礦山設備用防腐表面改性材料組織及性能研究

張海燕，高站起，張永生，周虎健,2，丁天然

1鄭州機械研究所有限公司 河南鄭州 450001

2鄭州大學材料科學與工程學院 河南鄭州 450001

在礦山設備中，由于惡劣的環境和工作條件的特殊性，許多設備，如礦石破碎機的破碎腔、磨機的研磨體、離心風機的葉輪等都需要具備較高的耐磨耐蝕要求[1-2]。目前離心風機葉輪常用的材料有Q235、Q345 或者更高強度的碳鋼，根據風機工況的不同，選用合適的不銹鋼進行表面防腐處理。因此，如何提高設備的耐蝕性能，保證長期穩定運行和延長使用壽命，具有重要的研究意義。

堆焊是在一種材料的表面上沉積一層填充金屬，以獲得所需的性能或尺寸。它通常用于兩個目的：一為增大或恢復焊件尺寸；二為使焊件表面獲得具有特殊性能 (包括耐熱、耐蝕、耐磨和調整表面成分起隔離作用) 的熔敷金屬而進行的焊接[3-7]。礦山設備在面對濕潤、酸堿等腐蝕性介質時，采用不銹鋼熔覆層可以延長設備的使用壽命。不銹鋼熔覆層工藝是在碳鋼或低合金鋼表面沉積不銹鋼層，以生成在特殊環境下具有所需性能的的熔覆層[8-10]。雖然不銹鋼熔覆層具有巨大的經濟優勢，但它是一個復雜的焊接過程，涉及多個焊接工藝參數和變量，因此合適的工藝參數對于達到期望的焊接質量至關重要。張宇鵬等人[11]采用CO2氣體保護焊在 Q235 鋼表面堆焊藥芯焊絲，研究不同焊接電流對堆焊層組織形貌、顯微硬度、耐磨性和耐腐蝕性的影響，結果表明，當焊接電流為 200 A時，耐磨性能最好；當焊接電流為 230 A 時，耐蝕性能最好。

稀釋是堆焊過程中確保最終質量的又一關鍵因素[12-13]。稀釋對熔覆件的化學成分和性能有很大影響。在不銹鋼堆焊過程中，稀釋過大會減少合金元素，導致熔覆層中的碳含量升高，從而會引起一些冶金問題，比如金屬的耐腐蝕性降低。因此在實際生產中，為了獲得具有不受基體影響的熔覆件，尤其要考慮稀釋對熔覆層的影響。吳志云等人[14]試驗時使用MZ-1250 埋弧焊機在 Q235 上堆焊，研究堆焊合金組織與性能，結果表明，當堆焊層數達到 3 層時，堆焊合金的硬度基本不受母材稀釋率的影響。

筆者針對耐氣蝕工況，采用 CO2氣體保護焊在Q235 表面堆焊 414L 馬氏體不銹鋼焊絲改性，對堆焊層的組織、化學成分以及堆焊層與基體的硬度進行了分析，研究 Q235 基板對 414L 超低碳馬氏體不銹鋼熔覆層稀釋的影響。

1 試驗材料及方法

試驗焊絲采用 414L 馬氏體不銹鋼焊絲，焊絲直徑為 1.2 mm。試驗選用成本低廉、冶煉方便、容易加工的 Q235 鋼板作為基板[15-19]，試板尺寸為 320 mm×200 mm×10 mm。試驗前對 Q235 鋼板進行預熱處理，減少焊接熱影響區淬硬傾向，降低焊接殘余應力。焊接前用角磨機對鋼板的表面進行打磨，除掉鋼板表面的鐵銹及氧化皮，使其表面保持金屬光澤，避免氧化膜對堆焊層性能的不利影響，防止在堆焊開始時出現引弧困難的情況。

堆焊采用熔化極氣體保護焊 (GMAW) 工藝，焊接設備采用山東奧泰 Pulse MIG-500RP 焊機型焊機。在 Q235 鋼板堆焊 414L 不銹鋼焊絲，焊接電流為 220 A，焊接電壓為 28 V，焊接速度為 40 cm/min，堆焊搭接量為 6 mm。用此參數進行堆焊試驗，飛濺較少，堆焊層無明顯缺陷。

采用 ZEISS Axio Scope A1 光學顯微鏡觀察堆焊層的組織形貌，采用 HV-1000Z 型顯微硬度計測試顯微硬度，采用 Phenom XL G2 臺式掃描電鏡分析堆焊層化學成分，所得結果如表1 所列。

表1 414L、Q235 主要合金成分質量分數Tab.1 Mass fractions of main alloy components of 414L and Q235 %

2 試驗結果及討論

2.1 堆焊層宏觀形貌

單層多道堆焊板宏觀形貌如圖1 所示。由圖1可以看出，堆焊層表面宏觀質量良好，堆焊層各道之間搭接良好，在各道之間未出現氣孔、夾渣等宏觀缺陷。多層堆焊板橫截面如圖2 所示。測量堆焊后的試樣截面發現，堆焊層厚度基本一致，其厚度約為 2.5 mm。

圖1 單層多道堆焊板Fig.1 Single-layer multi-pass surfacing plate

圖2 多層堆焊板橫截面Fig.2 Cross section of multi-layer surfacing plate

2.2 堆焊層顯微組織

2.2.1 堆焊層的界面組織形貌

圖3 所示為 Q235 和 414L 熔覆層之間熔合線附近微觀形貌。金相試樣包括基材和 414L 熔覆層共 7層。其中 Q235 基材與 414L 熔覆層的微觀界面形成了一條彎曲的熔合線，沒有觀察到明顯的焊接缺陷，說明 414L 熔覆層和 Q235 基材之間達到冶金結合，實現了原子間連接，熔覆質量良好。

圖3 Q235 與 414L 熔覆層焊縫微觀組織Fig.3 Microstructure of Q235 and 414L cladding layer welds

圖4 所示為母材金相組織，圖5 所示熱影響區金相組織。從圖4、5 可以看出，Q235 作為亞共析鋼，組織主要由鐵素體和珠光體組成，粒狀珠光體彌散分布在比較粗大的鐵素體晶粒中間。而熱影響區組織[20]經歷過回復 (新的無畸變晶粒出現之前所產生的亞結構和性能變化階段)、再結晶 (出現無畸變等軸新晶粒逐步取代變形晶粒的過程) 和晶粒長大 (再結晶結束之后晶粒繼續長大) 過程，得到尺寸較為穩定、無畸變的細等軸晶粒。

圖4 母材金相組織Fig.4 Metallographic structure of base metal

圖5 熱影響區金相組織Fig.5 Metallographic structure of heat upper affected zone

2.2.2 堆焊層熔覆金屬顯微組織

圖6 所示為堆焊層不同區域顯微組織形貌。圖6(a)、6(b)、6(c) 分別為堆焊層底部 (距熔合線上方 2.5 mm 處)、堆焊層中部 (距熔合線上方 7.5 mm 處)、堆焊層上部 (距熔合線上方 12.5 mm 處) 的組織形貌。由圖6 可以看出，不同區域顯微組織均為板條馬氏體＋少量δ鐵素體，并且可以看出堆焊層組織有明顯的分層現象，下層組織明顯比上層組織細化。產生這種現象的主要原因是發生了重熱作用，導致晶粒細化。根據金相圖的差異，可以將組織從上到下分為焊縫區、重熔區和回火區[14]。

圖6 堆焊層不同區域顯微組織Fig.6 Microstructure of different areas in surfacing layer

圖7 所示為上層堆焊層熔覆金屬組織形貌。焊縫區經歷的焊接加熱峰值溫度超過了 Ac1。由于該材料的淬透性好，加熱時淬火馬氏體組織轉變為奧氏體組織，并在冷卻后又重新轉變為淬火馬氏體組織；重熔區靠近熔合線部分為過熱區，作為前一層最上面的一部分，冷卻速度最快，馬氏體含量最高，此后的重熔過程，溫度區間在正火區間，相當于進行了正火，組織得到細化；回火區由于經歷了焊接熱循環的回火作用，呈現為回火馬氏體組織。其中焊縫區的板條馬氏體具有明顯的位相關系，而重熔區和回火區的板條馬氏體沒有明顯的方向性。

圖7 上層堆焊層熔覆金屬顯微組織Fig.7 Microstructure of cladding metal inupper surfacing layer

堆焊層焊縫區顯微組織如圖8 所示。由圖8 可知，堆焊層不同位置的焊縫區均為粗大的馬氏體板條，且板條馬氏體呈現沿某方向生長，具有明顯的位相關系。同時，碳化物的含量從底部向上層逐漸減少，這一方面是因為母材為 Q235，母材的稀釋對堆焊層底層影響最大，之后逐層減弱；另一方面是因為堆焊層底部重熱作用越明顯，析出碳化物數量越多。

圖8 堆焊層焊縫區顯微組織Fig.8 Microstructure of weld area in surfacing layer

堆焊層重熔細晶區顯微組織如圖9 所示。由圖9可知，堆焊層底部的淬火細晶區組織最細小，隨著熔覆層厚度增加，組織逐漸粗大。這是因為多層多道焊會發生晶粒細化現象，在多層多道焊接過程中，下層焊道受到上層焊道的多次熱循環作用的影響，發生重熔和重結晶，晶粒得到細化。

圖9 堆焊層重熔細晶區顯微組織Fig.9 Microstructure of remelted fine grain zone in surfacing layer

2.3 堆焊層化學成分分析

在堆焊層上，從熔合線向著堆焊層方向選取 6點，分別取每層焊道中間位置。采用掃描電鏡附帶的能譜儀對堆焊層的化學成分進行測量，結果如圖10所示。通過測試不同局部區域的成分，得知整個堆焊層中主要元素為 Fe、Cr、C、Ni，且 Fe、Cr、Ni 3 種元素含量相對穩定。Fe 元素的含量為 80%～90%，Cr元素的含量為 11%～14%，Ni 元素含量為 3%～ 4%，而 C 元素含量呈逐漸下降趨勢，并在距熔合線 10 mm處發生突變，趨近為 0。由此可以推測，在距熔合線10 mm 處，母材對熔覆層基本不產生稀釋。

圖10 化學成分點掃結果Fig.10 Chemical composition spot scanning results

在熔合線附近，從堆焊層向 Q235 母材方向對Fe、Cr、C、Ni 4 種元素進行線掃描，宏觀示意圖如圖11 所示，各元素掃描結果如圖12 所示。由圖12 可知，堆焊層中的 Fe、Cr、Ni 元素在堆焊層與母材熔合區上 (厚度約 10～15 μm) 發生了突變；其中 Ni、Cr 2種元素在界面熔合區快速下降，在母材中的含量趨近于 0；Fe 是 Q235 母材中的主要元素，在堆焊層到母材的熔合界面處顯著增加；C 元素含量保持在 4%。

圖11 化學成分線掃宏觀示意Fig.11 Macro diagram of chemical composition line scanning

圖12 化學成分線掃結果Fig.12 Line scanning result of chemical composition

2.4 堆焊層顯微硬度

堆焊熔覆層的硬度是從堆焊熔覆層表層向母材的方向開始測試，每間隔 0.5 mm 取 1 組測試點，每 1 組測 5 個點，取其平均值，其硬度分布如圖13所示。由圖13 可知，每一層熔覆金屬硬度值均呈先上升后下降的趨勢，這是因為每一層從表層向下依次經過焊縫區、重熔區和回火區。焊縫區硬度約為36HRC，在重熔區先經歷晶粒長大，硬度開始增大，隨后發生細晶強化，硬度持續增大，最后經過回火區，得到回火馬氏體，硬度下降，維持在 30HRC 左右。同時，隨著堆焊層數的增加，每一層峰值溫度也在增加，這是因為下層熔覆金屬經歷的焊接熱循環次數更多，組織更細小。從母材到熔合區，硬度值突然增大，并在熔合區，硬度出現一個峰值 40HRC。由圖13 可以看出，出現峰值的地方是晶粒非常細小的區域，這是由于細晶強化作用導致硬度提高。

圖13 堆焊熔覆層的硬度分布Fig.13 Hardness distribution of surfacing cladding layer

3 結論

(1) 采用常規的 CO2氣體保護焊技術，在 Q235 鋼板上成功堆焊了 414L 不銹鋼。選用的參數：焊接電流為 220 A，焊接電壓為 28 V，焊接速度為 40 cm/min，堆焊搭接量為 6 mm。堆焊層成型美觀、致密無缺陷，未出現焊瘤、氣孔、裂紋等宏觀缺陷。

(2) 熔覆金屬組織均為板條馬氏體；越靠近熔合線處，碳含量越高；下層熔覆金屬組織更細小。

(3) 堆焊層主要元素為 Fe、Cr、C、Ni，母材對熔覆層的稀釋逐層減弱，直到第 5 層，影響才幾乎為 0。

(4) 通過對堆焊層和母材進行硬度測試，可以看出堆焊層硬度遠高于母材，且每一層熔覆金屬均會在重熔區出現峰值。