堆焊工藝對高鉻合金粉體堆焊層組織及耐磨性能的影響

劉 躍，張國賞，2，魏世忠，2，李繼文，2，徐流杰，2

（河南科技大學1.材料科學與工程學院；2.河南省耐磨材料工程技術研究中心，洛陽471003）

0 引 言

圓錐破碎機軋臼壁是圓錐破碎機中的主要消耗部件，采用合適的材料及工藝對軋臼壁進行堆焊修復是延長其使用壽命、降低成本的一個重要手段。粉末堆焊是一種以等離子弧、碳弧、電弧等為熱源，使合金粉熔敷于基材表面上的一種堆焊方法，該方法焊接的產品可具備較佳的強度、韌性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗沖擊性，能顯著提高產品的使用壽命；也可以采用該方法修復已磨損報廢的零部件，實現報廢零部件的再生利用。該方法在國防工業、冶金工業、建材、能源、電力、礦山機械等行業的制造、維修方面具有很大的應用潛力。關于合金粉末堆焊方面的研究已有很多報道，而將合金粉制作成粉塊，然后利用高溫熱源使其熔敷在工件表面的粉塊堆焊工藝的相關研究報道較少。為了提高堆焊層的性能，作者分別采用焊絲粉末堆焊和焊絲粉塊堆焊兩種工藝在Q235鋼表面進行堆焊，并對堆焊層的宏觀形貌、顯微組織、硬度和耐磨性能進行了研究。

1 試樣制備與試驗方法

1 試樣制備

試驗用自動堆焊機由焊接操作機、焊接變位機、自動焊接擺動器、CPXD600型氣體保護焊接電源、水冷自動氣保焊槍和觸摸屏電氣控制系統組成。堆焊基材為200mm×100mm×16mm的Q235低碳鋼板。所用堆焊合金粉為粒徑70～180μm的高碳鉻鐵粉，其化學成分（質量分數／%）為5.0C，60Cr，0.64Ti，3.35Al，1.16Mn，余 Fe。氣體保護焊絲牌號為JQ·MG50－6，其名義化學成分（質量分數／%）為0.06～0.15C，1.4～1.85Mn，0.8～1.15Si，余 Fe。

粉末堆焊工藝：稱取20g合金粉置于V型混料機中，混合均勻后放入DZF－6053型真空干燥箱中烘干，然后加熱至30～40℃預熱12h，再升溫至170℃保溫24h。然后將其按90mm×25mm（長×寬）均勻地平鋪在已清除氧化皮的Q235鋼板上，按表1中的焊接參數進行粉末堆焊試驗，制備焊絲粉末堆焊層試樣。

表1 堆焊工藝參數Tab.1 Surfacing technology parameters

粉塊堆焊工藝：稱取20g合金粉末置于V型混料機中，混合均勻后，加入適量的經高錳酸鉀鈍化的水玻璃作為粘結劑，研磨均勻后，放進自制的模具中，再用液壓機在4MPa壓力下保壓3min，壓制成尺寸為90mm×25mm×2mm的合金粉塊，然后將其置于DZF－6053型真空干燥箱中烘干，先加熱至30～40℃預熱12h，然后升溫至170℃保溫24h。取出粉塊，放置在已去除氧化皮的Q235鋼板上，按表1中的焊接參數進行粉塊堆焊試驗，制備焊絲粉塊堆焊層試樣。

1.2 試驗方法

堆焊試驗結束后，用拋光機除去堆焊層表面的氧化皮，然后利用線切割制取尺寸為10mm×10mm×20mm的試樣，經砂紙磨平和金剛石研磨膏拋光后，用三氯化鐵鹽酸溶液（由5g三氯化鐵、50mL鹽酸和100mL蒸餾水組成的混合溶液）腐蝕50s，在XJP－3A型光學顯微鏡下觀察試樣的顯微組織；采用M5000型臺式CCD直讀光譜儀測堆焊層的化學成分；采用D8型多晶X射線衍射儀分析堆焊層中合金元素的相結構；采用JSM－5610LV型掃描電子顯微鏡觀察堆焊層的組織形貌；采用HRC－150型洛氏硬度計測堆焊層的洛氏硬度，每個試樣測5個點，取平均值，采用金剛石壓頭，載荷為1 471N，加載時間5s，其中測點之間的距離或任一測點距試樣邊緣的距離不小于3mm。

采用ML－10型磨料磨損試驗機進行磨損試驗。試樣先在磨損試驗機上預磨5個周期（1個周期為100s），然后清洗干凈并烘干后用SARTORIUSBS201S型電子天平秤量質量（m0），之后按表2中的磨損試驗參數進行磨損試驗，磨損試驗結束后再稱量質量（m1），磨損量Δm＝m0－m1，取3個試樣磨損量的平均值。

表2 磨損試驗參數Tab.2 Wear test parameters

2 試驗結果與討論

2.1 化學成分及宏觀形貌

從表3中可以看出，焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層中的碳含量明顯較高，這表明采用焊絲粉末堆焊工藝堆焊時的飛濺較大，且碳的燒損較多。

焊絲粉末堆焊工藝制備的堆焊層中存在較多的氣孔和夾雜，如圖1（a）所示；焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層中缺陷較少，且脫渣性良好，肉眼觀察堆焊層及熱影響區均未發現焊接裂紋，但是堆焊層表面存在表面氣孔和焊瘤，如圖1（b）所示。清理干凈焊道表面的焊渣后，取樣觀察亦均未發現未熔合、裂紋、氣孔和夾渣等缺陷，如圖1（c）所示。

表3 不同堆焊工藝制備堆焊層的化學成分（質量分數）Tab.3 Chemical composition of surfacing layers prepared by differnt surfacing technologies（mass）%

2.2 組織形貌及物相

由圖2（a）和圖3（a）可以看到，兩種堆焊工藝制備的堆焊層和基體間的熔合區均很窄，且結合緊密，沒有氣孔，基體與堆焊層之間屬冶金結合。焊絲粉末堆焊工藝制備的堆焊層主要由針狀鐵素體、奧氏體和少量碳化物組成，針狀鐵素體組織縱橫交錯，位向分布不均勻。采用焊絲粉末堆焊工藝進行堆焊時，熔滴溫度很高，突遇溫度較低的粉體后，冷熱不均，造成合金粉體飛濺，同時碳的燒損及其在熔池中的充分擴散使粉體中的碳化物熔化后形成的碳元素富集區消失，因此有少量碳化物析出。焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層主要由奧氏體、碳化物及少量鐵素體組成。采用焊絲粉塊堆焊工藝進行堆焊時，溫度較高的熔滴落到合金粉塊上，由于大量合金粉體粘連在一起，熱量迅速向四周傳輸，碳元素的燒損程度較低，因此飛濺少且有較多碳化物析出［1］，如圖3（b）所示。

從圖2中還可以看到，可能由于電弧過長，熔池面積過大，堆焊機操作不熟練等原因造成焊絲粉末堆焊工藝制備的堆焊層中出現了孔洞缺陷。

由圖4可知，兩種堆焊工藝制備的堆焊層組織均 由 奧 氏 體 （γ－Fe）、鐵 素 體 和 碳 化 物 （M7C3、Cr23C6）組成，其二者最為顯著的不同點是，前者的奧氏體（220）晶面特征峰的衍射峰強度比后者對應的晶面特征峰的更高。可知，焊絲粉塊堆焊可促進奧氏體組織的形成。另外，采用焊絲粉塊堆焊工藝制備堆焊層的（Fe，Cr）7C3相的（402）面的衍射峰強度比采用焊絲粉末堆焊工藝制備的高，這表明前者中的（Fe，Cr）7C3相數量較多，與圖3吻合。

2.3 硬 度

采用焊絲粉末堆焊工藝和焊絲粉塊堆焊工藝制備堆焊層的硬度分別為31，40.3HRC，均高出母材（13.7HRC）很多。文獻［2］的研究表明，碳質量分數在4.0%～6.0%范圍內時，初始碳化物數量和堆焊層的硬度均隨著碳含量的增加而增大。分析認為，采用焊絲粉塊堆焊時，熔池溫度較高，加入的碳、鉻、鈦和硅等合金元素一方面溶解進入固溶體起強化作用，另一方面在冷卻過程中能形成一些細小的共晶化合物，這些硬質相彌散在固溶體間起第二相強化作用，因此采用焊絲粉塊堆焊工藝制備的堆焊層具有較高的硬度［3］。從原始堆焊粉末中的碳化物熔化后形成的局部碳元素富集區中可直接析出（Fe，Cr）7C3相。而Cr23C6相是液相與（Cr、Fe）7C3發生包晶的方式生成反應或從液相中直接析出形成的，但Cr23C6具有一次碳化物的形態，從液相中直接析出的可能性更大。在堆焊層中大量高硬度碳化物相的析出必將提高其宏觀硬度，并有利于改善堆焊層的耐磨性［4］。

2.4 耐磨性能

從表4可以看出，母材Q235鋼在20N載荷作用下的磨損量最大，說明母材的耐磨性能最差。采用兩種堆焊工藝制備的堆焊層在相應載荷下的磨損量較母材的明顯降低，相對耐磨性能分別約為母材的1.3倍和2倍，這說明制備的堆焊層可顯著提高母材表面的耐磨性能。通常認為堆焊層的耐磨性能與其硬度、顯微組織有密切的關系，在相同的磨料磨損試驗條件下，堆焊層表面的洛氏硬度越高，其耐磨性能越好［5］。由此可知，焊絲粉塊堆焊工藝比焊絲粉末堆焊工藝更能提高堆焊層的耐磨性能［6］。

表4 母材及堆焊層的耐磨性能Tab.4 Wear resistance of base metal and surfacing layers

3 結 論

（1）焊絲粉末堆焊和焊絲粉塊堆焊兩種工藝都能實現堆焊層與母材的冶金結合，堆焊層成形良好；采用焊絲粉末堆焊時飛濺大，碳元素燒損嚴重，碳化物析出量少；而采用焊絲粉塊堆焊時飛濺少，且碳化物的析出量較多、脫渣性好。

（2）兩種堆焊層組織中均含有奧氏體、鐵素體和碳化物；采用焊絲粉末堆焊工藝和焊絲粉塊堆焊工藝制備堆焊層的硬度分別為31，40.3HRC，它們的相對耐磨性分別為Q235鋼的1.3倍和2倍。

［1］朱文東.合金粉塊碳弧堆焊層成形與耐磨性研究［D］.南京：南京航空航天大學，2009.

［2］楊威.超高碳高鉻耐磨堆焊合金微觀組織研究［D］.鄭州：機械科學研究總院鄭州機械研究所，2007.

［3］劉勇，王順興，田保紅.硬質合金堆焊層經熱處理后的耐磨性研究［J］.中國表面工程，2002（3）：17－19.

［4］單際國，張迪，任家烈.鎳基合金粉末光束堆焊層的微觀組織及強化機理［J］.材料研究學報，2002，16（2）：151－157.

［5］邵荷生，張清.金屬的磨料磨損與耐磨材料［M］.北京：機械工業出版社，1988.

［6］宇文利，劉秀麗，李偉華.等離子堆焊Ni基合金粉末熔覆層性能研究［J］.金屬熱處理，2006，31（10）：41－43.