耐沖蝕磨損堆焊焊條及性能研究

李嘉祺，楊 可，莊白亮，徐先宜，包曄峰，蔣永鋒

（1.河海大學機電工程學院，江蘇常州213022；2.機械科學研究總院江蘇分院有限公司，江蘇 常州 213164）

0 前言

目前，國內絞吸挖泥船常用ZG35SiMn制造鉸刀片，該鋼種鑄造性和焊接性較好，但抗沖蝕磨損性能較差[1]。通過表面堆焊技術在磨損的鉸刀片表面熔覆一層硬面合金，可在現(xiàn)場高效、快速修復磨損部件，使其恢復甚至超過原有抗磨損能力[2-3]，具有重要的經(jīng)濟意義。

李愛農[4]的研究認為，較高的強度和韌性是熔覆層材料獲得較高耐沖蝕磨損性能的必要條件。通過材料的成分設計、梯度功能設計等可以使熔覆層材料的強韌性和耐沖蝕磨損性能等滿足使用要求。據(jù)此，本研究采用微合金化的方法，通過調整藥皮配方，經(jīng)過反復試驗研制出一種新型耐沖蝕磨損堆焊焊條，對其進行堆焊試驗并研究堆焊層金屬的組織和耐沖蝕磨損性能。

1 焊條的研制

按照堆焊合金實際使用工況要求，設計焊條的配方。為了保證基體相具有良好的塑性和韌性，以抵御砂漿的頻繁沖刷，研制焊條的焊芯選用馬氏體不銹鋼1Cr13。為了提高合金元素的過渡系數(shù)，采用低氫堿性藥皮。焊條渣系為CaO-CaF2-TiO2，以改善熔敷金屬的韌性。焊條的工藝性能主要通過大理石、螢石和鈦鐵礦三者之間的配合來調整過渡特性、熔渣粘度和脫渣性[5]。從設計材料微觀組織考慮，選擇在藥皮中加入適量的鈮鐵、鈦鐵、鉬鐵、氮化鉻等合金粉末進行合金化。Ni和Ti是強碳氮化物形成元素，與碳和氮結合均能形成高硬度的析出相質點，有強烈的析出強化作用。同時，這些析出相熔點很高，在結晶過程中首先析出形核，有利于抑制網(wǎng)狀碳化物的形成，提高熔覆金屬的韌性。此外，為了脫除熔化金屬中的氧以提高焊縫性能，在藥皮中添加少量的稀土硅和錳鐵，凈化堆焊層，進一步改善堆焊層的韌性。為了改善焊條的穩(wěn)弧性能，在藥皮中添加少量的穩(wěn)弧劑鈦白粉和鉀長石。堆焊過程中發(fā)現(xiàn)，該堆焊焊條焊接工藝性能良好，飛濺小，電弧穩(wěn)定，焊縫成形美觀，脫渣容易。

采用ZX7-400型焊機在Q235鋼板上進行手工電弧堆焊試驗。堆焊焊條直徑4 mm，焊接電流的選擇主要取決于焊條直徑。焊接電流過大時，焊芯熔化過快，焊條發(fā)紅，藥皮容易自動脫落，失去保護作用，降低焊接質量；焊接電流過小時，電弧不穩(wěn)定，飛濺較大，焊縫成形較差。

經(jīng)過反復試驗，確定堆焊焊條的最佳規(guī)范工藝參數(shù)如下：電流種類及極性為直流反接，焊接電流130～150A，焊接電壓 24～27V，焊接速度 15～20 m/h。為了保證堆焊層金屬厚度滿足后續(xù)沖蝕試驗的要求，采用焊條電弧焊在Q235鋼板上堆焊6層以上。焊后用線切割機在堆焊層頂層取樣，試樣代號為1#。將ZG35SiMn試樣進行調質處理（880℃熱處理并保溫20 min后取出水淬，再在600℃下高溫回火20min），試樣代號為2#。兩種試樣尺寸10 mm×10mm×10 mm。采用 200#、400#、600#、800#、1000# 砂紙將1#試樣打磨平整，機械拋光后，用FeCl3-HCl溶液腐蝕10 s。腐蝕后用酒精清洗、吹干，使用XJG-05型大型臥式金相顯微鏡和S3400N型掃描電子顯微鏡觀察1#試樣的顯微組織。

采用噴射式?jīng)_蝕磨損試驗機分別對兩種試樣進行沖蝕磨損試驗，沖蝕砂粒采用26～40目不規(guī)則多角形石英砂，水流速為12.8 m/s，含砂量為15%，沖蝕角度為60°，沖蝕時間為60 min。在沖蝕試驗前后，在精度0.l mg的電子天平上稱量試樣。用磨損失重來衡量試樣的耐沖蝕磨損性能，將相對耐磨性ε定義為式（1）

式中 Δm為試樣磨損量（單位：mg）；ΔE為1#試樣磨損量（單位：mg）。試驗后觀察磨損形貌，并分析磨損機理。

2 堆焊工藝性能分析

在焊接過程中，研制的焊條易引弧，電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺較少，焊縫成形美觀。其原因為：一是在電弧作用下，焊條藥皮中加入的螢石和鉀長石產(chǎn)生大量易電離的F-、K+，能夠有效改善電弧的導電性；二是在焊接高溫作用下，稀土元素由于原子半徑較大，最外層電子容易獲得較高能量而“逃逸”，電弧區(qū)內電子增多，改善了電弧的導電性，從而提高了電弧的穩(wěn)定性[6]。此外，研制的焊條具有良好的脫渣性能。焊條脫渣性能如圖1所示，在焊后敲渣過程中，發(fā)現(xiàn)渣殼經(jīng)過敲擊后較易脫落。其原因為：藥皮中添加的稀土元素易發(fā)生氧反應生成穩(wěn)定的高熔點稀土氧化物，降低焊接區(qū)的氧含量，使焊縫表面不易形成FeO氧化膜；同時，稀土氧化物進入熔渣后能夠增大熔渣的表面張力，而進入焊縫金屬的稀土元素能夠降低焊縫金屬的表面張力，焊縫冷卻收縮時產(chǎn)生較大的內應力差，使熔渣易發(fā)生脫落[7]。

3 堆焊層組織和耐沖蝕磨損性能

3.1 堆焊合金的硬度

圖1 焊條脫渣性能

硬度是衡量金屬耐沖蝕磨損性能的一項重要指標。在泥沙磨損工況下，塑性材料一般首先考慮通過提高硬度來增加耐沖蝕磨損性能。1#試樣和2#試樣的宏觀硬度用HR-150DT型數(shù)顯洛氏硬度計測試，測試結果見表1。

表1 試樣硬度實驗數(shù)據(jù)

硬度測試結果表明，1#試樣硬度比2#具有更高的使用硬度，滿足鉸刀片等材料的使用要求。

3.2 堆焊層金屬的顯微組織

利用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察1#試樣，結果如圖2所示。可以看出，其組織為板條馬氏體基體＋少量殘余奧氏體，在基體上彌散分布著大量細小的碳氮化物析出相；析出相沿板條馬氏體晶內和晶界析出，有強烈的析出強化，強化基體的同時提高基體硬度。同時，碳氮化物析出相在位錯周圍偏聚時對位錯有釘扎作用，增加位錯的穩(wěn)定性，位錯由十分易動變得不易移動，提高了材料的塑性變形抗力。由此可見，碳氮化物的析出強化作用同時提高了材料的強度和韌性[8-9]。

3.3 堆焊層金屬的耐沖蝕磨損性能

1#試樣和2#試樣的磨損失重如表2所示。2#試樣的磨損失重是1#試樣的1.87倍。這表明堆焊層金屬的耐沖蝕磨損性能較ZG35SiMn有顯著提高，研制的堆焊焊條的耐沖蝕磨損性能更為優(yōu)異，可用于鉸刀片等材料的現(xiàn)場堆焊修復。

圖2 1#試樣的顯微組織

表2 沖蝕磨損試驗數(shù)據(jù)

1#試樣的表面沖蝕失效SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：（1）1#試樣沖蝕表面有連續(xù)或斷續(xù)的切削痕和犁溝痕，形成明顯的凸起和溝壑，且具有明顯的方向性，如圖3b中箭頭所示。（2）1#試樣表面可以觀察到少量碳氮化物析出相剝落的痕跡，剝落處會留下塊狀的剝落坑，同時觀察到大量凹坑及凹坑前部凸起的擠壓唇，且擠壓變形面積較大，擠壓唇相互擠壓疊加，沖蝕表面呈現(xiàn)凹凸不平的粗糙形貌，并出現(xiàn)大量擠壓唇片剝落的碎屑，如圖3a中箭頭所示。其微觀形貌呈現(xiàn)典型的塑性沖蝕材料的特征。可見，堆焊合金的耐沖蝕磨損機制主要是微切削和塑性變形。

圖3 1#試樣的沖蝕形貌

沖蝕角度為60°時，由于從噴槍中噴出的高速運動著的砂粒硬度大于試樣硬度，其對堆焊試樣沖蝕面產(chǎn)生的沖擊力F可分解為平行于沖蝕面的切向力F1和垂直于沖蝕面的法向力F2。切向力F1會對沖蝕面產(chǎn)生微切削作用。當砂粒尖銳且與沖蝕表面形成有利的切削角度時，直接在沖蝕表面切下一定的微體積材料，沖蝕表面留下明顯的切削痕；當砂粒不夠尖銳或者不能與沖蝕面形成有利的切削角度時，則不會對試樣表面造成直接切削，只是將材料擠出，形成犁溝。犁溝兩側被擠出的塑性堆積物在后續(xù)砂粒的不斷沖擊下被切除，這就是材料的微切削磨損機制。1#試樣基體為高硬度的馬氏體，這意味著減輕砂粒壓入深度和穿入長度的能力較強，即抗切削能力較好。法向力則會對沖蝕面產(chǎn)生撞擊作用，使砂粒壓入材料表面，沖蝕面因此產(chǎn)生塑性變形，形成沖蝕凹坑，在凹坑周圍分布有擠壓唇片。這些唇片在后續(xù)砂粒的不斷“鍛打”下經(jīng)歷了反復的塑性變形，硬化剝落或剪切折斷，從而使材料失重。這就是材料的塑性變形磨損機制。此時，試樣承受砂粒產(chǎn)生循環(huán)交變應力，當應力達到材料屈服強度極限時，試樣表面會發(fā)生強度破壞，產(chǎn)生磨損。1#試樣馬氏體基體除了具備較高的硬度，還具備較好的韌性，這意味著材料具有更高的屈服強度極限，不易發(fā)生強度破壞而失重。

此外，在沖蝕磨損過程中，強韌性配合良好的馬氏體基體能夠“固定”碳氮化物析出相，不易因產(chǎn)生應力集中而剝落，碳氮化物硬質點則對較軟的基體起到了“隔離”保護作用。這些碳氮化物析出相能夠直接有效地抵御砂粒的微切削作用，并且分擔基體承受的沖擊作用。隨著基體在沖蝕磨損過程中被不斷去除、下凹，凸起的析出相開始承受砂粒主要的沖擊和切削作用直至發(fā)生剝落，在沖蝕表面留下塊狀的剝落坑。基體材料在析出相顆粒的保護下，微切削磨損和變形磨損程度減輕，基體材料的耐沖蝕磨損性能因此得到較大程度的提高。

4 結論

（1）研制的耐沖蝕磨損堆焊焊條具有良好的焊接工藝性能。在焊接過程中，焊條易引弧，電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺少，焊縫成形美觀，堆焊層顯微組織中未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等明顯焊接缺陷。

（2）研制的耐沖蝕磨損堆焊焊條的堆焊合金組織主要為板條馬氏體以及大量細小彌散均勻分布的碳氮化物析出相。

（3）研制的堆焊焊條熔敷金屬的硬度滿足鉸刀片等材料的使用要求。其耐沖蝕磨損性能與ZG35SiMn相比提高了0.87倍，耐沖蝕磨損機理是大量碳氮化物第二相可以強化基體、提高基體硬度，同時可以作為硬質相抵抗砂粒的切削和沖擊變形作用。