姚建洮, 高成, 李俊強, 劉曉剛

（1.西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065；2.陜西省機械研究院，咸陽 712000）

隨著工業(yè)發(fā)展，重型裝載設(shè)備廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)、煤炭等運輸行業(yè)，每年都會有大量的機械零部件因磨損而發(fā)生失效，造成不可估量的經(jīng)濟損失，甚至發(fā)生嚴重的安全事故。堆焊作為一種經(jīng)濟性良好的表面改性方法[1-3]，廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、模具、石油化工等行業(yè)工程器械的制造與修復中，可根據(jù)磨損件表面性能要求，能夠進行耐磨、耐蝕、耐高溫堆焊層的制備，可顯著提高工程器械的服役壽命[4-7]。

17-4PH馬氏體沉淀硬化不銹鋼，依靠析出第二相提高材料強度，以其高強度和優(yōu)異的耐蝕性，在航空航天及核工業(yè)等方面有著廣泛的應(yīng)用[8-10]。近年來，研究人員針對不同的堆焊材料在堆焊工藝、堆焊層組織與性能方面進行了廣泛的研究。楊瑞林等[11]在低合金鋼表面制備了含有不同含量碳化物硬質(zhì)顆粒的堆焊層，研究表明，碳化物硬質(zhì)顆粒類型、數(shù)量、尺寸及基體成分、顯微組織和性能等均會影響堆焊層的耐磨性。劉暢等[12]采用等離子弧熔覆技術(shù)在Q345鋼表面堆焊Fe-C-BV系鐵基合金，研究表明，堆焊過程中形成的硼化物、碳化物作為硬質(zhì)相提高了堆焊層的硬度和耐磨性，形成的碳化釩能夠細化晶粒，改善堆焊層的沖擊性能。鄧德偉等[13]采用等離子堆焊技術(shù)在304L不銹鋼表面堆焊碳化鎢顆粒增強鎳基合金層，研究表明，隨著堆焊層中碳化鎢含量增加，堆焊層硬度增加。趙昆等[14]采用等離子堆焊技術(shù)在Q235鋼表面制備了鐵基合金和碳化鎢硬質(zhì)合金的復合堆焊層，研究表明，堆焊層中碳化鎢合金顆粒表層重熔量小、合金元素擴散率低，可有效避免堆焊層應(yīng)力開裂問題。陳娟等[15]研究了堆焊層數(shù)對D707堆焊組織性能的影響，研究表明，隨著堆焊層數(shù)的增加，基體對熔敷層的稀釋率逐漸減小，堆焊層組織中碳化物比例增高，硬度值及耐腐蝕性隨堆焊層數(shù)增加有所提高。陳紅[16]采用J507和D707焊條在低碳鋼表面進行堆焊，研究表明，J507作過渡層具有良好的塑性和韌性，D707作高強層呈現(xiàn)良好的耐磨性。劉勇等[17]研究了熱處理對D707堆焊層耐磨性的影響，研究表明，D707堆焊層經(jīng)850℃油淬+400℃回火后，均具有較高的硬度和優(yōu)異的耐腐蝕磨損性能。吳志生等[18]采用埋弧焊技術(shù)在Q235鋼表面堆焊3Cr13不銹鋼耐磨層，研究表明，當堆焊層數(shù)達到3層時，堆焊合金的硬度基本不受母材稀釋率的影響，堆焊層表面平均硬度為HRC 45.9，組織為針狀馬氏體+殘余奧氏體。張宇鵬等[19]采用CO2氣體保護焊在Q235鋼表面堆焊YD110-G藥芯焊絲，研究表明，隨著焊接熱輸入的提高，合金元素固溶于奧氏體基體的量增多，堆焊層耐蝕性增強。禹東等[20]研究了熱處理對GH4169鎳基合金熔覆層組織與性能的影響，研究表明，熱處理后鎳基復合層中Laves相形態(tài)由長條狀轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒狀，基體與熔覆層性能均得到了提升。鄧德偉等[21]研究了熱處理對17-4PH不銹鋼表面等離子堆焊層組織和性能的影響，研究表明，經(jīng)1 050℃固溶處理+時效處理后，熱影響區(qū)消失，晶粒細化，顯微硬度提高。王芝玲等[22]采用熔化極活性氣體保護焊在Q345鋼表面分別制備了有過渡層和無過渡層的堆焊層，研究表明，在堆焊層與基板之間采用過渡層過渡，可減小脆性斷裂和開裂的傾向，提高堆焊層的性能。

目前針對17-4PH不銹鋼表面制備仿生梯度硬度高強層的相關(guān)研究較少，為探究其表面仿生梯度硬度高強層組織與性能，優(yōu)化仿生梯度硬度高強層制備工藝，故本文采用手工電弧焊在17-4PH不銹鋼表面制備仿生梯度硬度高強層，選用D322焊條和D707焊條分別做過渡層和高強層，為17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層制備提供進一步科學依據(jù)。

1 試驗材料與方法

選用規(guī)格為110 mm×110 mm×10 mm的17-4PH不銹鋼為基板，用角磨機打磨表面的鐵銹和油污，使表面呈現(xiàn)出金屬光澤，其化學成分如表1所示。選用直徑為?3.2 mm的D322焊條和D707焊條分別作為過渡層和高強層堆焊材料，其化學成分如表2所示，堆焊前將焊條在250℃烘干90 min，將17-4PH不銹鋼在600℃下預熱10 min，以免開裂。

表1 17-4PH不銹鋼化學成分Table 1 Chemical composition of stainless steel 17-4PH

表2 堆焊焊條化學成分Table 2 Chemical composition of surfacing electrode

選用上海松勒ZX7-400逆變式手工電弧焊機進行仿生梯度硬度高強層制備，堆焊工藝參數(shù)如表3所示。為保證堆焊質(zhì)量，每焊一層需清理干凈焊渣后再開始下一層的堆焊。堆焊結(jié)束后，600℃隨爐緩冷。采用線切割沿堆焊平行方向切割沖擊試樣，用砂紙打磨并在萊州蔚儀P-1型金相試樣拋光機拋光，采用王水浸蝕1～2 min后，在德國蔡司Axio Vert.A1型金相顯微鏡下觀察微觀組織；采用日本島津XRD-6000型X射線衍射儀進行物相分析；采用上海蔡康HXD-1000型顯微維氏硬度計測維氏硬度，載荷500 g，保荷時間10 s，間隔0.5 mm；采用北京納克NI500C沖擊試驗機進行沖擊試驗，參考《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》(GB/T 229-2020)[23]制備55 mm×10 mm×10 mm標準沖擊試樣，如圖1所示。

圖1 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層標準沖擊試樣Fig.1 Standard impact specimen of 17-4PH stainless steel surface bionic gradient hardness high strength layer

表3 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度高強層堆焊工藝參數(shù)Table 3 17-4PH stainless steel surface bionic gradient high strength layer overlay process parameters

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 17-4PH不銹鋼表面堆焊結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文擬在17-4PH不銹鋼表面制備高硬耐磨堆焊層，提出以D322焊條和D707焊條作為堆焊材料，分別選用D322+空冷、D322+爐冷、D707+空冷、D707+爐冷、D322+D707+爐冷5種方案進行試驗，堆焊過程中發(fā)現(xiàn)D322+空冷及D322+爐冷兩種方案，其堆焊層硬度較低，D707+空冷及D707+爐冷兩種方案，堆焊過程中因基體與堆焊材料之間熱膨脹系數(shù)差異較大而導致堆焊層發(fā)生開裂問題，因此本文采用D322+D707+爐冷這種方案進行17-4PH表面仿生梯度硬度高強層制備，而D322過渡層的引入能有效緩解基體與高強層之間因熱膨脹系數(shù)差異所引起的應(yīng)力開裂問題，并能夠顯著提升基體表面堆焊層的硬度，17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層結(jié)構(gòu)Fig.2 17-4PH stainless steel surface bionic gradient hardness high strength layer structure

2.2 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層顯微組織

圖3為17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層顯微組織。圖3(a)為高強層頂部組織，由針狀馬氏體、奧氏體和WC組成，由于頂部在堆焊結(jié)束后未受到熱作用，直接暴露在空氣中冷卻，冷卻速度快，從而形成的晶粒較大。高強層頂部的奧氏體細小，均勻分布在高強層內(nèi)，而馬氏體則嵌入高強層，晶粒粗大。圖3(b)為高強層中部組織，由回火馬氏體、奧氏體和WC組成，由于在堆焊過程中，層與層之間的焊接熱循環(huán)，使晶粒更加細小。圖3(c)為高強層與過渡層之間的連接界面，可清晰發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是由于D707焊條和D322焊條的組成成分不同，且在堆焊過程中，過渡層對高強層有稀釋作用，在靠近高強層一側(cè)形成了與中部和頂部形態(tài)不同的馬氏體，且存在細小白色的碳化物。在靠近過渡層一側(cè)的堆焊層組織為奧氏體和黑色的碳化物。圖3(d)為過渡層組織，由奧氏體和黑色碳化物組成，用于緩和高強層與基體之間的應(yīng)力，避免因應(yīng)力集中而導致高強層開裂的問題。圖3(e)為基體與過渡層的連接界面，上部為過渡層、下部為基體，界面冶金結(jié)合良好，在靠近連接界面附近，碳化物增多形成增碳層，其主要原因是基體對過渡層有稀釋作用。圖3(f)為基板組織，由回火馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成，且碳化物會隨著焊接熱循環(huán)不斷累積變多。

圖3 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層顯微組織：(a) 高強層(頂部)；(b) 高強層(中部)；(c) 高強層與過渡層界面；(d) 過渡層；(e) 過渡層與基板界面；(f) 基板Fig.3 Microstructure of 17-4PH stainless steel surface bionic gradient hardness high strength layer: (a) High-strength layer (top); (b) High-strength layer(middle); (c) High-strength layer and transition layer interface; (d) Transition layer; (e) Interface between transition layer and substrate; (f) Substrate

2.3 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層物相

圖4為17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層截面XRD圖譜，分析表明，17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層截面相結(jié)構(gòu)由Fe-Cr、γ-Fe及WC組成，17-4PH不銹鋼中存在Fe及Cr元素，而高強層中的WC相為D322焊條和D707焊條中的元素，在焊接冶金過程中，D322和D707焊條中WC在焊接熱循環(huán)下過渡至基體中，WC作為增強相可顯著提升17-4PH不銹鋼表面硬度與耐磨性。

圖4 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層截面XRD圖譜Fig.4 Cross-sectional XRD pattern of 17-4PH stainless steel with bionic gradient hardness and high strength layers

2.4 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層硬度

17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層的顯微硬度測試結(jié)果如表4和圖5所示?？芍?，基板的平均硬度為HV0.5409.8，過渡層的平均硬度為HV0.5460.5，高強層的平均硬度為HV0.5726.5，仿生梯度硬度高強層的硬度由基板至高強層逐步呈現(xiàn)出一個遞增的趨勢，且堆焊層的硬度顯著高于基板的硬度。一方面是由于元素含量的不同；另一方面是由于堆焊層中存在硬質(zhì)相WC、Fe-Cr和針狀馬氏體，這些硬質(zhì)相彌散分布在堆焊層中起到彌散強化的作用，從而顯著提高17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層的硬度與耐磨性。

圖5 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層縱向硬度分布圖Fig.5 Longitudinal hardness distribution of 17-4PH stainless steel surface bionic gradient hardness high strength layer

表4 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層硬度Table 4 17-4PH stainless steel surface bionic gradient hardness high tensile layer hardness

2.5 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層沖擊性能

17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層的沖擊吸收功如表5所示，其平均沖擊吸收功為12.90 J，最大值為15.92 J，最小值為10.3 J，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是由于高強層、過渡層與基體之間的組織、相組成及硬度值之間存在較大的差異所導致。

表5 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層沖擊吸收功Table 5 Impact absorption function of 17-4PH stainless steel surface bionic gradient hardness high strength layer

3 結(jié) 論

(1) 采用D322焊條和D707焊條分別作過渡層和高強層，在17-4PH不銹鋼表面制備仿生梯度硬度高強層，基板與過渡層、過渡層與高強層之間冶金結(jié)合良好。高強層由馬氏體、奧氏體和WC組成，過渡層由奧氏體和黑色碳化物組成，基板由回火馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成。

(2) 仿生梯度硬度高強層相結(jié)構(gòu)主要是由Fe-Cr、γ-Fe和WC組成，F(xiàn)e-Cr和WC硬質(zhì)相的存在，可以顯著提高基體的表面硬度。

(3) 隨著堆焊層厚度的增加，堆焊層的硬度逐漸升高，高強層的平均硬度為HV0.5726.5，過渡層的平均硬度HV0.5460.5，基板的平均硬度HV0.5409.8，且高強層的硬度顯著高于基板的硬度，形成仿生梯度硬度結(jié)構(gòu)。

(4) 17-4PH不銹鋼表面仿生梯度硬度高強層的平均沖擊吸收功為12.90 J，其沖擊吸收功較低的主要原因是由于基板、過渡層和高強層之間組織與性能不同所導致的。