碳化鎢焊條堆焊層組織與性能范文

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《焊接技術雜志》2016年第三期

摘要：

采用焊條電弧焊，使用2種焊條（J507和D707）對低碳鋼母材進行過渡層和耐磨層堆焊，研究堆焊層的硬度和組織結構特點，發現堆焊打底過渡層組織主要由大量鐵素體和少量珠光體組成，其塑性和韌性較好；耐磨層組織由碳化物（WC）、馬氏體及殘余奧氏體組成，高硬度的WC顆粒鑲嵌在馬氏體基體中，堆焊層呈現出良好的耐磨損性。

關鍵詞：

堆焊；顯微組織；硬度；磨損性能

應用經濟可行的耐磨損方法，大幅度地延長耐磨件的使用壽命，對于企業在生產過程中降低資源消耗、提高生產效率和創造更大效益等方面具有重大意義。目前堆焊技術發展迅速，耐磨堆焊工藝的改進和新型耐磨堆焊材料的研發應用，使得一些耐磨零部件可以直接采用堆焊技術制造，采用堆焊技術還可以修復受損的零部件，且修復后完全可以正常使用。堆焊技術已經在電力、冶金和石油化工等行業中進行推廣，其優質、高效和低成本的優勢明顯［1－3］，有著廣闊的應用前景。本文研究的是低碳鋼的耐磨堆焊，試件整體韌性由基材來保證，試件耐磨性由堆焊層來保證，通過堆焊方式可大幅度提高試件的綜合性能，具有重要的現實意義。

1材料、設備及試驗方案

1．1材料和堆焊設備選擇低碳鋼Q235作為堆焊母材。試件規格為170mm×150mm×25mm，其主要化學成分見表1。堆焊采用焊條電弧焊，堆焊設備選用YC－400TX3型弧焊逆變器。所用的焊條牌號分別為J507，D707。J507焊條屬于低氫鈉型堿性碳素鋼用焊條，用于堆焊打底層及過渡層，其熔敷金屬化學成分見表2。D707焊條屬于低氫鈉型藥皮碳化鎢堆焊焊條，用于堆焊耐磨層，其熔敷金屬化學成分見表3。

1．2試驗方案試驗包括表面堆焊、硬度測試、金相組織觀察和三體摩擦磨損試驗等環節。表面堆焊采用J507焊條對試板進行打底層、過渡層的堆焊，然后再用D707焊條進行耐磨層堆焊。其中打底層、過渡層堆焊2層，耐磨硬面層堆焊3層。堆焊前不進行預熱，堆焊工藝參數見表4。用線切割機從焊后試板上取樣（圖1），制備堆焊層橫截面金相試樣，金相組織觀察所用設備為Le-ica數碼金相顯微鏡。從堆焊層橫截面由內向外取6個點測試洛氏硬度，然后將6個測點硬度的平均值作為最終硬度值。磨損試驗采用MMH－5型環塊三體磨損試驗機，具體試驗以三體磨損形式進行。三體磨損試驗工作原理如圖2所示。試樣采用自制的磨損試樣，受載的磨損試樣在自由磨料石英砂覆蓋的正火20鋼軌道上做勻速圓周運動，磨損試樣前端的45°傾斜角把磨料推向試樣與軌道之間，構成磨料磨損條件。主軸轉速為40r/min，采用砝碼加載的方式，磨損試樣預磨時間為10min，超聲波清洗、干燥后稱重，之后每磨損30min后將試樣再進行超聲波清洗、干燥和稱重，記錄每次的磨損質量。每個磨損試樣預磨后共進行150min的磨損。

2堆焊層組織結構特點

2．1打底、過渡層組織結構特點采用J507焊條堆焊2層打底、過渡層，由于稀釋率的影響，兩焊層的化學成分存在一定差異，具體微觀組織如圖3，圖4所示。分析圖3，圖4可見，2層堆焊打底層都是由鐵素體構成，差異在于打底第1層中鐵素體的形狀不規則，尺寸分布也不均勻，而鐵素體在打底第2層中表現出比較均勻的狀態，珠光體在打底第2層中開始出現。由于J507焊條熔敷金屬中的C含量比母材的低而Mn含量比母材的高，且前一堆焊層成分對后一堆焊層成分有稀釋作用，因此，從打底第1層到打底第2層C含量逐漸減少，但Mn含量增加。Mn含量的增加促進珠光體形成，因而珠光體轉變區域擴大，且第2層的冷卻速度比第1層的冷卻速度低，而珠光體轉變是典型的擴散型轉變，冷速減緩有利于Fe，C的擴散，這就是打底第2層中出現珠光體的原因。但打底層C含量和其他合金元素含量還是很低，幾乎與普通低碳鋼無異。而堆焊時冷卻速度總體較快，因此堆焊層組織相變過程中出現大量珠光體轉變的可能性很小，即使緩冷，也僅能獲取少量珠光體。綜上可知，打底、過渡層的組織還是典型的鐵素體組織。

2．2耐磨堆焊層組織結構特點耐磨堆焊層采用D707焊條在打底過渡層基礎上堆焊3層，堆焊層的微觀組織如圖5，圖6和圖7所示。從圖中可見，3層的組織都是由馬氏體、殘余奧氏體和硬質相WC組成，差別只在于WC顆粒的數量和大小不同。通過觀察耐磨堆焊層中的碳化物形態，可以看出碳化物的形狀大部分為不規則的多邊形，少量碳化物以樹枝狀存在，但都是形狀不同的WC顆粒。堆焊組織中的WC顆粒大小隨著堆焊層層數的增加而逐漸增大，數量也在逐漸增多。出現這樣的現象有兩個方面的原因：首先是上層堆焊層的冷卻速度比下層堆焊層的低，上層堆焊層的WC有相對充裕的時間實現擴散，因此其顆粒變大；再者是W和C元素在上層堆焊層中的含量高于在下層堆焊層中的含量，以上兩個原因造成了WC在3個堆焊層中的分布特點不同。鑲嵌在基體中的具有高硬度的WC與基體之間形成了良好結合，基體為WC硬質相提供強力支撐，將WC硬質相固定于基體中，促使堆焊層耐磨性能提高。

3耐磨堆焊層的硬度

硬度和耐磨性并非是絕對的正比例關系，但材料硬度低其耐磨性一定不會好。因此，硬度與磨損率仍然有直接關系，在一定程度上堆焊層的硬度決定了堆焊層的耐磨性。耐磨堆焊層中，D707焊條直接由藥皮向熔池中過渡大量WC并成為堆焊組織中的硬質相，堆焊層的硬度因而有了充分保障。由表5可以看出，耐磨堆焊層不同測點處的硬度均不低于HRC60，總體硬度已達到要求。

4耐磨堆焊層的三體摩擦磨損性能

在定載荷F＝9．8N，轉速40r/min，預磨10min后連續磨損150min情況下，研究討論隨磨損時間D707焊條堆焊層的磨損情況。磨損過程中試樣自身質量的損失情況見表6，磨損時間與試樣磨損量的關系如圖8所示。由圖8可知，耐磨堆焊層的磨損存在一定規律，可將磨損過程分3個階段討論，即磨損增加階段、磨損趨于平緩階段和磨損再次快速增加階段。第1階段是磨損增加階段，硬質相顆粒與金屬基體在同一平面接受磨料磨損，高硬度的WC硬質相能有效抵抗磨料磨損，但基體硬度較低，抗磨料磨損能力較弱，基體在這一階段磨損情況嚴重，因此試件在本階段的總磨損量較大；進入第2階段也即磨損量變化趨于平緩階段后，由于原先基體磨損嚴重出現下凹，而原先硬質相磨損不大，因此硬質相高于基體凹面，成為接受磨料磨損的主要對象，硬質相對基體產生“陰影效應”，使基體得到有效保護，同時基體對硬質相顆粒還具有“支撐效應”，2種效應相結合就使得本階段試樣的磨損量相對穩定；進入第3階段，由于磨損量不斷累積，堆焊層基體過度下凹，造成硬質相所得到的“支撐效應”逐漸喪失，開始出現部分硬質相顆粒折斷甚至剝落的現象，于是硬質對基體的“陰影效應”也慢慢減弱，基體嚴重磨損再次開始，最終致使堆焊層的磨損量再度升高。在實際的磨料磨損環境中，材料內各相的硬度是決定材料耐磨性的關鍵所在。耐磨堆焊層基體組織中分布著大量的碳化物硬質相，在磨料磨損條件下，基體組織首先被切削磨損，造成高硬度的碳化物位置高于基體表面。在載荷較小條件下，凸出的碳化物對基體有良好的保護效果，小載荷不會使硬質相從基體脫離，使得磨料對基體的切削作用減弱。但隨著載荷的增加，磨料對基體的切削作用加劇，磨損量也在不斷增大。同時，作用在凸出的碳化物上的載荷也不斷增大。較小的碳化物和基體間的結合面積小，結合力也相對弱，因此開始出現折斷或從基體剝離的現象。載荷再進一步增大，較大體積的碳化物也開始逐漸從基體脫離。最終使基體不再得到硬質相的保護，于是磨損量進一步加大。綜上所述，磨料磨損條件下材料磨損量加劇的核心原因在于載荷的不斷加大，使碳化物硬質相出現折斷、碎裂和剝落。可見，對耐磨堆焊層的研究中一定要重點考慮碳化物與基體之間的良好結合、相互支撐。碳化物不僅要分布均勻，其尺寸也要合適，基體本身也要具有一定的硬度和耐磨性［4－7］。

5結論

堆焊打底層組織結構與低碳鋼類似，其C含量低于母材的，而Mn含量高于母材的，有良好的韌性和塑性，產生裂紋的可能性小，有較好的止裂作用；耐磨堆焊層組織呈現出的狀態是高硬度的硬質相WC以彌散狀態均勻分布于金屬基體中，且平均硬度不低于HRC60，使堆焊層具有良好的抗磨料磨損性能。

參考文獻：

［1］魏建軍，潘健．磨機輥面的破壞形式及其修復［C］//第二屆水泥工業用耐磨材料技術研討會，2007.

［2］徐濱士．表面工程［M］．北京：機械工業出版社，2000.

［3］趙云峰．堆焊藥芯焊絲在輥壓機維修中的應用［J］．中國建材裝備，2000（6）：29-30.

作者：陳紅 單位：云南機電職業技術學院