耐磨堆焊層顯微組織特征及其與耐磨性關系的探析

劉 明

（威克萊冀東耐磨技術工程（唐山）有限公司， 063200）

隨著社會以及技術深層次發展，低應力磨料磨損工件的需求量明顯增加，普通碳素鋼表面被堆焊一層高鉻合金鑄鐵之后，頻繁應用到這類工件制造、修復兩大環節。工件整體性能、應用效果和堆焊層的耐磨性緊密聯系，要全面剖析耐磨堆焊層顯微組織呈現的主要特征，深入探究顯微組織對堆焊層耐磨性的影響，以顯微組織為基礎，高效控制堆焊材料質量，確保堆焊層有著較高的耐磨性，滿足低應力磨料磨損工件制造以及修復要求。

1 實驗材料以及實驗方法

以某廠大型風機葉片的耐磨堆焊層為例，風機的葉片就是將高鉻合金耐磨材料堆焊在表面的低碳鋼。該風機運行中的風量達到14000m3/min[1]，高速以及高溫的粉塵粒子不斷沖擦是影響風機的主要因素，風機在實際應用中的磨損屬于低應力磨料磨損。在作業環境不斷影響下，風機葉片的磨損日漸嚴重，最終功能作用無法順利發揮，需要對其進行合理化的修復處理。堆焊修復一段時間后，對風機葉片進行了系統化檢查，發現修復層耐磨效果并不高，低于修復之前的堆焊層。針對這種情況，展開了相關的實驗研究，全方位、系統化分析耐磨堆焊層顯微組織以及影響堆焊層耐磨性的主要因素。在實驗過程中，高鉻合金堆焊材料、馬氏體型高速堆焊材料都被應用其中，采用的焊接方法就是常規手工電弧焊，通過透射電鏡、掃描電鏡，觀察耐磨堆焊層顯微組織。相應地，下面是實驗中基材以及堆焊材料某些化學成分具體情況。

基材以及堆焊材料某些的化學成分（單位：wt%）

2 實驗結果分析

21 堆焊層耐磨性和硬度

沖蝕磨粒磨損主要體現在機械切削、斷裂兩大層面，磨損表面金屬出現裂紋的同時發生塑性變形，在不斷擴展過程中出現磨損碎片。和原堆焊層金屬相比，修復層的堆焊金屬成分大致相同，鉻-碳含量比不低于3.5。鐵素體、共晶M7C3硬質相等都是堆焊層顯微組織的構成部分[2]。與此同時，測量了修復層的硬度，發現其平均硬度為HRC64.4，比原堆焊層高，但耐磨性能低于原堆焊層，也就是說，硬度并不是影響堆焊層耐磨性的唯一因素，和堆焊層顯微組織呈現的特征有著直接關系。

2.2 堆焊層耐磨性與顯微組織特征

在掃描電鏡觀察中，發現原堆焊層的樹枝晶并不大，顯微組織均勻分布，但修復堆焊層的樹枝晶較大，顯微組織的分布并不均勻。隨后，再利用透射電鏡深層次觀察，發現原堆焊層的共晶M7C3形態大都呈顆粒狀，并不大，很少呈條狀，分布相對均勻，基體是鐵素體、珠光體；修復堆焊層的共晶M7C3呈板條狀，比較大，分布并不均勻，基體是亞穩γ-Fe、Cr6Fe18Mo5金屬間化合物相[3]。M7C3硬質相、基體二者分別具有抗磨損、抗裂紋的作用，在科學匹配基礎上可以對沖蝕磨粒切削起到較好的阻礙作用，提升堆焊層的耐磨性。與此同時，和周圍基體相比，硬質相的硬度更高，在切向壓力不斷作用下，二者界面區極易發生嚴重的塑性變形以及位錯塞積，在應力數值達到臨界數值，出現裂紋的同時會不斷擴展，硬質相、基體二者分離，堆焊層不斷被磨損，也就是說，裂紋的出現、擴展和硬質相的形態、分布、尺寸等有直接關系，對于細小、呈細桿狀、均勻分布的硬質相來說，是很難和基體脫離的，這就是原堆焊層耐磨性高于修復堆焊層的關鍵性原因。此外，在沖擊應力持續作用下，硬質相、奧氏體基體二者界面也會出現嚴重的變形，硬質相、基體二者極易分離。在硬質相的基本性質一樣的情況下，和奧氏體基體相比，鐵素體基體作用下的堆焊層耐磨性更高。

就低應力磨料磨損來說，高碳高鉻合金耐磨材料、馬氏體型高速鋼耐磨材料二者應用都比較頻繁[4]，具有較高的抗磨損效果。在測量過程中，發現馬氏體堆焊層具有較高的硬度。在熔合位置，馬氏體堆焊層某側硬度大幅度上升，高鉻合金堆焊層、母材基板二者硬度差并沒有較大的變化，這是因為馬氏體堆焊層的顯微組織、化學成分各自都有陡變，硬度數值也會出現陡變。相應地，下面是熔合區堆焊層硬度分布曲線圖。

熔合區堆焊層的硬度分布曲線圖

在掃描電鏡觀察中，發現高鉻合金作用下的堆焊層、基板二者結合程度較高，氏體堆焊接頭熔合位置有微小的裂紋出現，這表示隨著馬氏體相變的出現，堆焊層的工藝性能降低。從整體上說，高鉻堆焊層耐磨性和硬度有一定關系，但顯微組織呈現的特征才是主要影響因素，體現在性質、形態、分布、尺寸等層面，細小、桿狀、分布均勻的硬質相更利于提高堆焊層耐磨效果。在磨損條件不變的情況下，馬氏體堆焊層硬度較高，但耐磨性低于高鉻鑄鐵堆焊層，要在聯系實際的基礎上以磨損條件為切入點，科學選擇堆焊材料。

3 結語

總而言之，堆焊層的耐磨性和其顯微組織的基本相、硬質相等有著直接關系，要在實驗研究的過程中有機聯系實際，深化了解耐磨堆焊層顯微組織，準確把握多樣化特征，進一步探析顯微組織、耐磨性二者之間的關系以及堆焊層的磨損條件，科學選擇應用其中的堆焊材料，最大化提高堆焊層耐磨效果，將實際應用中的磨損程度最小化。