亞溫淬火對NiCrMo-3堆焊層耐磨性能的影響

武 斌， 伍金榮， 柴 慧， 李永坤

(西南石油大學 新能源與材料學院, 四川 成都 610500)

鎳鉻基合金具有優異的耐磨和耐蝕性能，在汽車工業、核能以及機械零件加工中被廣泛應用。在材料表面制備鎳鉻基堆焊層可有效提高基體的耐高溫、耐輻射、抗氧化、耐磨和耐蝕性，增加材料的使用壽命[1-4]。表面堆焊是制備堆焊層的常用方法，通過熱源將具有特殊性能的合金熔覆在基體表面，既可以使基體表面強化，也可用于機械零件失效部分的修復，還可節省貴重的生產材料，降低和節約生產成本[5-8]。鎳鉻合金作為一種重要的堆焊材料被廣泛使用，馮勛等[9]采用EQNiCr-3和ERNiCr-3材料對AP1000汽水分離再熱器中的一、二級再熱器管板進行帶極電渣堆焊和手工鎢極氬弧焊，在合適焊接參數下獲得了尺寸完整、變形小且質量符合設計要求的焊縫。武英海等[10]利用手工電弧堆焊在Cr-Mo耐熱鋼表面堆焊鎳基合金，通過焊前預熱、合理選擇焊接順序及焊接中利用電弧熱源進行亞溫淬火，得到了優良的堆焊層。張兆林[11]對ENiCrMo-3鎳基合金的單層帶極電渣堆焊工藝進行了研究，發現當單層堆焊厚度大于4.5 mm時，鎳基堆焊材料的平板堆焊特性和筒體內壁堆焊特性具有明顯的差異。Kimura等[12]研究了焊后亞溫淬火對鎳-鋁攪拌摩擦焊接頭的斷裂性能，發現接頭中間層主要由NiAl組成，其斷裂強度隨中間層寬度的增加而增加，其接頭強度主要取決于焊后亞溫淬火過程中靠近Al基體側的NiAl中間層的強度。Mousavi等[13]研究了亞溫淬火對鈦-不銹鋼復合材料爆炸焊焊縫中間層組織的影響，發現中間熔合區主要由Ti、Fe、Ni、Cr等元素組成，不同的金屬間化合物相取決于不同的加熱溫度，且提高加熱溫度可以增加復合中間層的寬度。

由于大件、厚件以及多道焊鎳基合金焊縫位置會產生很大的焊接殘余應力，陸傳航[14]對鎳基合金復合管進行了焊后去應力退火處理，得到單相的網狀或樹枝狀奧氏體焊縫組織，堆焊層表面無微裂紋，抗晶間腐蝕性能良好。為了改善鎳基堆焊層的力學性能和耐蝕性，郭龍龍[15]研究了在相同保溫時間下，亞溫淬火溫度對堆焊層顯微組織、力學性能及耐蝕性能的影響，發現在750 ℃亞溫淬火后堆焊層中的部分Laves相發生了分解，在晶界處析出了δ相，少量的δ相可提高堆焊層的屈服強度和抗拉強度，而隨著溫度的升高，δ相析出量增加，鎳基堆焊層的抗晶間腐蝕和抗CO2/H2S酸性介質腐蝕性能降低。同樣對于Inconel 625鎳基堆焊層，卿穎[16]通過更高的焊后亞溫淬火工藝發現，在1020 ℃亞溫淬火后熔敷金屬的組織長大，合金元素均勻分布；但由于出現了魏氏體組織，韌性降低。在鎳基堆焊層制備過程中，受堆焊層制備工藝和元素燒損的影響，堆焊層因鉻元素的偏聚和焊接應力導致耐磨和耐蝕性能降低，雖然目前國內外學者已在鎳基堆焊層的成形工藝和亞溫淬火工藝對其力學性能及耐蝕性的影響方面開展了相關研究，但針對亞溫淬火對NiCrMo-3堆焊層耐磨性能影響的研究還較少。本文對NiCrMo-3堆焊層進行亞溫淬火處理，研究了亞溫淬火對鎳基堆焊層組織、力學性能及耐磨性的影響。分析堆焊層的組織演變及力學性能變化，為優化堆焊層組織、提高鎳基堆焊層的耐磨性提供參考依據。

1 試驗材料及方法

試驗選用Q345鋼為基體材料，尺寸為200 mm×80 mm×8 mm。堆焊材料為直徑φ3.0 mm的NiCrMo-3鎳基焊材，兩種材料的化學成分見表1。堆焊層采用鎢極氬弧焊(TIG)進行多層熔敷，工藝參數如表2所示，制備過程如圖1所示，堆焊時需嚴格控制熔敷速度，確保熔覆層的厚度和質量。

表1 試驗材料的化學成分(質量分數，%)

表2 TIG堆焊工藝參數

圖1 NiCrMo-3堆焊層的制備

堆焊層制備后經自然冷卻，再進行表面銑削加工，保證其平面平整。然后將堆焊層分別加工成20 mm×20 mm×8 mm金相試樣、35 mm×6 mm×5 mm摩擦磨損測試試樣、43.3 mm×15 mm×8 mm摩擦因數測試試樣及如圖2所示的棒狀拉伸試樣。通過經驗公式計算堆焊層結合區的臨界奧氏體相變溫度為725 ℃。將上述試樣放入STM-12-12智能箱式電阻爐(溫控精度±0.1 ℃)中進行730 ℃×25 min亞溫淬火處理，冷卻方式分別為水冷和油冷。

圖2 拉伸試樣示意圖

金相試樣先用120～5000目碳化硅金相砂紙進行表面打磨，經王水腐蝕后用M35光學顯微鏡進行組織觀察。拉伸試驗參照ASTM E8/E8M-13a《金屬材料拉伸試驗方法》，采用WDW-1000萬能試驗機進行測試；利用HVS-1000顯微硬度計進行鎳基堆焊層硬度測試，加載載荷法碼500 g，保壓10 s。采用M-2000型磨損試驗機進行磨損量測試，上試樣為亞溫淬火后的鎳基合金，下試樣為淬火后的45鋼圓環試樣(見圖3)，硬度為67 HRC，摩擦副之間的正壓力為120 N，下試樣轉速為400 r/min，每30 min后取下試樣，用無水乙醇洗凈并吹干，采用精度為0.1 mg的電子天平稱量試樣的質量變化，分析其質量損失變化。采用Bruker UMT-TriboLab磨損試驗機測試亞溫淬火后堆焊層的摩擦因數，對磨材料為直徑φ7.14 mm、表面粗糙度0.01 μm、硬度為65～68 HRC的硬質合金球，其中垂直于滑動方向的作用力為50 N，往復頻率5 Hz。

圖3 磨損試驗示意圖

2 試驗結果與分析

2.1 亞溫淬火對堆焊層組織的影響

亞溫淬火后NiCrMo-3堆焊層的顯微組織如圖4所示，可以看出，未淬火堆焊層的組織主要為塊狀鎳基奧氏體組織，晶粒較大，堆焊層和基體間有明顯的邊界。而亞溫水淬和油淬后的顯微組織呈現為不規則的白色絮狀奧氏體組織，主要為Cr2Ni3，無明顯的晶界，在組織間還均勻分布有CrO2、CrN金屬間化合物，由于未完全奧氏體化，塊狀組織較少，同時由于油淬更平緩的冷卻特性，金屬間化合物分布更分散，尺寸約為5 μm。

圖4 NiCrMo-3堆焊層的顯微組織

對亞溫淬火后的NiCrMo-3堆焊層進行X射線衍射分析發現(如圖5(a))，未淬火堆焊層的主要物相組成為游離Cr和Cr2Ni3化合物。亞溫水淬后Cr2Ni3化合物分解，含量降低，主要產生了游離Cr及其氧化物(如CrO2)，還有Ni-NiFe2O4鎳鐵氧化物。除此以外，由于與高溫空氣接觸，堆焊層表面有少量CrN產生，這可能會增加表面硬度并改變其耐磨性。通過EDS對堆焊層的元素分布進行線掃描分析可知(如圖5(b))，相比于Q345基體材料，NiCrMo-3堆焊層具有較高的Ni、Cr元素含量，其中含量由高到低分別為Ni>Cr>Mo。

圖5 NiCrMo-3堆焊層的XRD分析(a)和EDS線掃描分析(b)

2.2 亞溫淬火對堆焊層硬度和耐磨性能的影響

NiCrMo-3堆焊層的顯微硬度變化如圖6(a)所示，可以看出，顯微硬度由堆焊層-過渡層-基體逐漸降低，未淬火堆焊層的硬度約為205 HV0.5，過渡層的平均硬度約為170 HV0.5，基體層的平均硬度約135 HV0.5。亞溫油淬對高合金含量的鎳基堆焊層和過渡層的硬度影響不大，但基體硬度增加，達160 HV0.5以上。相比油淬，亞溫水淬對整個試樣的硬度有較大影響，其中鎳基堆焊層的平均硬度達230 HV0.5以上，這主要是由于小尺寸的硬質金屬間化合物固溶到奧氏體基體中所致；受元素擴散的影響，過渡層和基體層的平均硬度達185 HV0.5。結合磨損量測試結果(如圖6(b))可知，水淬后表面硬度增加有助于提高材料的耐磨性。

圖6 NiCrMo-3堆焊層的顯微硬度(a)和質量損失(b)

圖7為亞溫淬火后NiCrMo-3堆焊層摩擦因數的變化，由圖7可知，雖然水淬和油淬后表面硬度并不相同，但在摩擦前期，兩種試樣的表面摩擦因數都在0.28～0.45之間。隨著摩擦的進行，油淬后的鎳基堆焊層摩擦因數降低，耐磨性得到改善，這主要是由于軟硬組織間的相互協同，軟相組織在磨痕表面可有效保護硬質磨屑的分離、脫落，有利于摩擦表面潤滑體系的建立，改善材料表面的耐磨性。

圖7 亞溫淬火后NiCrMo-3堆焊層的摩擦因數

2.3 亞溫淬火對堆焊層力學性能的影響

亞溫淬火后NiCrMo-3堆焊層/Q345鋼基體復合試樣的應力-應變曲線如圖8所示。分析可知，亞溫油淬后復合試樣的抗拉強度為331 MPa，亞溫水淬后堆焊層-基體復合試樣的抗拉強度可達515 MPa，與未經熱處理試樣的抗拉強度(281 MPa)相比顯著增強，但整體塑性變形能力降低，斷后伸長率減小，其中亞溫油淬試樣的斷后伸長率約為16.1%，亞溫水淬試樣斷后伸長率約為9.2%，未淬火試樣斷后伸長率約為18.2%。

圖8 亞溫淬火后NiCrMo-3堆焊層/Q345鋼的應力-應變曲線

圖9所示為NiCrMo-3堆焊層的拉伸斷口形貌。可見未淬火堆焊層的拉伸斷口分布有大小不一的韌窩，形態細小、致密，斷裂形式表現為典型的韌性斷裂；亞溫油淬后的斷口表面有明顯的撕裂斷面，為坡度臺階斷面，有起伏漣漪，綜合呈現為混合型斷裂特征。亞溫水淬后的斷口平整光滑，為沿晶脆性斷裂形態，受加熱溫度和堆焊層化學成分的影響，在光滑的斷面間分布有細小晶粒組成的韌性分隔帶。

圖9 NiCrMo-3堆焊層的拉伸斷口形貌

3 結論

1) NiCrMo-3堆焊層經亞溫水淬、油淬后的顯微組織呈現為不規則的白色絮狀奧氏體，有黑色的Cr2Ni3金屬間化合物在基體組織間分布。亞溫水淬后Cr2Ni3含量降低，分解并產生游離Cr及其氧化物(如CrO2)，另外還有Ni-NiFe2O4鎳鐵氧化物和少量CrN生成。

2) 亞溫油淬可使基體硬度增加，達160 HV0.5以上，但對鎳基堆焊層和過渡層的硬度影響不大。亞溫水淬后鎳基堆焊層的平均硬度達230 HV0.5以上，過渡層和基體的平均硬度為185 HV0.5左右。磨損前期亞溫油淬和水淬后的堆焊層具有相近的表面摩擦因數(0.28～0.45)，磨損后期，油淬試樣的摩擦因數降低至0.2左右，耐磨性能得到改善，亞溫油淬后的鎳基堆焊層具有較好的耐磨性。

3) 亞溫淬火后NiCrMo-3堆焊層/Q345鋼基體復合試樣的抗拉強度增加，塑性變形能力降低。與未淬火時相比，亞溫油淬后復合試樣的抗拉強度增加約50 MPa，亞溫水淬后堆焊層復合試樣的抗拉強度增加約230 MPa，由于整體塑性降低，其中亞溫油淬試樣的斷后伸長率約為16.1%，亞溫水淬試樣斷后伸長率約為9.2%。