供稿|樊巧芳，劉憶 / FAN Qiao-fang, LIU Yi

內(nèi)容導(dǎo)讀

文章介紹了采用鎢極氬弧熱源，將預(yù)先壓制好的鐵合金末堆焊在Q235C基體材料上，以期獲得成分可調(diào)的高硬度耐磨層的工藝方法。實驗分析了添加不同粉末的堆焊工藝和性能，重點研究了添加鉻鐵、錳鐵粉末堆焊層的組織與性能。結(jié)果表明，鉻鐵、硼鐵不適合單獨加入；鈦鐵可提高堆焊的硬度，且隨鈦鐵含量的增加，硬度顯著提高；錳鐵的加入提高了堆焊層的硬度，隨著錳鐵含量的增加，硬度先上升后略有下降。

氬氣在高溫下不與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不會產(chǎn)生合金元素氧化、燒損等一系列問題；氬氣也不溶于液態(tài)的金屬，不會引起氣孔缺陷，因此將鎢極氬弧用于堆焊的熱源可以降低堆焊層的缺陷。通過在基體表面堆焊鐵合金粉末可以賦予母材特殊的使用性能，對于材料或零件的表面強化具有十分重要的意義[1-2]。

實驗

基體試樣

實驗基體材料選用Q235C，試樣選用厚度為 10 mm的鋼板，切割成 60 mm×10 mm×10 mm 的長板條，Q235C材料化學(xué)成分見表1。

表1 Q235C鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

鐵合金粉末

實驗采用的鐵合金粉末有錳鐵、硅鐵、鉻鐵、硼鐵和鈦鐵等。Mn-Fe中的Mn主要起脫氧、合金化、提高淬透性的作用；Si-Fe中的Si在鋼中主要起合金化的作用；B-Fe中的B是表面活性元素，主要存在于晶體缺陷位置，并富集于奧氏體晶界處，主要起合金化的作用；Ti-Fe中的Ti為強碳化物形成元素，常溫下大部分以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在于鋼中，在脫氧不完全的鋼中還有少部分固溶在鐵素體中，也會出現(xiàn)氧化物 TiO2[3-4]；Cr-Fe選用中碳鉻鐵，Cr是碳化物形成元素，除起合金化的作用，提高鋼的淬透性和耐蝕性以外，還能提高鋼的強度、硬度、耐磨性、彈性極限和屈服極限。此外，Cr還能有效改善鋼中碳化物的顆粒大小及其分布，降低碳化物聚集的傾向性，促進組織更加均勻。

鐵合金粉末壓塊制作

為解決粉末易被電弧力吹散的難題，本實驗采用粉末壓塊方法進行堆焊。模具見圖1所示。將機械粉末和一定量的水玻璃混合(加入的水玻璃必須控制在一定量且必須混合均勻)，并攪拌均勻[5]。采用粉末壓塊模具，施加50～60 kN載荷使其冷壓成形，從而得到形狀規(guī)則、厚度均勻(3 mm)、成分均勻的合金粉塊。

圖1 壓制模具示意圖

堆焊工藝參數(shù)

弧焊電源采用ZX7-400手弧氬弧兩用焊機，采用直流正接。堆焊時要選用合適的電流，若電流過大，合金壓塊熔化速度快，不易控制；若電流過小，不僅不容易引弧，容易出現(xiàn)跳弧現(xiàn)象，而且焊接效率低[6]。經(jīng)過反復(fù)實驗，最終選定的堆焊工藝參數(shù)為：電弧電壓24～28 V，焊接電流90～100 A，每個試樣40 mm×30 mm×8 mm，堆焊時約為8～9 s，保證一次成形。

堆焊實驗

不添加任何鐵合金粉末的堆焊實驗

不添加任何合金粉末的氬弧焊堆焊試樣，洛氏硬度HRC為9；再采用400倍的XJL-024 型立式金相顯微鏡觀察堆焊層的顯微組織，其微觀組織如圖2所示。圖中可以看出不添加任何合金粉末的普通氬弧堆焊層組織為珠光體組織[7]。

圖2 不添加合金粉末堆焊層的顯微組織

鐵合金粉末堆焊工藝實驗

◆ 實驗方案

分別稱取5 g的Cr-Fe、Si-Fe、B-Fe、Ti-Fe、Mn- Fe粉末，向其中加入一定量的水玻璃，按照粉末壓塊的制作方法，制作出符合要求的預(yù)置壓塊。用砂輪機將Q235號鋼試樣表面的鐵銹除去，將壓塊放置于Q235鋼表面上，在250～350 ℃烘箱中烘干，通過熱的作用使壓塊固定在基體表面上。

按照預(yù)設(shè)的焊接工藝參數(shù)在試樣上堆焊一道，空冷，冷卻至室溫后在第一道焊縫旁邊堆焊第二道。需要注意的是：在焊接過程中要觀察熔池形貌、熔合及焊縫成型情況。堆焊完成后，空冷至室溫后采用冷切割的方式將試樣切成小塊，研究焊縫力學(xué)性能，最終確定工藝方案。

◆ 實驗結(jié)果

Cr-Fe試樣，焊縫成型不良，表面孔洞大而多，熔化的金屬容易聚堆，不能形成均勻的堆焊層，因此Cr-Fe不適合單獨加入。B-Fe試樣，焊縫成型良好，表面美觀，堆焊層均勻，但堆焊層部位的HRC、耐磨性與原始試樣相比，僅有小幅度的提高或者沒有提高，未達到預(yù)期的效果，因此，B-Fe不適合單獨加入。Ti-Fe、Mn-Fe試樣，堆焊后焊縫成型較好，HRC測試、耐磨性實驗表明硬度和耐磨性均有較大的提高，適合加入試樣表面，與實驗?zāi)康南喾?/p>

鈦鐵粉末堆焊實驗

◆ 實驗過程

分別稱取3，4，5和6 g的鈦鐵粉末，向其中加入一定量的水玻璃，將粉末和膏狀物采用模具制作成 3 mm厚的壓塊。堆焊前，將壓塊放置在Q235基體表面上放入烘箱烘干，烘干溫度為250～350 ℃，時間約2 h；再通過鎢極氬弧焊焊接的方法將粉末壓塊堆焊到試樣表面[8]。

◆ 結(jié)果分析

取4種不同鈦鐵粉末的堆焊試樣，各取3個，磨平表面，在HR150-A型洛氏硬度機上分別測3個硬度值，堆焊層的硬度曲線見圖3。

圖3 鈦鐵粉末堆焊層的硬度曲線

沿著堆焊層橫截面(厚度方向)切取試樣，按照觀察金相組織的方法將試樣磨平、拋光、腐蝕試樣，再采用立式金相顯微鏡觀察鈦鐵粉末堆焊層的組 織[9]，其顯微組織如圖4所示。

圖4 鈦鐵粉末堆焊層的微觀組織

圖4 可以看出，基體為鐵素體和珠光提組織，黑色團絮狀是鈦的碳化物，氮化物和碳氮化物分布均勻造成的。同時，圖3表明堆焊層的硬度隨著鈦鐵含量的增加，堆焊層的硬度呈直線提高。一方面因為Ti為強碳化物形成元素，一般情況下以大多碳化物、氮化物、碳氮化物的形式存在于鋼中，少部分固溶在鐵素體中[10]；另一方面由于碳、氮化物以小顆粒的形式彌散在組織中，對奧氏體晶界起固定的作用，阻礙了奧氏體晶界的遷移，即阻止了奧氏體晶粒的長大，起到第二相強化的作用[11]；再者，堆焊后隨著溫度的降低，鈦的碳、氮化物在奧氏體中的溶解度減小，加之形變誘導(dǎo)的析出作用，鈦的碳、氮化物在奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變之前彌散析出，成為鐵素體的形核劑，使鐵素體在較小的過冷度下大量形成，不易長大，從而細化了鐵素體晶粒，起到細晶強化的作用[12]。

錳鐵粉末堆焊實驗

◆ 實驗過程

將錳鐵粉末分別按照4，5，6和7 g加入一定量的水玻璃，用上述同樣的方法制作成預(yù)置壓塊，用氬弧堆焊到基體表面。

◆ 結(jié)果分析

硬度測試采用相同的方法，加入錳鐵粉末后堆焊層的顯微組織見圖5，堆焊層的硬度曲線見圖6。

圖5 錳鐵粉末堆焊層的顯微組織

如圖5所示，通過顯微組織觀察，堆焊層的基體組織為鐵素體和珠光體組織，其中白色的組織為鐵素體，黑色的為珠光體組織，珠光體中夾雜有(Fe-Mn)3C型碳化物[13]。

隨錳鐵含量的增加，堆焊層的組織逐漸由珠光體型轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體型，并且進一步轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體型，Mn大部分固溶于奧氏體中，形成的是置換固 溶體。

圖6 錳鐵堆焊層的硬度曲線

從圖6可以看出，添加錳鐵粉末后，堆焊層的HRC先上升，之后略有下降，與不添加任何合金粉末的氬弧焊堆焊層相比，硬度有明顯的提高。一方面因為Mn是穩(wěn)定奧氏體的主要元素，在鋼中有擴大奧氏體相區(qū)的作用；另一方面Mn能顯著提高淬透性，進而溶于鐵素體中，提高鐵素體的強度和硬度；再者，Cr、Mn均是碳化物形成元素，能代替部分鐵原子形成(Fe-Mn)3C型碳化物，這種碳化物加熱時易溶于奧氏體，回火時易聚集和析出[4]。以上三個原因使基體強化。

此外，隨著錳鐵含量的增加，熔融金屬的流動性變差，產(chǎn)生嚴重的堆疊現(xiàn)象，氣孔增大，飛濺嚴重，飛濺的金屬液滴可達到小米顆粒大小，缺陷明顯增多，導(dǎo)致加入的錳鐵和液態(tài)金屬被強烈的氣流和飛濺帶走，使堆焊層的合金元素含量減少，從而降低了堆焊層的硬度。

結(jié)束語

(1) 對鈦鐵粉、硼鐵粉、鉻鐵粉、錳鐵粉的堆焊工藝研究，表明鉻鐵、硼鐵不適合單獨加入，鈦鐵、錳鐵堆焊表面質(zhì)量較好。

(2) 在Q235C鋼的表面堆焊鈦鐵、錳鐵粉末可以快速提高表面硬度。隨鈦鐵含量的增加，硬度顯著提高；隨著錳鐵含量的增加，硬度先上升后略有 下降。

(3) 硬度測試和微觀組織觀察表明鐵合金粉末堆焊對提高材料表面的硬度具有十分明顯的作用。