鈰含量對(duì)高速鋼堆焊層組織及性能的影響

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(遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新 123000)

0 引 言

軋輥是軋鋼設(shè)備的關(guān)鍵部件，在生產(chǎn)中與鋼板直接接觸，擠壓鋼板使鋼板產(chǎn)生塑性變形，因此其磨損機(jī)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(chǎn)生的廢舊軋輥的數(shù)量巨大,從節(jié)約材料和環(huán)保的角度考慮，有必要對(duì)廢舊軋輥進(jìn)行增材再制造，即在原有輥身的基礎(chǔ)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(dá)到甚至優(yōu)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(fù)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(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度冶金結(jié)合的熔敷金屬層，因此，堆焊工藝可用于修復(fù)各種磨損或損壞的零部件[2]，也是國內(nèi)外廣泛采用的軋輥修復(fù)技術(shù)[3]。堆焊修復(fù)的產(chǎn)品主要適用于軋鋼或水泥生產(chǎn)等行業(yè)。

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(shí)表面易形成氧化膜、換輥周期長、生產(chǎn)成本較硬質(zhì)合金軋輥的低，已被廣泛應(yīng)用于熱軋機(jī)和冷軋機(jī)組中[4]。考慮到高速鋼的優(yōu)異性能，研究人員開始將其應(yīng)用于零部件的焊接修復(fù)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(qū)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(xì)小顆粒狀彌散分布于基體中，接頭具有較高強(qiáng)度和硬度，不易發(fā)生破斷；姚樹玉等[6]在采煤機(jī)截齒上堆焊一層高速鋼材料，堆焊層與基體之間為冶金結(jié)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(duì)其表面進(jìn)行修復(fù)，使用W18Cr4V鋼焊條、45鋼基體，焊前在500 ℃預(yù)熱1～2 h，焊后堆焊層與基體形成較好的冶金結(jié)合，表面硬度可達(dá)61 HRC。目前，采用堆焊高速鋼對(duì)磨損軋輥表面進(jìn)行修復(fù)的研究較少，為此，作者在高速鋼成分的基礎(chǔ)上制備了不同鈰含量高速鋼預(yù)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(duì)堆焊層組織和性能的影響，為高速鋼堆焊層在鋼鐵領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為55%的鈷基合金粉、鎳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的鎳基合金粉和鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(chǔ)上對(duì)試驗(yàn)用高速鋼進(jìn)行成分設(shè)計(jì)。按照表1進(jìn)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(yàn)機(jī)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(yuǎn)紅外電焊條烘干箱中干燥，溫度為250 ℃，保溫時(shí)間為2 h，得到高速鋼預(yù)置塊。

表1 高速鋼的設(shè)計(jì)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Table 1 Design chemical composition of high speed steel (mass) %

采用WSM-500型逆變式直流氬弧焊機(jī)，在尺寸為100 mm×30 mm×8 mm的Q235鋼板上堆焊高速鋼，保護(hù)氣體為純氬氣，采用直徑為2 mm的鎢鉬電極。由預(yù)試驗(yàn)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(shí)電弧能穩(wěn)定放電，將焊槍置于焊接自動(dòng)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(shí)間為5 s。

1.2 試驗(yàn)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(jìn)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(jī)及砂紙將堆焊層表面打平，用HRSS-150型洛氏硬度計(jì)測(cè)表面洛氏硬度，測(cè)5個(gè)點(diǎn)取平均值。用數(shù)控線切割機(jī)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(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，載荷為50 N，對(duì)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(zhì)量，計(jì)算單位面積質(zhì)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(yàn)結(jié)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(jié)合良好，呈現(xiàn)冶金結(jié)合，過渡層平滑且沒有氣孔、夾雜等缺陷。

由圖2可見：當(dāng)鈰含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)為0～0.4%時(shí)，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?yōu)榧?xì)小的不規(guī)則狀，再變?yōu)閳F(tuán)狀；當(dāng)鈰含量由0增加至0.2%時(shí)，碳化物的數(shù)量增多、晶粒變細(xì)，但當(dāng)鈰含量超過0.2%時(shí)，其數(shù)量和大小未發(fā)生明顯變化，這是因?yàn)殁嬙阼F中的固溶度較小，過量的鈰不能完全反應(yīng)，對(duì)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(jìn)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?yàn)殒u、釩為強(qiáng)碳化物形成元素，鈰元素能促進(jìn)碳化物的析出。VC、WC等碳化物能夠提高堆焊層的硬度、強(qiáng)度和耐磨性；Cr23C6具有很高的高溫穩(wěn)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(jié)合圖2分析可知：添加0.1%，0.2%的鈰后碳化物晶粒發(fā)生了細(xì)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(shù)量增多，又對(duì)硬度產(chǎn)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(shì)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(xì)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(xiàn)[10]中的磨粒磨損形貌一致。結(jié)合圖4、圖5分析可知：當(dāng)鈰含量為0.1%時(shí)，堆焊層的表面硬度最高，磨粒嵌入其表面的數(shù)量最少，因此溝槽最淺、表面脫落的硬質(zhì)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(shù)量較多，因此溝槽較深且表面材料發(fā)生嚴(yán)重脫落，磨損最為嚴(yán)重；當(dāng)鈰含量在0.2%和0.3%時(shí)，堆焊層的硬度適中，因此溝槽較淺、脫落的硬質(zhì)顆粒也較少，耐磨性能適中。

圖6 不同鈰含量堆焊層的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of the surfacing layer with different cerium content

3 結(jié) 論

(1) 當(dāng)鈰含量在0～0.4%時(shí)，制備得到的高速鋼堆焊層的顯微組織均由馬氏體、殘余奧氏體和VC、WC、Cr23C6等碳化物組成；隨著鈰含量的增加，碳化物數(shù)量增多，晶粒細(xì)化，但當(dāng)鈰含量高于0.2%時(shí)，碳化物晶粒的細(xì)化效果減弱，數(shù)量無明顯變化。

(2) 隨著鈰含量的增加，堆焊層的表面硬度和耐磨性能均先增后降；當(dāng)鈰含量為0.1%時(shí)，表面硬度最高、耐磨性能最好，洛氏硬度為61.6 HRC，磨損量為87.75×102g·m-2，磨損形成的溝槽最淺。