率進行測試，結(jié)果見表4。可以看出，研制的未添加W、含0.5%W堆焊合金抗拉強度略高于國外焊接材料Weld Mold 9650，但斷后伸長率略低于Weld Mold 9650。

表4 未添加W、含0.5%W和Weld Mold 9650堆焊 合金拉伸試驗結(jié)果

堆焊合金抗拉強度Rm/MPa斷后伸長率A(%)未添加W14707．00．5%W15107．0WeldMold965013529．5

3 結(jié) 論

(1)研制的Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金顯微組織主要由板條馬氏體+殘余奧氏體構(gòu)成。

(2)隨著W含量增加，堆焊合金焊態(tài)及550 ℃回火后所對應的硬度值逐漸增加，回火后的堆焊合金硬度總體呈下降的趨勢。

(3)隨著W含量增加，堆焊合金抗熱疲勞裂紋性能逐漸降低，但所有合金試樣裂紋寬度均較細，無剝落現(xiàn)象發(fā)生，其中未添加W、含0.5%W，1.0%W堆焊合金的抗熱疲勞裂紋性能比國外焊接材料Weld Mold 9650的性能強。

(4)Fe-Cr-Mo-W-V系堆焊合金的抗拉強度略高于國外焊接材料Weld Mold 9650，斷后伸長率略低于國外焊接材料Weld Mold 9650。

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2016-06-21

TG455

肖 君，1992年出生，碩士研究生。主要研究方向為模具焊接材料，已申請專利1項。