鈰含量對高速鋼堆焊層組織及性能的影響

2018-08-24 08:56:42，，，

機械工程材料 2018年8期

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(遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000)

0 引言

軋輥是軋鋼設備的關鍵部件，在生產中與鋼板直接接觸，擠壓鋼板使鋼板產生塑性變形，因此其磨損機制主要是黏著磨損和磨粒磨損[1]，失效形式主要是軋輥表面剝落和開裂。每年因材料損耗或失效而產生的廢舊軋輥的數量巨大,從節約材料和環保的角度考慮，有必要對廢舊軋輥進行增材再制造，即在原有輥身的基礎上熔覆一層或多層金屬，使軋輥表面的硬度、耐磨性等性能達到甚至優于之前的性能。

堆焊的成本較低、效率較高，其焊縫成形美觀、尺寸容易控制。在工件上堆焊一層金屬材料可增大或恢復工件尺寸，或使工件表面獲得具有特殊性能的、與工件基體實現高強度冶金結合的熔敷金屬層，因此，堆焊工藝可用于修復各種磨損或損壞的零部件[2]，也是國內外廣泛采用的軋輥修復技術[3]。堆焊修復的產品主要適用于軋鋼或水泥生產等行業。

高速鋼是一種高硬度、高耐磨性的工具鋼，其顯微組織主要為馬氏體和碳化物，碳化物的硬度高、抗熱裂性好，即便在高溫下其硬度也能保持在較高水平；所制軋輥在工作時表面易形成氧化膜、換輥周期長、生產成本較硬質合金軋輥的低，已被廣泛應用于熱軋機和冷軋機組中[4]。考慮到高速鋼的優異性能，研究人員開始將其應用于零部件的焊接修復中。顧錫峰等[5]利用摩擦焊在45鋼上焊接W6Mo5Cr4V2高速鋼，沿焊合區向母材方向淬火馬氏體/貝氏體和殘余奧氏體減少，索氏體增多，碳化物均呈細小顆粒狀彌散分布于基體中，接頭具有較高強度和硬度，不易發生破斷；姚樹玉等[6]在采煤機截齒上堆焊一層高速鋼材料，堆焊層與基體之間為冶金結合，在堆焊過程中鎢與碳形成M6C型化合物并溶入奧氏體中，冷卻后存在于馬氏體中，從而提高了堆焊層的硬度與耐磨性；劉先蘭等[7]在齒輪銑刀上堆焊高速鋼材料對其表面進行修復，使用W18Cr4V鋼焊條、45鋼基體，焊前在500 ℃預熱1～2 h，焊后堆焊層與基體形成較好的冶金結合，表面硬度可達61 HRC。目前，采用堆焊高速鋼對磨損軋輥表面進行修復的研究較少，為此，作者在高速鋼成分的基礎上制備了不同鈰含量高速鋼預置塊，并采用鎢極氬弧焊在Q235低碳鋼板上制備了高速鋼堆焊層，研究了鈰含量對堆焊層組織和性能的影響，為高速鋼堆焊層在鋼鐵領域的進一步應用提供依據。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料：鐵粉、碳粉、鉻粉、鈮粉、硅粉、鋁粉、鈦粉、碳化鎢粉，純度均在99.9%以上；鈷質量分數為55%的鈷基合金粉、鎳質量分數為80%的鎳基合金粉和鉬質量分數為65%的鉬鐵粉，粒徑均為48 μm；氧化鈰，純度為80%，粒徑為48 μm。

在M2高速鋼成分的基礎上對試驗用高速鋼進行成分設計。按照表1進行配料，分別研磨均勻。將氧化鈰和適量水玻璃溶液混合后，再與其他粉體混合均勻，使用WE-30型液壓萬能試驗機壓制成尺寸為80 mm×7 mm×2 mm的試樣塊，壓力為170 kN，卸載壓力為30 kN，在陰涼處放置12 h后，置于ZYHC-30型自控遠紅外電焊條烘干箱中干燥，溫度為250 ℃，保溫時間為2 h，得到高速鋼預置塊。

表1 高速鋼的設計成分(質量分數)Table 1 Design chemical composition of high speed steel (mass) %

采用WSM-500型逆變式直流氬弧焊機，在尺寸為100 mm×30 mm×8 mm的Q235鋼板上堆焊高速鋼，保護氣體為純氬氣，采用直徑為2 mm的鎢鉬電極。由預試驗確定焊接電流為185 A，氬氣流量為6 L·min-1。為了保證焊接時電弧能穩定放電，將焊槍置于焊接自動小車上，焊接速度為1.5～2 mm·s-1，堆焊厚度為2.5 mm，焊接時間為5 s。

1.2 試驗方法

將堆焊層切割成尺寸為10 mm×10 mm×8 mm的試樣，在XRD-6100型X射線衍射儀(XRD)上進行物相分析，掃描速率為10(°)·min-1，掃描步長為0.02°，掃描范圍為20°～100°。在堆焊試樣上截取尺寸為8 mm×8 mm×8 mm的金相試樣，用金相砂紙打磨拋光，用體積比為1∶1∶3的硝酸、鹽酸、酒精混合溶液腐蝕后，在OLS-3000型激光共聚焦顯微鏡上觀察截面形貌和堆焊層顯微組織。用角磨機及砂紙將堆焊層表面打平，用HRSS-150型洛氏硬度計測表面洛氏硬度，測5個點取平均值。用數控線切割機將堆焊層切成尺寸為φ6 mm×10 mm的圓柱形試樣，打磨平整后，在ML-100型磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，載荷為50 N，對磨材料為80#剛玉砂布，剛玉的莫氏硬度為9。用FN1004型電子天平稱取試樣磨損前后的質量，計算單位面積質量損失，將其定義為磨損量。使用JSM-7500F型掃描電鏡(SEM)觀察磨損形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 截面形貌和顯微組織

圖1 堆焊試樣的截面形貌Fig.1 Cross section morphology of the surfacing sample

由圖1可見，高速鋼堆焊層與Q235鋼基體結合良好，呈現冶金結合，過渡層平滑且沒有氣孔、夾雜等缺陷。

由圖2可見：當鈰含量(質量分數，下同)為0～0.4%時，所得堆焊層的顯微組織均由馬氏體、殘余奧氏體和碳化物組成，隨著鈰含量的增加，碳化物先由粗大的塊狀變為細小的不規則狀，再變為團狀；當鈰含量由0增加至0.2%時，碳化物的數量增多、晶粒變細，但當鈰含量超過0.2%時，其數量和大小未發生明顯變化，這是因為鈰在鐵中的固溶度較小，過量的鈰不能完全反應，對組織的影響不明顯。

圖2 不同鈰含量堆焊層的顯微組織Fig.2 Microstructures of the surfacing layer with different cerium content

2.2 物相組成

不同鈰含量堆焊層的XRD譜相似，以鈰含量為0.1%的堆焊層為例進行分析。由圖3可知，堆焊層的主要物相是α-Fe和VC、WC、Cr23C6等碳化物，這是因為鎢、釩為強碳化物形成元素，鈰元素能促進碳化物的析出。VC、WC等碳化物能夠提高堆焊層的硬度、強度和耐磨性；Cr23C6具有很高的高溫穩定性，有利于堆焊層性能的提高。

圖3 含0.1%鈰堆焊層的XRD譜Fig.3 XRD pattern of the surfacing layer with 0.1% Ce

圖4 堆焊層的表面洛氏硬度隨鈰含量的變化曲線Fig.4 Surface Rockwell hardness vs cerium content curve of the surfacing layer

2.3 硬度

由圖4可見，隨著鈰含量的增加，堆焊層的表面洛氏硬度先增后降，添加0.1%鈰的堆焊層的硬度最高，添加0.4%鈰的堆焊層的最低。結合圖2分析可知：添加0.1%，0.2%的鈰后碳化物晶粒發生了細化，有利于硬度的提高；但隨著鈰含量的增加，堆焊層中夾雜物的數量增多，又對硬度產生了不利影響[8]。

2.4 耐磨性能

由圖5可見：隨著鈰含量的增加，堆焊層的磨損量先降后增，耐磨性能先增后降，與硬度的變化趨勢一致；含0.1%鈰的堆焊層的磨損量最小，耐磨性能最好。一定含量的鈰能夠細化晶粒，減少鋼中夾雜物，改變碳化物的分布[9]，從而提高堆焊層的耐磨性。

圖5 堆焊層的磨損量隨鈰含量的變化曲線Fig.5 Wear loss vs cerium content curve of the surfacing layer

由圖6可以看出，不同鈰含量堆焊層的摩擦表面上均存在由犁皺形成的溝槽，與文獻[10]中的磨粒磨損形貌一致。結合圖4、圖5分析可知：當鈰含量為0.1%時，堆焊層的表面硬度最高，磨粒嵌入其表面的數量最少，因此溝槽最淺、表面脫落的硬質顆粒最少、磨粒切削下的磨屑最少，耐磨性能最好；不含鈰的和含0.4%鈰的堆焊層硬度較低，磨粒嵌入其表面的數量較多，因此溝槽較深且表面材料發生嚴重脫落，磨損最為嚴重；當鈰含量在0.2%和0.3%時，堆焊層的硬度適中，因此溝槽較淺、脫落的硬質顆粒也較少，耐磨性能適中。