不同焊接方法對NiCrFe堆焊層組織及性能的影響

閆侯霞

（內蒙古能源發電金山熱電有限公司，呼和浩特010106）

電火花堆焊技術是一種具有獨特技術優勢的新興材料表面技術，在表面耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、表面修復與改性等方面具有廣闊的應用前景，不僅應用于工具、模具與刃具、礦山、冶金、汽車、醫用器材等一般工業領域，還可以應用于核反應堆、直升機和戰機引擎等高端零件。

電火花堆焊是利用電極棒在工作表面旋轉，在相互接觸的微小區域瞬時（10-6～10-5s）流過高密度的電流（105～106A/cm2），由于放電能量在時間和空間上高度集中，在微小的放電區域內產生4 727～24 727℃的高溫，使該區域的局部材料高能離子化，電極棒高速轉移到工件表面，并擴散進入到工件表層，形成冶金型牢固結合的堆焊層。

與其他表面堆焊方法相比，電火花堆焊有如下優點：①能量輸入低，母材保持在室溫，熱影響區及變形極小，可忽略其對母材的影響；②僅需少量或不需進行前、后處理；③適用范圍廣，可適用于所有能導電、可熔的金屬及陶瓷材料。

本研究分別采用電火花堆焊技術、氬弧焊堆焊技術和手工電弧焊堆焊技術在同一焊接母材Q345鋼表面堆焊同類型焊接材料，對比堆焊層至母材之間硬度的分布情況，分析不同堆焊方法堆焊層的組織及元素過渡情況，為利用堆焊技術修復軸類表面劃傷提供技術及理論支持。

1 試驗材料及方法

試驗母材選用Q345鋼，制備成3個試樣，規格為20 mm×20 mm×12 mm。在試樣表面的中心加工一個深2 mm、60°角的V形槽，用來模擬軸類表面的劃痕。

電火花堆焊采用DZ-4000（Ⅲ）多功能表面強化機，火花放電電極直徑4 mm，氬弧堆焊及手弧堆焊采用焊條直徑分別為2.5 mm和3.2 mm，堆焊材料選Ni、Cr、Fe含量相近且在生產實踐中有成功修復軸類案例的火花放電電極、氬弧焊絲或手弧焊條，其化學成分及堆焊工藝參數見表1、表2。

表1 堆焊材料的化學成分

表2 堆焊工藝參數

使用HVS-30Z/LCD數字式維氏硬度計對堆焊層至母材間的硬度分布進行測試，使用Axio Observer A1m型金相顯微鏡對熔合區組織進行分析，使用帶有EDS的Philips Quant 400型掃描電子顯微鏡對堆焊層截面各元素的分布情況進行分析。

2 試驗結果及分析

2.1 試驗結果

利用3種堆焊方法，試樣表面的模擬劃痕均被成功修復。從試樣截面對應V形槽的中心開始，自母材至堆焊層每隔0.25 mm測量一個顯微硬度值，測量的結果如圖1所示。從圖1可以看出，電火花堆焊母材與堆焊層之間發生硬度變化的區域很小，硬度值變化較大的區域為焊接熱影響區，硬度值由母材區的180HV提高至堆焊層的400HV。氬弧堆焊及手弧堆焊的母材與堆焊層之間硬度變化的區域較大，手弧堆焊的母材硬度較高，表明在3種堆焊方法中，手弧堆焊對母材的熱影響最大。

圖1 不同堆焊方法試樣硬度測量結果

2.2 試驗結果分析

圖2 3種焊接方法堆焊層的金相組織照片

圖2為3種堆焊工藝下堆焊層的金相組織照片。從圖2（a）可以看出，電火花堆焊工藝中下方白亮色為NiCrFe堆焊層，過渡區及熱影響區相對較窄，主要由堆焊電極及母材在電火花放電能量下熔化發生冶金反應而生成。從金相組織可以看出，過渡區發黑，主要因為高溫冷卻時析出的細小碳化物附在細化的馬氏體組織上腐蝕后形成。由于電火花堆焊的焊接熱影響區很小，靠近堆焊層母材的組織沒有發生變化，仍然為鐵素體+珠光體。從圖2（b）可以看出，氬弧堆焊層的金相組織中下方白亮色為堆焊層NiCrFe，過渡區及熱影響區相對變寬，過渡區具有明顯的奧氏體組織出現，熔合區至母材的組織逐漸發生變化，由奧氏體向鐵素體+珠光體組織過渡。手弧堆焊層變化情況與氬弧堆焊變化情況基本一致，修復相同體積缺陷時，手弧堆焊的焊接熱影響區更寬。

通過比較堆焊層及母材的金相組織發現，電火花堆焊對母材的熱影響最小，手弧堆焊對母材的熱影響最大，同時，通過比較這兩種堆焊方法合金元素的過渡情況也可印證這一點。圖3為電火花堆焊及手弧堆焊工藝下堆焊層截面形貌及元素線掃描結果。由圖3（a）可看出，電火花堆焊層的組織均勻細密，基本沒有裂紋氣孔等缺陷，在堆焊層與母材之間存在明顯的元素過渡區，熔合區寬度小于50 μm，在此過渡區內，元素含量是逐漸變化的，表明電極材料和母材之間發生了元素的相互擴散，因此堆焊層與母材之間結合牢固。圖3（b）中手弧堆焊層合金元素的過渡更加平緩，表明焊接的熔合區域更寬，寬度大于100 μm。

圖3 不同焊接工藝下堆焊層截面形貌及元素線掃描結果

堆焊層中主要分布著Ni、Fe和Cr，其中Fe含量低于母材，這是因為Fe在母材中的含量遠高于堆焊材料，部分Fe由母材進入堆焊層，這是一個擴散過程。Ni與Cr僅存在于堆焊層中，Ni與Cr在堆焊層中的含量高于母材，Mn及Nb含量較低，接近于母材，因此，在堆焊層及母材中的含量大致相同。

3 結 論

（1）電火花堆焊使母材至各堆焊層之間的硬度先增至某一峰值后下降，最后達到恒定值。

（2）電火花堆焊技術自母材至堆焊層硬度變化區域最窄，因此該堆焊技術產生的熱影響區較小，母材因熱輸入產生的組織及變形非常小，特別適合電力軸類這些對變形要求嚴格部件的修復。

（3）電火花堆焊層與母材之間各元素發生擴散且過渡比較均勻，表明堆焊層與母材間為冶金結合，結合強度較高。

[1]游國強，陳勇，張均成，等.電火花堆焊技術的研究與應用現狀[J].材料導報，2011（21）：123-127.

[2]汪瑞軍，黃小鷗.電火花沉積/堆焊技術的國內外應用現狀[J].焊接，2006（10）：19-23.

[3]孫凱偉，張琪娜，涂益民.電火花沉積技術國內外研究的最新進展[J].焊接技術，2014，43（8）：1-5.

[4]趙曉春，孫增偉，劉曉明，等.電火花堆焊技術的研究及在電力軸類修復中的應用[J].熱加工工藝，2010（19）：178-180.

[5]郝建軍，馬躍進，樊云飛，等.反應電火花堆焊修復齒輪軸[J].農業工程學報，2008（11）：107-110.

[6]王燕，張富巨.Q235鋼電火花堆焊接頭行為研究[J].電焊機，2014（3）：128-131.

[7]IDRISS A N M，MRIDHA S，BAKER T N.Laser and GTAW torch processing of Fe-Cr-B coatings on steel[J].Materials Science&Technology，2014（2）：101-119.

[8]鄭相鋒，馮硯廳，李中偉，等.電火花堆焊接頭力學性能測試的研究[J].熱加工工藝，2008（19）：129-130，134.

[9]孟劭萍.鉻鎳薄壁不銹鋼管手工鎢極氬弧焊施工工藝[J].天津建設科技，2015，25（6）：39-41.

[10]BHADURI A K. Hardfacing of austenitic stainless steel with nickel-base NiCr alloy[J]. International Journal of Microstructure&Materials Properties，2011（6）：103-107..