付曉麗

1 前言

磨損是材料的主要失效形式之一，它嚴(yán)重影響著機(jī)械產(chǎn)品的性能質(zhì)量和使用壽命，同時(shí)也造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)報(bào)道，目前全世界用于機(jī)械制造行業(yè)的材料，大約有1/3消耗在磨損上，機(jī)械零部件由于磨損失效的約占零部件總數(shù)的60%～80%。因此，如何提高材料的耐磨性能一直受到人們的廣泛關(guān)注[1]。堆焊是為了增大或恢復(fù)零部件尺寸或使焊件表面獲得具有特殊性能的合金層而進(jìn)行的焊接，是一種重要的耐磨修復(fù)技術(shù)方法[2]。堆焊因工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、操作靈活、適應(yīng)面廣而被廣泛應(yīng)用在鋼板表面耐磨合金層的制備。

筆者采用CO2氣體保護(hù)堆焊方法，在Q235鋼表面通過(guò)H08Mn2Si實(shí)芯焊絲堆焊與噴射送粉互補(bǔ)方式，獲得不同成分的耐磨堆焊層，保證堆焊層在具備一定耐磨性的條件下，又具有一定的韌性，防止堆焊層剝離，提高堆焊層結(jié)合強(qiáng)度；研究H08Mn2Si堆焊焊絲與高速送粉粒子在熔滴、熔池中發(fā)生冶金反應(yīng)的機(jī)理，并探討不同W含量Fe-C-Cr-Ti-V-W系噴射粉體對(duì)堆焊層組織結(jié)構(gòu)、耐磨性的影響。

2 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

2.1 基體材料

試驗(yàn)中采用Q235鋼板作為基體材料，其組織結(jié)構(gòu)為鐵素體加上少量的珠光體，如圖1所示，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。堆焊試樣尺寸為150mm×40mm×10mm。

2.2 焊接材料

CO2氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲選用H08Mn2Si，直徑為1.2mm，其化學(xué)成分見(jiàn)表2。

2.3 噴射合金粉體材料

試驗(yàn)中采用的合金粉體為高碳錳鐵、鈦鐵、釩鐵等各種粉體混合而成，其各自成分見(jiàn)表3，其粒度為198～120μm。

2.4 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖1 Q235鋼板的SEM掃描形貌

表2 H08Mn2Si化學(xué)成分，%

表3 粉體材料及組成，%

將焊槍和噴嘴以一定的角度固定在行走小車上，這樣有利于確定參數(shù)和得到可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖2所示。

3 實(shí)驗(yàn)方法

3.1 送粉方式

本實(shí)驗(yàn)采用槍內(nèi)送粉方式，在CO2氣體保護(hù)下，用不同化學(xué)成分的噴粉材料堆焊耐磨層。槍內(nèi)送粉采用在焊槍噴嘴上部開(kāi)圓孔（直徑4.5mm），圓孔距離焊件表面垂直距離60～70mm，將送粉噴管（內(nèi)徑3mm）從圓孔伸入到焊槍噴嘴內(nèi)形成槍內(nèi)送粉。

3.2 工藝參數(shù)的確定

以245～74μm的Mn-Fe基粉體為研究對(duì)象，在固定其他工藝參數(shù)的情況下，研究不同的W含量對(duì)焊縫組織偏析、堆焊層硬度和耐磨性的影響規(guī)律。

3.3 耐磨堆焊復(fù)合粉體的設(shè)計(jì)

槍內(nèi)送粉實(shí)芯焊絲粉體設(shè)計(jì)：在最佳的工藝參數(shù)下，選擇上述實(shí)芯焊絲工藝中的一種粉體并細(xì)化粉體的粒度，此外選用一種W系粉體。研究粉體化學(xué)成分對(duì)堆焊層的硬度、耐磨性、組織結(jié)構(gòu)、表面成形的影響規(guī)律，比較成分的差異性，確定合理的化學(xué)成分，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)將鉻鐵粉、錳鐵粉、鈦鐵粉，釩鐵粉粒度提高至96～74μm，W粉提高至74μm。表4為噴送的粉體的配比。

4 分析測(cè)試方法

4.1 洛氏硬度的測(cè)試

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置圖

表4 復(fù)合合金粉體配比,%

將150mm×40mm×10mm待測(cè)試樣的待測(cè)面磨出幾處平面，對(duì)平面選不同位置分別測(cè)試洛氏硬度，然后取其平均值。硬度測(cè)試選擇臺(tái)式硬度計(jì)，溫度為23℃±5℃，被測(cè)表面拋光處理，表面粗糙度1.6。

4.2 顯微硬度的測(cè)試

用顯微硬度計(jì)（HXS-1002K）測(cè)試試樣的顯微硬度。在測(cè)試顯微硬度之前必須對(duì)試樣進(jìn)行磨平、拋光、腐蝕，待能夠在電子顯微鏡下清晰地看到它的組織形貌特征時(shí)測(cè)試顯微硬度。在打磨試樣的時(shí)候要求將待測(cè)面和其相對(duì)面平行，以保證待測(cè)試面與載物臺(tái)平行，在實(shí)驗(yàn)的時(shí)候還必須在待測(cè)面的相對(duì)面用橡皮泥進(jìn)行壓平，保證待測(cè)面與載物臺(tái)絕對(duì)平行，也保證壓頭與待測(cè)面垂直，從而不至于損壞壓頭。在確定壓頭和待測(cè)面絕對(duì)垂直以后，在電子顯微鏡下進(jìn)行觀察，尋找要測(cè)試的合適組織部位進(jìn)行硬度測(cè)試。測(cè)試每個(gè)試樣不同部位和同一部位的不同組織，然后取平均值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果一方面可以看出試樣的硬度是否均勻，另一方面能夠可靠地評(píng)定試樣的顯微硬度。

4.3 金相組織分析

用OLYMPUS GX71倒置金相顯微鏡做試樣的顯微分析。本實(shí)驗(yàn)要求試樣規(guī)格為15mm×30mm×5mm，在砂輪上先靠平以后，分別用粒度為120μm、83μm、25μm、15μm、13μm的砂紙推磨，拋光，腐蝕，觀察金相組織。本實(shí)驗(yàn)要分析焊縫的組織特征，從熱影響區(qū)、熔合區(qū)和焊縫三個(gè)區(qū)域進(jìn)行分析說(shuō)明，但重點(diǎn)分析堆焊焊縫的組織特點(diǎn)，以及研究合金組織的分布情況。

5 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

5.1 金屬磨損及防護(hù)機(jī)理

金屬材料的磨損現(xiàn)象很復(fù)雜，種類很多，而要研究如何做好磨損防護(hù)，必須首先分析磨損的機(jī)理。材料的磨損分很多種類，如磨料磨損、黏著磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、微動(dòng)磨損等。在現(xiàn)實(shí)的設(shè)備使用中，磨損一般不是單一形式出現(xiàn)，而是以一種、兩種為主的多種磨損方式同時(shí)出現(xiàn)。例如礦山、建材行業(yè)所使用的輥磨、球磨機(jī)、破碎機(jī)等設(shè)備就是磨粒磨損的典型實(shí)例。幾種磨損方式的機(jī)理有明顯的不同，但是在機(jī)械設(shè)備磨損方式中，有以下三種主要因素相同：a材料的硬度，斷裂韌性；b材料微觀組織；c工況和環(huán)境的影響。如何能夠有效地對(duì)機(jī)械設(shè)備用金屬材料的磨損進(jìn)行防護(hù)，也需要從材料硬度、微觀組織兩方面進(jìn)行研究，本文從以上兩個(gè)主導(dǎo)方面著手進(jìn)行了測(cè)試和研究，得出了合金粉末W含量對(duì)堆焊耐磨層耐磨性影響的規(guī)律，為實(shí)際工程提供了依據(jù)。

5.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及檢測(cè)數(shù)據(jù)

5.2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

為了避免焊接工藝參數(shù)對(duì)堆焊層性能的影響，幾組實(shí)驗(yàn)采用固定的工藝參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)。具體的工藝參數(shù)由實(shí)際測(cè)試確定如下：送粉氣流量為3L/min，電流為160A，電壓22V，焊接速度為90mm/min，噴射送粉量為15g/min。

針對(duì)表4四種不同的粉末組合，將堆焊后的試板分別標(biāo)號(hào)為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)，保證后續(xù)的試驗(yàn)結(jié)果的獨(dú)立性。

5.2.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)

（1）堆焊層宏觀HRC值

按照4.1條款介紹的硬度測(cè)試方法，測(cè)得各試板HRC值如表5，硬度分布柱狀圖如圖3。

從HRC值以及柱狀圖比較可以看出，加入合金粉體后堆焊層HRC變化范圍為40.5～62，其中，第1組、第二組HRC最高均達(dá)到了62。從各組堆焊層硬度變化范圍來(lái)看，HRC差異為0～21.5之間，說(shuō)明隨著W含量的變化其硬度差異較大。

（2）堆焊層顯微硬度值

按照4.2條款對(duì)堆焊層檢測(cè)顯微硬度。測(cè)得各試板顯微硬度值如表6。從表6數(shù)據(jù)可以看出，除母材和熔合區(qū)外焊縫測(cè)得的顯微硬度逐漸減小，由焊縫底部到焊縫表面，顯微硬度由大到小變化，其中靠近焊縫表面的顯微硬度最小。另外，顯微硬度的大小與合金粉體中W的加入量有關(guān)，其中2號(hào)樣（20%）焊縫中部硬度最高。合金材料中Mn含量和W元素含量對(duì)提高焊層顯微硬度有重要影響。圖4為測(cè)得各組試樣焊縫底部、焊縫中部、焊縫表面顯微硬度值所對(duì)應(yīng)的圖片。

（3）堆焊層金相組織

表5 堆焊層（H08Mn2Si實(shí)芯焊絲-復(fù)合合金粉體）宏觀HRC值

圖3 堆焊層（H08Mn2Si實(shí)芯焊絲-復(fù)合合金粉體）宏觀硬度柱狀圖

表6 堆焊層顯微硬度(HV)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖5至圖8分別為H08Mn2Si焊絲加入4種合金粉的堆焊焊縫底部、中部、頂部以及熔合線處金相顯微組織。添加復(fù)合粉體后，形成異質(zhì)材料焊接，堆焊層與母材界面清晰，由于堆焊層含的Mn、V、Cr、Ti、W等合金元素，在金相試樣腐蝕中，耐蝕性高于母材，使得界面深淺顏色差異大，說(shuō)明合金元素進(jìn)入堆焊層，結(jié)果見(jiàn)圖5。

W元素與C元素形成WC，由于其相對(duì)密度較大會(huì)發(fā)生一定的沉積，所以在焊縫中部的金相照片中可以清晰地看見(jiàn)呈點(diǎn)狀分布的細(xì)小顆粒（如圖5至圖8中1號(hào)試樣上均出現(xiàn)的小黑點(diǎn)），當(dāng)然它對(duì)提高堆焊層的硬度和耐磨性方面發(fā)揮著非常重要的作用。

對(duì)于堆焊層底部進(jìn)行高倍觀察（圖5），發(fā)現(xiàn)試樣2與試樣3熔合線附近形成少量馬氏體組織。

對(duì)于堆焊層頂部進(jìn)行高倍觀察（圖7），添加復(fù)合粉體后，試樣1中能清晰地看見(jiàn)呈點(diǎn)狀分布的細(xì)小顆粒，試樣2和試樣4中均能觀察出大量馬氏體組織。試樣3中含有少量馬氏體組織。

5.2.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，W元素的加入，對(duì)于堆焊層的硬度影響有關(guān)鍵性的作用。其含量的不同，形成了不同的WC含量以及不同尺寸和含量的馬氏體組織，這對(duì)以后的材料耐磨性起到至關(guān)重要的作用。

隨W含量的增加，堆焊金屬硬度隨之增加，從而耐磨性也隨之增加，這是因?yàn)橐环矫鎃具有固融強(qiáng)化的作用，另一方面還形成了WC、W2C硬質(zhì)相，從而提高了堆焊金屬的耐磨性。但W的含量過(guò)高，對(duì)耐磨性的影響不大，這是因?yàn)槎押笇又刑嫉暮坑邢?，使W不能完全和C形成硬質(zhì)相WC和W2C，相反還會(huì)使其抗裂性變差，降低耐磨性。

在鋼中加入合金元素后，堆焊層中的奧氏體在480℃以下轉(zhuǎn)變成了馬氏體，形成了馬氏體堆焊合金，這種合金硬度和強(qiáng)度都很高，耐磨性較好，而且隨著馬氏體尺寸的不同，硬度變化范圍較大（22～64HRC）,在對(duì)耐腐蝕性和耐熱性要求不高時(shí)，工程應(yīng)用很普遍。

6 結(jié)論

采用H08Mn2Si焊絲CO2氣體保護(hù)堆焊，噴射優(yōu)化設(shè)計(jì)的Mn鐵、V鐵、Cr鐵和Ti鐵組成的合金四組合金粉，研究不同送粉工藝和堆焊層硬度。并利用CO2氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲槍內(nèi)噴射不同含量W的合金粉體進(jìn)行堆焊工藝研究，研究合金W含量對(duì)堆焊層的洛氏硬度、顯微硬度、金相組織結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

（1）采用CO2堆焊/噴射送粉工藝制備了具有一定耐磨性、結(jié)合強(qiáng)度的Fe-C-W-Cr-Ti-V系耐磨堆焊涂層。

（2）合金元素的噴射加入量對(duì)堆焊層硬度和耐磨性有一定的影響，當(dāng)W的含量為20%時(shí)堆焊層的硬度最高為60HRC。

（3）當(dāng)W的含量為20%、40%時(shí)，堆焊層內(nèi)形成大量的馬氏體組織，所以硬度較高。由于合金含量對(duì)馬氏體尺寸大小有直接影響，隨著W的含量增多，馬氏體的尺寸減小，硬度也相對(duì)減小。

[1]王娟.表面堆焊與熱噴涂技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]夏明生，徐道榮，秦琳.Fe3Al基合金的堆焊工藝試驗(yàn)研究[J].熱加工工藝，2004，(1):36-37.

[3]胡邦喜，莽克倫，王靜潔，徐濱士.堆焊技術(shù)在國(guó)內(nèi)石化、冶金行業(yè)機(jī)械設(shè)備維修中的應(yīng)用[J].中國(guó)表面工程，2006，19(3):1-8.