碳化钨焊条堆焊层组织与性能范文

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《焊接技术杂志》2016年第三期

摘要：

采用焊条电弧焊，使用2种焊条（J507和D707）对低碳钢母材进行过渡层和耐磨层堆焊，研究堆焊层的硬度和组织结构特点，发现堆焊打底过渡层组织主要由大量铁素体和少量珠光体组成，其塑性和韧性较好；耐磨层组织由碳化物（WC）、马氏体及残余奥氏体组成，高硬度的WC颗粒镶嵌在马氏体基体中，堆焊层呈现出良好的耐磨损性。

关键词：

堆焊；显微组织；硬度；磨损性能

应用经济可行的耐磨损方法，大幅度地延长耐磨件的使用寿命，对于企业在生产过程中降低资源消耗、提高生产效率和创造更大效益等方面具有重大意义。目前堆焊技术发展迅速，耐磨堆焊工艺的改进和新型耐磨堆焊材料的研发应用，使得一些耐磨零部件可以直接采用堆焊技术制造，采用堆焊技术还可以修复受损的零部件，且修复后完全可以正常使用。堆焊技术已经在电力、冶金和石油化工等行业中进行推广，其优质、高效和低成本的优势明显［1－3］，有着广阔的应用前景。本文研究的是低碳钢的耐磨堆焊，试件整体韧性由基材来保证，试件耐磨性由堆焊层来保证，通过堆焊方式可大幅度提高试件的综合性能，具有重要的现实意义。

1材料、设备及试验方案

1．1材料和堆焊设备选择低碳钢Q235作为堆焊母材。试件规格为170mm×150mm×25mm，其主要化学成分见表1。堆焊采用焊条电弧焊，堆焊设备选用YC－400TX3型弧焊逆变器。所用的焊条牌号分别为J507，D707。J507焊条属于低氢钠型碱性碳素钢用焊条，用于堆焊打底层及过渡层，其熔敷金属化学成分见表2。D707焊条属于低氢钠型药皮碳化钨堆焊焊条，用于堆焊耐磨层，其熔敷金属化学成分见表3。

1．2试验方案试验包括表面堆焊、硬度测试、金相组织观察和三体摩擦磨损试验等环节。表面堆焊采用J507焊条对试板进行打底层、过渡层的堆焊，然后再用D707焊条进行耐磨层堆焊。其中打底层、过渡层堆焊2层，耐磨硬面层堆焊3层。堆焊前不进行预热，堆焊工艺参数见表4。用线切割机从焊后试板上取样（图1），制备堆焊层横截面金相试样，金相组织观察所用设备为Le-ica数码金相显微镜。从堆焊层横截面由内向外取6个点测试洛氏硬度，然后将6个测点硬度的平均值作为最终硬度值。磨损试验采用MMH－5型环块三体磨损试验机，具体试验以三体磨损形式进行。三体磨损试验工作原理如图2所示。试样采用自制的磨损试样，受载的磨损试样在自由磨料石英砂覆盖的正火20钢轨道上做匀速圆周运动，磨损试样前端的45°倾斜角把磨料推向试样与轨道之间，构成磨料磨损条件。主轴转速为40r/min，采用砝码加载的方式，磨损试样预磨时间为10min，超声波清洗、干燥后称重，之后每磨损30min后将试样再进行超声波清洗、干燥和称重，记录每次的磨损质量。每个磨损试样预磨后共进行150min的磨损。

2堆焊层组织结构特点

2．1打底、过渡层组织结构特点采用J507焊条堆焊2层打底、过渡层，由于稀释率的影响，两焊层的化学成分存在一定差异，具体微观组织如图3，图4所示。分析图3，图4可见，2层堆焊打底层都是由铁素体构成，差异在于打底第1层中铁素体的形状不规则，尺寸分布也不均匀，而铁素体在打底第2层中表现出比较均匀的状态，珠光体在打底第2层中开始出现。由于J507焊条熔敷金属中的C含量比母材的低而Mn含量比母材的高，且前一堆焊层成分对后一堆焊层成分有稀释作用，因此，从打底第1层到打底第2层C含量逐渐减少，但Mn含量增加。Mn含量的增加促进珠光体形成，因而珠光体转变区域扩大，且第2层的冷却速度比第1层的冷却速度低，而珠光体转变是典型的扩散型转变，冷速减缓有利于Fe，C的扩散，这就是打底第2层中出现珠光体的原因。但打底层C含量和其他合金元素含量还是很低，几乎与普通低碳钢无异。而堆焊时冷却速度总体较快，因此堆焊层组织相变过程中出现大量珠光体转变的可能性很小，即使缓冷，也仅能获取少量珠光体。综上可知，打底、过渡层的组织还是典型的铁素体组织。

2．2耐磨堆焊层组织结构特点耐磨堆焊层采用D707焊条在打底过渡层基础上堆焊3层，堆焊层的微观组织如图5，图6和图7所示。从图中可见，3层的组织都是由马氏体、残余奥氏体和硬质相WC组成，差别只在于WC颗粒的数量和大小不同。通过观察耐磨堆焊层中的碳化物形态，可以看出碳化物的形状大部分为不规则的多边形，少量碳化物以树枝状存在，但都是形状不同的WC颗粒。堆焊组织中的WC颗粒大小随着堆焊层层数的增加而逐渐增大，数量也在逐渐增多。出现这样的现象有两个方面的原因：首先是上层堆焊层的冷却速度比下层堆焊层的低，上层堆焊层的WC有相对充裕的时间实现扩散，因此其颗粒变大；再者是W和C元素在上层堆焊层中的含量高于在下层堆焊层中的含量，以上两个原因造成了WC在3个堆焊层中的分布特点不同。镶嵌在基体中的具有高硬度的WC与基体之间形成了良好结合，基体为WC硬质相提供强力支撑，将WC硬质相固定于基体中，促使堆焊层耐磨性能提高。

3耐磨堆焊层的硬度

硬度和耐磨性并非是绝对的正比例关系，但材料硬度低其耐磨性一定不会好。因此，硬度与磨损率仍然有直接关系，在一定程度上堆焊层的硬度决定了堆焊层的耐磨性。耐磨堆焊层中，D707焊条直接由药皮向熔池中过渡大量WC并成为堆焊组织中的硬质相，堆焊层的硬度因而有了充分保障。由表5可以看出，耐磨堆焊层不同测点处的硬度均不低于HRC60，总体硬度已达到要求。

4耐磨堆焊层的三体摩擦磨损性能

在定载荷F＝9．8N，转速40r/min，预磨10min后连续磨损150min情况下，研究讨论随磨损时间D707焊条堆焊层的磨损情况。磨损过程中试样自身质量的损失情况见表6，磨损时间与试样磨损量的关系如图8所示。由图8可知，耐磨堆焊层的磨损存在一定规律，可将磨损过程分3个阶段讨论，即磨损增加阶段、磨损趋于平缓阶段和磨损再次快速增加阶段。第1阶段是磨损增加阶段，硬质相颗粒与金属基体在同一平面接受磨料磨损，高硬度的WC硬质相能有效抵抗磨料磨损，但基体硬度较低，抗磨料磨损能力较弱，基体在这一阶段磨损情况严重，因此试件在本阶段的总磨损量较大；进入第2阶段也即磨损量变化趋于平缓阶段后，由于原先基体磨损严重出现下凹，而原先硬质相磨损不大，因此硬质相高于基体凹面，成为接受磨料磨损的主要对象，硬质相对基体产生“阴影效应”，使基体得到有效保护，同时基体对硬质相颗粒还具有“支撑效应”，2种效应相结合就使得本阶段试样的磨损量相对稳定；进入第3阶段，由于磨损量不断累积，堆焊层基体过度下凹，造成硬质相所得到的“支撑效应”逐渐丧失，开始出现部分硬质相颗粒折断甚至剥落的现象，于是硬质对基体的“阴影效应”也慢慢减弱，基体严重磨损再次开始，最终致使堆焊层的磨损量再度升高。在实际的磨料磨损环境中，材料内各相的硬度是决定材料耐磨性的关键所在。耐磨堆焊层基体组织中分布着大量的碳化物硬质相，在磨料磨损条件下，基体组织首先被切削磨损，造成高硬度的碳化物位置高于基体表面。在载荷较小条件下，凸出的碳化物对基体有良好的保护效果，小载荷不会使硬质相从基体脱离，使得磨料对基体的切削作用减弱。但随着载荷的增加，磨料对基体的切削作用加剧，磨损量也在不断增大。同时，作用在凸出的碳化物上的载荷也不断增大。较小的碳化物和基体间的结合面积小，结合力也相对弱，因此开始出现折断或从基体剥离的现象。载荷再进一步增大，较大体积的碳化物也开始逐渐从基体脱离。最终使基体不再得到硬质相的保护，于是磨损量进一步加大。综上所述，磨料磨损条件下材料磨损量加剧的核心原因在于载荷的不断加大，使碳化物硬质相出现折断、碎裂和剥落。可见，对耐磨堆焊层的研究中一定要重点考虑碳化物与基体之间的良好结合、相互支撑。碳化物不仅要分布均匀，其尺寸也要合适，基体本身也要具有一定的硬度和耐磨性［4－7］。

5结论

堆焊打底层组织结构与低碳钢类似，其C含量低于母材的，而Mn含量高于母材的，有良好的韧性和塑性，产生裂纹的可能性小，有较好的止裂作用；耐磨堆焊层组织呈现出的状态是高硬度的硬质相WC以弥散状态均匀分布于金属基体中，且平均硬度不低于HRC60，使堆焊层具有良好的抗磨料磨损性能。

参考文献：

［1］魏建军，潘健．磨机辊面的破坏形式及其修复［C］//第二届水泥工业用耐磨材料技术研讨会，2007.

［2］徐滨士．表面工程［M］．北京：机械工业出版社，2000.

［3］赵云峰．堆焊药芯焊丝在辊压机维修中的应用［J］．中国建材装备，2000（6）：29-30.

作者：陈红 单位：云南机电职业技术学院