正火對耐磨堆焊層組織與性能的影響

張佩

沈陽遠大環境工程有限公司 遼寧 沈陽 110027

引言

堆焊技術在我國近50年的發展歷程中，為基礎工業的崛起和發展做出了重要貢獻，其應用遍及機械、能源、交通、電力和冶金工業等領域[1-3]。通常在低碳鋼或低合金鋼制造的設備零部件工作表面進行堆焊高合金耐磨層[4-6]。研究熱處理對耐磨堆焊層組織與性能的影響，熟悉其使用性能能延長零部件壽命，增加耐磨性，減少經濟損失，獲得更好的經濟效益。本文以16Mn鋼作為基體材料，研究正火工藝對耐磨堆焊層組織與性能的影響規律。

1 實驗材料及方法

選16Mn作為基體材料，組織為鐵素體和珠光體，尺寸為400mm×55mm×20mm，在寬55mm中間開一個10mm×10mm的U形槽，便于堆焊。焊條選用D507/GB EDCr-A1-15，焊條直徑為4mm。碳含量為0.15%，鉻含量15%，硫含量0.03%，磷含量0.045%，其他元素2.5%。

焊前對試件表面進行除油、除銹處理，并預熱處理；焊條也進行預熱，保證焊接時焊條表面的干燥。焊接電流為直流190A，堆焊后焊件進行空冷。

采用SX2-8-10中溫電阻爐，對試件分別進行910℃、940℃和970℃正火處理，保溫均為1h。采用XLL-02A立式金相顯微鏡進行顯微組織觀察；使用HR-150A洛氏硬度計對試樣進行硬度測試；利用ML-100磨粒磨損機進行磨損性能測試，對磨材料為180目水磨砂紙，載荷為40N，磨損時間為2min，用FA1104N型電子天平稱量，并計算堆焊試樣的磨損量。在JB-30A型沖擊試驗機上進行沖擊試驗，沖擊試樣為國家標準的10mm×10mm×55mm試樣。采用SSX-500掃描電子顯微鏡，400倍下觀察堆焊層側面的斷口形貌如圖1所示。

圖1 堆焊層正火前的組織（400×）

2 實驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

圖1、2為不同條件下融合區的金相組織。

16Mn鋼開槽進行堆焊，堆焊焊條D507合金元素較高，在焊接時，熔池溫度很高，在淬火溫度以上，奧氏體冷卻時發生馬氏體轉變，堆焊層組織為低碳馬氏體，由成群的板條組成也叫板條狀馬氏體。這些密集的板條之間通常由含碳量較高的殘余奧氏體分隔開（圖中白色部分），這一薄層殘留奧氏體的存在顯著改善鋼的力學性能。

溫度升高到910℃時，堆焊層組織轉變為奧氏體，保溫1小時后空冷，奧氏體轉變為珠光體和鐵素體，正火時堆焊層組織由馬氏體變為鐵素體和珠光體，強度硬度下降，塑韌性變好。正火可以使碳化物分布均勻以及細化晶粒，910℃時晶粒正火后晶粒比較細小，塑韌性提高了。如圖2所示，圖中均勻分布的白色顆粒狀組織為鐵素體，低碳鋼正火時鐵素體會較多，珠光體為黑色。溫度升高到940℃，保溫1h后空冷，堆焊層組織由奧氏體轉變為珠光體和鐵素體。940℃正火比910℃正火得到的晶粒要大，910℃時堆焊層組織塑韌性更好，強度更高。溫度升高到970℃時，保溫1小時后空冷，組織為珠光體和鐵素體。970℃正火比940℃正火得到的晶粒還要粗大，970℃正火時的堆焊層組織塑韌性比940℃差，強度更低，但是相對于馬氏體來講，正火轉變時強度硬度都下降了，塑韌性提高了。

圖2 不同溫度正火處理堆焊層顯微組織

通過對顯微組織觀察分析得出，當保溫時間固定時，加熱溫度越高，晶粒越粗大，強度、塑韌性越差。

2.2 硬度分析

從表1中可以看出，硬度從堆焊層到母材依次遞減；隨正火溫度的升高，硬度值逐漸降低。這是因為，鋼加熱溫度高或在該溫度上停留時間過長，就會使奧氏體晶粒長得粗大。正火冷卻下來晶粒也就粗大，導致機械性能降低。并且，正火之前堆焊層為馬氏體組織，正火之后堆焊層組織為鐵素體和珠光體，強度硬度下降。

表1 硬度測試實驗數據

2.3 耐磨性分析

表2為堆焊接頭在不同正火溫度下的磨損量。可見，堆焊接頭中心的堆焊層硬度值高于熱影響區的硬度值；隨正火溫度的提高，磨損量增加。

表2 試樣磨損量

這是由于焊后原始的中心堆焊層組織為低碳馬氏體，耐磨性好，強度硬度高，熱影響區組織不均勻，耐磨性相對于中心堆焊層較差。正火處理時，堆焊層和熱影響區組織由馬氏體變為珠光體和鐵素體。鐵素體和珠光體的強度硬度比馬氏體低，耐磨性不如低碳馬氏體。

2.4 沖擊韌性分析

熱處理前后試樣的沖擊韌性值，如表3所示。可看出，經正火處理后試樣沖擊韌性都有所提升；并且隨正火溫度升高試樣沖擊韌性值呈現減小趨勢。這是因為正火后堆焊層組織由馬氏體變為珠光體和鐵素體，塑韌性變好，正火溫度越高，獲得的奧氏體晶粒越粗大，冷卻后堆焊層組織塑性越低。

表3 熱處理前后試樣沖擊韌性αk（單位:J?cm-2）

通過對表3的分析，可發現沖擊韌性普遍偏小，是因為堆焊層組織處為低碳合金鋼，堆焊層內有缺陷，存在細小微孔，減小了沖擊面積，堆焊層組織中鉻含量較高。鉻能很大的提高金屬的強度和硬度，但同時降低塑性和韌性，顯著提高鋼的脆性轉變溫度，減小了沖擊功，從而減小了沖擊韌性。

2.5 斷口形貌分析

通過對試樣的斷口掃描來分析試樣的斷裂特征。斷口形貌如圖3所示。

圖3 斷口形貌（800×）

圖（a）、（b）和（c）可看出，微觀形態呈蜂窩狀，是大量的韌窩，屬于韌窩斷裂或韌性斷裂，金屬多晶材料的斷裂，是通過空洞核的形成、長大和相互連接的過程進行。韌窩的大小決定于第二相質點的大小和密度、基體材料的塑性變形能力和應變硬化指數，以及外加應力的大小和狀態等。韌窩斷裂是屬于一種高能吸收過程的延性斷裂。韌窩是微孔聚集斷裂的基本特征。韌窩斷裂的形成包括微孔成核、長大、聚合直至斷裂。這些微孔是通過第二相質點本身的破裂，或第二相與基體介面脫離而形成的，他們是金屬材料在斷裂前塑性變形到一定程度時產生的。當試件受到沖擊發生微量變形時，會產生大量的位錯。位錯線運動會遇到第二相質點，位錯環會在外加應力的作用下堆積起來。當位錯環移向質點與基體界面時，就會產生微孔。因為微孔成核，位錯的斥力大大下降，位錯源重新被激活，放出新的位錯，從而是微孔長大。相鄰微孔之間的截面不斷減小，最后斷裂。

圖（d）中既有解理臺階又有韌窩，所以說這種斷裂既有韌性斷裂又有脆性斷裂。在斷裂過程中不但要行成韌窩，還要形成解理面。由這兩種斷裂方式共同作用的，只是哪一個是主要的作用就是那種斷裂機制。

3 結論

本文對堆焊層進行正火處理，通過對堆焊層組織和力學性能進行表征及分析。得以下結論：

堆焊層具有很高的強度硬度以及耐磨性，堆焊層原始組織為低碳馬氏體，正火后堆焊層得到鐵素體和珠光體。

堆焊層正火處理后，組織變化致使硬度發生了變化，隨正火溫度升高，硬度值逐漸降低。由于金屬材料的耐磨性與其硬度成正比，隨著堆焊層硬度的降低，耐磨性也隨之降低。

正火處理后，由馬氏體變為珠光體和鐵素體，試樣沖擊韌性都有所提升，但隨正火溫度升高試樣沖擊韌性值呈現減小趨勢。