馬氏體耐磨堆焊藥芯焊絲熔敷金屬組織與性能

牛 犇 ，任香會 ，易江龍 ，劉 勇 ，2

（1.廣東省焊接技術研究所（廣東省中烏研究院），廣東省現代焊接技術重點實驗室，廣東廣州 510651；2．沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870）

0 前言

堆焊是指具備特殊性能的合金材料通過某種熱源熔敷在基體材料表面，從而使基體材料具有特殊的使用性能。堆焊可以修復材料在長期服役過程中的失效部位，實現材料的表面冶金強化，達到節約貴重金屬、減少生產投入的目的。相比于熱噴涂、鍍膜等表面處理方法，堆焊技術具有如下特點：①堆焊層與母材冶金結合，其結合性能、抵抗沖擊性能和致密性優于熱噴涂圖層；②堆焊層金屬厚度可調節范圍為2～30 mm，可修復磨損較為嚴重的工件；③堆焊效率高，焊接設備具有通用性，無需額外增加生產成本。

馬氏體堆焊層具有高強度、高硬度、高耐磨性和耐大氣腐蝕等特點，廣泛用于汽車部件、閥門部件、刀具和水力機械等領域的制造與修復。馬氏體不銹鋼的特點是綜合機械性能良好，硬度約為50 HRC，強度和韌性優異，耐大氣和蒸汽腐蝕，并且還具有耐冷熱疲勞的能力。由于馬氏體不銹鋼的優良性能和較廣的應用范圍，硬面堆焊藥芯焊絲堆焊層基體組織一般為馬氏體不銹鋼組織，而國內外也大多通過制成馬氏體不銹鋼硬面堆焊藥芯焊絲研究微合金元素對堆焊層組織性能的影響。王英杰、栗卓新[1]等人研制了自保護金屬芯堆焊藥芯焊絲，在粉芯中增加不同含量的釩，其堆焊層組織為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物硬質相，并細致研究不同的釩含量對碳化物形狀和間隙的影響，以及對基體組織和耐磨性的影響。叢相州[2]研制了2種多元合金強化型高鉻鑄鐵自保護耐磨堆焊藥芯焊絲，該藥芯焊絲為金屬粉型，合金系采用多元合金（Mo、W、V、Nb）強化的Fe－Cr－C系耐磨合金，詳細研究堆焊層碳化物的尺寸、分布、形態對微裂紋的產生和擴展的影響。

本研究采用廣東省焊接技術研究所（廣東省中烏研究院）自制的馬氏體耐磨藥芯焊絲，通過焊接實驗分析其焊接成形，研究其組織和性能，為馬氏體耐磨堆焊藥芯焊絲的研制與生產提供理論依據和實驗基礎。

1 實驗材料和方法

堆焊母材采用Q235鋼板，試板尺寸150 mm×200 mm×25 mm。堆焊材料選用直徑φ1.2 mm藥芯焊絲。采用MIG焊，EWM多功能焊機，直流反接。保護氣體為100%Ar，氣流量16 L/min。焊接過程中，焊接電流225～260 A，焊接電壓26.7 V，焊接速度22 m/h，干伸長20 mm。焊接前對焊接試板進行打磨處理，除去表面油污及鐵銹，焊前不進行預熱處理，焊后隨空氣緩冷。

焊后試板利用銑床表面銑出一個平面，加工量約為3 mm。沿焊接方向，在距起弧位置約20 mm處依次截取金相試樣、彎曲試樣、耐磨試樣，如圖1所示。金相試樣尺寸20 mm×20 mm×30 mm；彎曲試樣尺寸5 mm×5 mm×35 mm；彎曲試樣制備3條，要求無夾渣、氣孔等缺陷；磨損試樣尺寸20 mm×20 mm×10 mm。

2 實驗結果與分析

2.1 焊后形貌

圖1 試樣取樣區域示意

該藥芯焊絲在焊接過程中，焊接電壓、電流等參數穩定，焊接飛濺較小。熔渣渣殼較薄且易碎，焊后成形基本合格，在合適的焊接操作下可避免夾雜、未熔合等缺陷產生。焊后形貌及加工后形貌如圖2所示。加工后的堆焊層表面未發現裂紋、夾雜、氣孔等缺陷，焊接成形質量優良。

圖2 堆焊層焊后形貌及加工后形貌

2.2 堆焊層成分

利用SpectroLAB直讀光譜儀測定焊后試樣熔敷金屬化學成分，堆焊層化學成分如表1所示。

表1 合金元素質量分數%

Cr是馬氏體鉻不銹鋼最重要的合金元素。Cr和C的相互作用使鋼在高溫時具有穩定的γ或γ＋α相區，此外Cr可以降低奧氏體轉變速度，從而提高淬透性；在大氣中的H2S及氧化性酸介質中，它能提高鋼的耐蝕性能；w（Cr）提高，鋼的抗氧化性能也明顯提高。C是馬氏體鉻不銹鋼另一重要合金元素。為了產生馬氏體相變，w（C）要視鋼中的w（Cr）而定。在給定的 w（Cr）下，w（C）提高，強度、硬度提高，塑性降低，耐蝕性下降。W元素是強碳化物形成元素，主要用來增加堆焊合金的紅硬性，W與C原子的化學親和力大，易生成高熔點、高硬度的W2C、WC，這些微小、彌散分布的碳化物在晶界處析出，在加熱時不會完全溶解，可有效阻止奧氏體晶粒的長大，從而起到細化晶粒的作用。

2.3 金相組織

加工好的金相試樣用砂輪機磨去線切割加工痕跡后，樣品分別在 240#、400#、800#、1200#、1500#以及2000#的水磨砂紙上進行打磨，用粒度μ3.5的金剛石拋光液在拋光機上拋光待觀察表面，拋光標準為在金相顯微鏡低倍下觀察無明顯劃痕。樣品經過4%硝酸酒精溶液腐蝕處理后，使用蔡司數字金相顯微鏡觀察金相組織。試樣某一區域在200倍、500倍和1000倍金相顯微鏡下觀測到的金相組織如圖3所示。

在200倍下觀察發現，金相組織為團絮狀組織，由于組織晶粒度較小，觀察困難。在500倍下可觀測到堆焊層組織為殘余奧氏體形成網狀結構，包裹著黑色馬氏體組織。隨著放大倍數的增大，針狀馬氏體相互聚集成為耐磨質點，提高了堆焊層硬度，殘余奧氏體呈網狀結構，為馬氏體提供支撐。

2.4 堆焊層硬度

采用洛氏硬度儀分別在堆焊層表面和堆焊層截面測量堆焊層硬度，結果如圖4、圖5所示。

圖3 金相組織照片

圖4 堆焊層表面硬度

圖5 堆焊層橫截面硬度分布

由圖4可知，堆焊層表面硬度平均為58 HRC，且硬度分布較為均勻。堆焊層截面硬度分布如圖5所示，由于母材Q235鋼板為低碳低合金鋼，其本身的硬度及合金含量均較低，會對堆焊層產生一定量的稀釋作用，造成堆焊層底部硬度低于表面硬度。然而，堆焊底部硬度依舊高于50 HRC，其硬度損失較小。

2.5 堆焊層耐磨性

采用UMT-3摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，試驗條件為：加載載荷10 kg，磨損時間20 min，磨損頻率5 Hz，對磨材料為Cr15鋼球。為增加對比性，制備相同尺寸的42CrMo試樣作為對照。磨損試驗前稱量試樣及鋼球質量，計算磨損失重。

相同試驗條件下，堆焊層平均磨損失重7.6 mg，對磨鋼球平均失重1.7 mg，對照組42CrMo平均失重14.8 mg，對磨鋼球失重1.1 mg。由于堆焊層硬度大于Cr15鋼球硬度，因此在磨損過程中鋼球磨損嚴重，堆焊層磨損較少。而42CrMo硬度遠小于Cr15鋼，在磨損過程中42CrMo試樣磨損嚴重。

堆焊層磨損后宏觀形貌如圖6所示。圖6a為堆焊層試樣磨損形貌，堆焊層磨痕較淺，無較深溝壑形成；42CrMo試樣有較深劃痕產生（見圖6b），磨痕較深且寬。對比可知，堆焊層耐磨性能優于42CrMo鋼。

圖6 磨損宏觀形貌

2.6 堆焊層金屬彎曲性能

在堆焊層取樣，采用GB/T 6569-86標準將其加工成5 mm×5 mm×35 mm的彎曲試樣，在萬能試驗機上進行3點彎曲試驗，測量其抗彎強度。同樣采用42CrMo作為對照材料。經過測量，堆焊層抗彎強度平均值為1 182 MPa，而42CrMo鋼材的抗彎強度為1 487 MPa，二者較為接近。這表明堆焊層金屬性能接近42CrMo材料性能。

3 結論

（1）采用自制藥芯焊絲制備馬氏體堆焊，堆焊過程平穩，堆焊層表面成形良好，堆焊組織為馬氏體+殘余奧氏體組織。

（2）堆焊層平均硬度為50 HRC。由于母材Q235鋼板為低碳低合金鋼，其本身的硬度及合金含量都較低，會對堆焊層產生一定量的稀釋作用，造成堆焊層底部硬度低于表面硬度。

（3）與42CrMo進行對比，堆焊層平均磨損失重為1.7mg，42CrMo平均失重14.8mg，堆焊層耐磨性優于42CrMo材料；堆焊層抗彎強度平均值為1 182 MPa，而42CrMo抗彎強度為1 487 MPa。堆焊層金屬性能接近42CrMo材料性能。

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