牛 犇 ，任香會(huì) ，易江龍 ，劉 勇 ，2

（1.廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院），廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510651；2．沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110870）

0 前言

堆焊是指具備特殊性能的合金材料通過(guò)某種熱源熔敷在基體材料表面，從而使基體材料具有特殊的使用性能。堆焊可以修復(fù)材料在長(zhǎng)期服役過(guò)程中的失效部位，實(shí)現(xiàn)材料的表面冶金強(qiáng)化，達(dá)到節(jié)約貴重金屬、減少生產(chǎn)投入的目的。相比于熱噴涂、鍍膜等表面處理方法，堆焊技術(shù)具有如下特點(diǎn)：①堆焊層與母材冶金結(jié)合，其結(jié)合性能、抵抗沖擊性能和致密性優(yōu)于熱噴涂圖層；②堆焊層金屬厚度可調(diào)節(jié)范圍為2～30 mm，可修復(fù)磨損較為嚴(yán)重的工件；③堆焊效率高，焊接設(shè)備具有通用性，無(wú)需額外增加生產(chǎn)成本。

馬氏體堆焊層具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性和耐大氣腐蝕等特點(diǎn)，廣泛用于汽車部件、閥門部件、刀具和水力機(jī)械等領(lǐng)域的制造與修復(fù)。馬氏體不銹鋼的特點(diǎn)是綜合機(jī)械性能良好，硬度約為50 HRC，強(qiáng)度和韌性優(yōu)異，耐大氣和蒸汽腐蝕，并且還具有耐冷熱疲勞的能力。由于馬氏體不銹鋼的優(yōu)良性能和較廣的應(yīng)用范圍，硬面堆焊藥芯焊絲堆焊層基體組織一般為馬氏體不銹鋼組織，而國(guó)內(nèi)外也大多通過(guò)制成馬氏體不銹鋼硬面堆焊藥芯焊絲研究微合金元素對(duì)堆焊層組織性能的影響。王英杰、栗卓新[1]等人研制了自保護(hù)金屬芯堆焊藥芯焊絲，在粉芯中增加不同含量的釩，其堆焊層組織為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物硬質(zhì)相，并細(xì)致研究不同的釩含量對(duì)碳化物形狀和間隙的影響，以及對(duì)基體組織和耐磨性的影響。叢相州[2]研制了2種多元合金強(qiáng)化型高鉻鑄鐵自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲，該藥芯焊絲為金屬粉型，合金系采用多元合金（Mo、W、V、Nb）強(qiáng)化的Fe－Cr－C系耐磨合金，詳細(xì)研究堆焊層碳化物的尺寸、分布、形態(tài)對(duì)微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展的影響。

本研究采用廣東省焊接技術(shù)研究所（廣東省中烏研究院）自制的馬氏體耐磨藥芯焊絲，通過(guò)焊接實(shí)驗(yàn)分析其焊接成形，研究其組織和性能，為馬氏體耐磨堆焊藥芯焊絲的研制與生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

堆焊母材采用Q235鋼板，試板尺寸150 mm×200 mm×25 mm。堆焊材料選用直徑φ1.2 mm藥芯焊絲。采用MIG焊，EWM多功能焊機(jī)，直流反接。保護(hù)氣體為100%Ar，氣流量16 L/min。焊接過(guò)程中，焊接電流225～260 A，焊接電壓26.7 V，焊接速度22 m/h，干伸長(zhǎng)20 mm。焊接前對(duì)焊接試板進(jìn)行打磨處理，除去表面油污及鐵銹，焊前不進(jìn)行預(yù)熱處理，焊后隨空氣緩冷。

焊后試板利用銑床表面銑出一個(gè)平面，加工量約為3 mm。沿焊接方向，在距起弧位置約20 mm處依次截取金相試樣、彎曲試樣、耐磨試樣，如圖1所示。金相試樣尺寸20 mm×20 mm×30 mm；彎曲試樣尺寸5 mm×5 mm×35 mm；彎曲試樣制備3條，要求無(wú)夾渣、氣孔等缺陷；磨損試樣尺寸20 mm×20 mm×10 mm。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊后形貌

圖1 試樣取樣區(qū)域示意

該藥芯焊絲在焊接過(guò)程中，焊接電壓、電流等參數(shù)穩(wěn)定，焊接飛濺較小。熔渣渣殼較薄且易碎，焊后成形基本合格，在合適的焊接操作下可避免夾雜、未熔合等缺陷產(chǎn)生。焊后形貌及加工后形貌如圖2所示。加工后的堆焊層表面未發(fā)現(xiàn)裂紋、夾雜、氣孔等缺陷，焊接成形質(zhì)量?jī)?yōu)良。

圖2 堆焊層焊后形貌及加工后形貌

2.2 堆焊層成分

利用SpectroLAB直讀光譜儀測(cè)定焊后試樣熔敷金屬化學(xué)成分，堆焊層化學(xué)成分如表1所示。

表1 合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

Cr是馬氏體鉻不銹鋼最重要的合金元素。Cr和C的相互作用使鋼在高溫時(shí)具有穩(wěn)定的γ或γ＋α相區(qū)，此外Cr可以降低奧氏體轉(zhuǎn)變速度，從而提高淬透性；在大氣中的H2S及氧化性酸介質(zhì)中，它能提高鋼的耐蝕性能；w（Cr）提高，鋼的抗氧化性能也明顯提高。C是馬氏體鉻不銹鋼另一重要合金元素。為了產(chǎn)生馬氏體相變，w（C）要視鋼中的w（Cr）而定。在給定的 w（Cr）下，w（C）提高，強(qiáng)度、硬度提高，塑性降低，耐蝕性下降。W元素是強(qiáng)碳化物形成元素，主要用來(lái)增加堆焊合金的紅硬性，W與C原子的化學(xué)親和力大，易生成高熔點(diǎn)、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(shí)不會(huì)完全溶解，可有效阻止奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，從而起到細(xì)化晶粒的作用。

2.3 金相組織

加工好的金相試樣用砂輪機(jī)磨去線切割加工痕跡后，樣品分別在 240#、400#、800#、1200#、1500#以及2000#的水磨砂紙上進(jìn)行打磨，用粒度μ3.5的金剛石拋光液在拋光機(jī)上拋光待觀察表面，拋光標(biāo)準(zhǔn)為在金相顯微鏡低倍下觀察無(wú)明顯劃痕。樣品經(jīng)過(guò)4%硝酸酒精溶液腐蝕處理后，使用蔡司數(shù)字金相顯微鏡觀察金相組織。試樣某一區(qū)域在200倍、500倍和1000倍金相顯微鏡下觀測(cè)到的金相組織如圖3所示。

在200倍下觀察發(fā)現(xiàn)，金相組織為團(tuán)絮狀組織，由于組織晶粒度較小，觀察困難。在500倍下可觀測(cè)到堆焊層組織為殘余奧氏體形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，包裹著黑色馬氏體組織。隨著放大倍數(shù)的增大，針狀馬氏體相互聚集成為耐磨質(zhì)點(diǎn)，提高了堆焊層硬度，殘余奧氏體呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，為馬氏體提供支撐。

2.4 堆焊層硬度

采用洛氏硬度儀分別在堆焊層表面和堆焊層截面測(cè)量堆焊層硬度，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 金相組織照片

圖4 堆焊層表面硬度

圖5 堆焊層橫截面硬度分布

由圖4可知，堆焊層表面硬度平均為58 HRC，且硬度分布較為均勻。堆焊層截面硬度分布如圖5所示，由于母材Q235鋼板為低碳低合金鋼，其本身的硬度及合金含量均較低，會(huì)對(duì)堆焊層產(chǎn)生一定量的稀釋作用，造成堆焊層底部硬度低于表面硬度。然而，堆焊底部硬度依舊高于50 HRC，其硬度損失較小。

2.5 堆焊層耐磨性

采用UMT-3摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：加載載荷10 kg，磨損時(shí)間20 min，磨損頻率5 Hz，對(duì)磨材料為Cr15鋼球。為增加對(duì)比性，制備相同尺寸的42CrMo試樣作為對(duì)照。磨損試驗(yàn)前稱量試樣及鋼球質(zhì)量，計(jì)算磨損失重。

相同試驗(yàn)條件下，堆焊層平均磨損失重7.6 mg，對(duì)磨鋼球平均失重1.7 mg，對(duì)照組42CrMo平均失重14.8 mg，對(duì)磨鋼球失重1.1 mg。由于堆焊層硬度大于Cr15鋼球硬度，因此在磨損過(guò)程中鋼球磨損嚴(yán)重，堆焊層磨損較少。而42CrMo硬度遠(yuǎn)小于Cr15鋼，在磨損過(guò)程中42CrMo試樣磨損嚴(yán)重。

堆焊層磨損后宏觀形貌如圖6所示。圖6a為堆焊層試樣磨損形貌，堆焊層磨痕較淺，無(wú)較深溝壑形成；42CrMo試樣有較深劃痕產(chǎn)生（見(jiàn)圖6b），磨痕較深且寬。對(duì)比可知，堆焊層耐磨性能優(yōu)于42CrMo鋼。

圖6 磨損宏觀形貌

2.6 堆焊層金屬?gòu)澢阅?/h3>

在堆焊層取樣，采用GB/T 6569-86標(biāo)準(zhǔn)將其加工成5 mm×5 mm×35 mm的彎曲試樣，在萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，測(cè)量其抗彎強(qiáng)度。同樣采用42CrMo作為對(duì)照材料。經(jīng)過(guò)測(cè)量，堆焊層抗彎強(qiáng)度平均值為1 182 MPa，而42CrMo鋼材的抗彎強(qiáng)度為1 487 MPa，二者較為接近。這表明堆焊層金屬性能接近42CrMo材料性能。

3 結(jié)論

（1）采用自制藥芯焊絲制備馬氏體堆焊，堆焊過(guò)程平穩(wěn)，堆焊層表面成形良好，堆焊組織為馬氏體+殘余奧氏體組織。

（2）堆焊層平均硬度為50 HRC。由于母材Q235鋼板為低碳低合金鋼，其本身的硬度及合金含量都較低，會(huì)對(duì)堆焊層產(chǎn)生一定量的稀釋作用，造成堆焊層底部硬度低于表面硬度。

（3）與42CrMo進(jìn)行對(duì)比，堆焊層平均磨損失重為1.7mg，42CrMo平均失重14.8mg，堆焊層耐磨性優(yōu)于42CrMo材料；堆焊層抗彎強(qiáng)度平均值為1 182 MPa，而42CrMo抗彎強(qiáng)度為1 487 MPa。堆焊層金屬性能接近42CrMo材料性能。

[1]王英杰，栗卓新，蔣旻.含礬高鉻鑄鐵自保護(hù)金屬芯堆焊焊絲的研制[J].新技術(shù)新工藝，2007（5）：39-41.

[2]叢相州.多元合金強(qiáng)化型高鉻鑄鐵自保護(hù)耐磨堆焊藥芯焊絲的研制[C].全國(guó)電站焊接學(xué)術(shù)討論會(huì)，2006.

[3]楊慶祥，高聿為，廖波，等.中高碳鋼堆焊金屬技術(shù)的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，25（4）：301-304.

[4]王智慧，賀定勇.NbC增強(qiáng)Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織與磨粒磨損性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（2）：55-58.

[5]鄒增大，王新洪，曲仕堯，等.TiC-VC耐磨堆焊焊條[J].材料科學(xué)與工藝，2001，9（4）：397-401.

[6]周振豐.焊接冶金學(xué)（金屬焊接性）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003：165-185.