耿延朝１ ２,鄧德偉２,田 鑫１ ２,孫 奇１ ２

(１．沈陽鼓風機集團股份有限公司,沈陽 １１０８６９;２．大連理工大學 材料科學與工程學院,大連 １１６０２４)

摘 要:采用等離子堆焊技術在Z２CN１８Ｇ１０不銹鋼表面制備了添加鈮粉的鎳基合金堆焊層,并對堆焊層的顯微組織、硬度和耐磨性進行了分析,研究了焊接電流對堆焊層組織和性能的影響.結果表明:焊接電流為１４０A 時,堆焊層中可以較好地析出 NbC顆粒,堆焊層具有良好的耐磨性;焊接電流為１１０A 時,堆焊層硬度可以達到５０９HV０．３,但是堆焊層成型不好,耐磨性能也最差;當焊接電流增大到１７０A 時,堆焊層硬度明顯降低,耐磨性相比１４０A 時的也有所降低.

在材料表面強化領域,等離子堆焊技術依靠其低稀釋率、高熔敷率等特點,廣泛應用于工況條件較為苛刻的 機 械 耐 磨 零 件 表 面 強 化、熔 覆 技 術 等 領域[１Ｇ５].焊接電流是熔敷過程的一個重要工藝參數(shù),決定堆焊的熱輸入量,進而影響到堆焊層的成型、顯微組織及耐磨性能[６].

國內外采用的等離子堆焊粉末中,鎳基粉末以其堆焊層優(yōu)異的高溫性能、較強的耐磨及耐蝕性能而得到普遍應用[７].為了進一步提高堆焊層的硬度及耐磨等各項性能指標,常在合金粉末中添加碳化物硬質顆粒.鈮為強碳化物形成元素,會在堆焊過程中與鎳基合金粉末中的碳結合生成 NbC顆粒,進而達到強化組織的作用.筆者使用鈮和鎳基合金的混 合 粉 末 作 為 原 料,采 用 等 離 子 弧 單 道堆焊,研究了 焊 接 電 流 對 復 合 堆 焊 層 組 織 和 耐 磨性能的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

采用 LUＧD５００ＧF６００/B８００ＧCNC型數(shù)控等離子堆焊 機 進 行 等 離 子 堆 焊 試 驗. 堆 焊 基 體 為２００mm×１００mm×２０mm 規(guī)格的 Z２CN１８Ｇ１０不銹鋼板,將不銹鋼基體置于４００ ℃下保溫２h后待焊[８].以 NiＧCrＧBＧSi系鎳基自熔性合金粉末和純鈮粉作為堆焊材料,在鎳基合金粉末(粉末尺寸為４５~１０６μm)中摻入５％(質量分數(shù))的鈮粉(粉末尺寸為４５~１０６μm),混合成復合合金粉末,表１為鎳基合金粉末的化學成分.焊接參數(shù)如下:轉移弧電流分別為１１０A(試樣１)、１４０A(試樣２)、１７０A(試樣３),保護氣是純度為９９．９９９％(體積分數(shù))的氬氣,轉移弧電壓為３０V,送粉速度為２８g??min－１,保護氣體流量為１０L??min－１,焊接速度為５０ mm??min－１,焊槍擺幅為２０mm.

堆焊后將試板放入蛭石中進行緩冷,待達到室溫后取出.使用型號為 ZeissEVO１８的掃描電鏡(SEM)對堆焊合金工作層組織結構進行觀察分析;使用型號為 MVCＧ１０００B的維氏硬度計測試堆焊層剖面硬度梯度,加載載荷為２．９４N (３００gf),加載時間為１５s.采用線切割在各組焊道中心部位切取尺寸為２０mm×２０mm 的試樣,在環(huán)塊式 MMSＧ２A型微機控制摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗,溫度為室溫,載荷為１５０N,轉速為９０r??min－１,對磨時間為６０min,對磨環(huán)材料為經(jīng)淬火處理的４０CrMoV 鋼(硬度約為５３HRC).采用 MS２０４S型天平對摩擦磨損試樣質量進行稱量,其精度為０．０００１g.

２ 試驗結果與討論

２．１ 焊接電流對堆焊層顯微組織的影響

圖１是不同焊接電流下復合堆焊層的掃描電鏡背散射電子(SEMＧEBSD)形貌.從圖１a)可以觀察到:試樣１中形成的NbC 顆粒呈亮白色,其尺寸較小,形狀多為細小菱形及多邊形;枝晶間分布著較多的鉻硼化合物硬質相,呈黑色小花狀;γＧNi樹枝晶的晶界比較模糊且成型較差,NbC 及硼化物雖然能增強樹枝晶整體硬度,但是由于其在樹枝晶的基體中析出,損壞了樹枝晶的自身結構.圖１b)為試樣２的 EBSD形貌,可以看出其組織中形成了大塊狀的菱形 NbC顆粒,這些 NbC顆粒分布在共晶組織中;同時在組 織 中 析 出 了 完 整 且 晶 界 清 晰 的 樹 枝 晶.圖１c)為試樣３的 EBSD 形貌,可見由于電流過大,熱輸入量增加,導致熔池溫度過高,因而在圖１c)中已經(jīng)觀察不到 NbC顆粒,并在枝晶間的共晶組織中析出了亮白色的網(wǎng)狀組織.這些網(wǎng)狀組織是由于鈮元素無法與碳元素相結合,而與其他元素相結合,并在枝晶間析出的共晶化合物.這些含鈮共晶化合物

硬度偏低,影響了堆焊層的硬度和耐磨性[９].

２．２ 焊接電流對堆焊層硬度梯度的影響

圖２為不同焊接電流下堆焊層橫截面的顯微硬 度分布曲線.原基體的硬度平均值為１８０HV０．３, 焊接電流為１１０A(試樣１)時,堆焊層的硬度平均值 為５０９HV０．３,熔合線處硬度為２９０ HV０．３.焊接 電流為１４０A(試樣２)時,堆焊層的硬度平均值為 ４４８HV０．３,相比試樣１的下降了約１７％,熔合線處 硬度為２５６HV０．３.焊接電流為１７０A(試樣３)時, 堆焊層的硬度平均值為２９３ HV０．３,相比試樣１的 降低了約４２％,熔合線處硬度為２６０HV０．３.經(jīng)測量,試樣２及試樣３的堆焊層厚度為４．０mm,試樣１由于焊接電流過低,粉末熔化不完全,導致飛濺嚴重,堆焊層成型性較差,厚度僅為２．５mm.以下兩點導致了焊接電流對堆焊層硬度的影響:①焊接電流越大熔池溫度越高,稀釋率也越高,基體中的鐵元素擴散出來,形成了大量硬度較低的富鐵化合物,導致堆焊層硬度整體下降;②當焊接電流為１１０A 和１４０A 時,組織中都形成了 NbC 顆粒,而在１７０A焊接電流下,無法在堆焊層中形成 NbC 硬質顆粒,鈮還與其他元素結合析出了硬度過低的共晶化合物,因而堆焊層硬度相比１１０A 和１４０A 焊接電流下的大幅降低。

２．３ 焊接電流對堆焊層耐磨性的影響

圖３為各組試樣經(jīng)過摩擦磨損試驗后的表面磨損形貌.對比３組堆焊層的表面磨損形貌可以看出:試樣２(１４０A)的磨損狀況最輕,如圖３b)所示,其磨損表面可以觀察到存在大面積氧化及加工硬化現(xiàn)象,可以使得磨損變緩,最終形成較為平整的磨損表面[１０];其次為試樣３(１７０A),在磨損過程中部分脫落的小顆粒進一步磨損其表面,導致磨損表面存在著清晰的犁溝[１１],如圖３c)所示;磨損最為嚴重的為試樣１(１１０A),其磨損表面的犁溝較試樣３的更為嚴重,如圖３a)所示.磨損過程中在切應力及壓應力的共同作用下,部分大顆粒出現(xiàn)脫落現(xiàn)象,造成了孔洞的出現(xiàn)[１２];同時,對磨面摩擦產生的疲勞還導致了裂紋的產生.表２是３組試樣堆焊層摩擦磨損試驗后的質量損失.從表２可以看出,經(jīng)過摩擦磨損試驗后質量損失最多的為試樣１,其次為試樣３,質量損失最少的是試樣２.以磨損量來計算相對耐磨性,試樣 ２堆焊層的耐磨性比試樣１的高１３７．５％,試樣３堆焊層的耐磨性比試樣１的高４７．６％.

３ 結論

(１)采用等離子堆焊技術在不銹鋼表面制備鎳基鈮復合堆焊層,當焊接電流為１１０A 時,由于熱輸入量過低,粉末熔化不完全,被保護氣吹離堆焊層,導致堆焊層較薄;當焊接電流為１７０A 時,堆焊層中未形成 NbC顆粒硬質相,較高的熱輸入量使得稀釋率過大,影響了堆焊層的耐磨性能;當焊接電流為１４０A 時,堆焊層的成型及性能最優(yōu)。

(２)當焊接電流為１１０A 時,堆焊層硬度最高;當焊接電流為１４０A 時,堆焊層硬度次之;當焊接電流為１７０A 時,堆焊層硬度最低.用磨損量計算,當焊接電流為１４０A 時,堆焊層的耐磨性最優(yōu),當焊接電流為１７０A 時,堆焊層耐磨性次之,當焊接電流為１１０A 時,堆焊層耐磨性最差.對比得知,當焊接電流為１４０A時,堆焊層的綜合性能最好。

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-理化檢驗-物理分冊）