摘 要:采用等离子堆焊技术在基体材料为304不锈钢、F51双相不锈钢、A105碳钢的阀门表 面堆焊了Co106F粉末。采用金相检验、线扫描分析、硬度测试等方法对3种基体材料阀门表面的 堆焊层进行分析。结果表明:3种基体材料阀门表面堆焊层的熔合线平直,但存在缺陷;在熔合线 到基体之间,3种基体材料阀门表面堆焊层中的Co、Cr、Fe等元素均发生了扩散现象;等离子堆焊 Co106F粉末后,基体材料为 A105碳钢阀门表面堆焊层的硬度显著增大。
关键词:等离子堆焊;阀门;Co106F粉末;元素扩散
中图分类号:TB31;TG455 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)07-0009-06
阀门为化工生产中的重要部件之一,广泛应用 在石化、火电、核电等行业中。阀门要能够在高温、 高压、高流速、含氢等复杂的环境下正常工作,其材 料必须具备耐高温、耐高压、耐腐蚀等特点,并且采 用不锈钢作为阀门的基体材料[1-3]。常用的基体材 料有304不锈钢、F51双相不锈钢、A105碳钢等。 304不锈钢具有良好的耐腐蚀性能和优异的力学性 能,广泛应用在生活、医疗、建筑等领域[4-5]。F51双 相不锈钢中加入了 N元素,奥氏体的高温稳定性得 到提高[6]。A105碳钢多用于制造阀门、管道及法兰 等构件[7-9]。
在阀门基体表面等离子堆焊高性能材料,可以 提高阀门的表面性能。等离子堆焊技术的原理是将 氩气转移型等离子弧作为主要热源,熔化堆焊粉末, 在基体金属表面产生熔池,待熔池凝固后形成堆焊 层。等离子堆焊技术具有高度自动化、容易控制、电 弧稳定、温度高且热量集中等优点,采用等离子堆焊 技术焊接的材料具有堆焊层的组织及硬度均匀、工 件的热影响区小、母材的稀释率低、熔深可控、焊道平整等特点[10]。堆焊材料为 Co106F钴基合金,其 中加入了Cr、W、C等元素,故钴基合金堆焊层具有 耐磨性能较好、热态组织稳定、硬度均匀、抗氧化性 好等优点[11-12]。
笔者分别在基体材料为304不锈钢、F51双相 不锈钢、A105碳钢的阀体表面上等离子二层堆焊了 Co106F粉末,然后对试样进行一系列理化检验,研 究结果可为提高阀门的表面性能提供理论基础。
1 试样制备与试验方法
1.1 试样制备
对基体材料为304不锈钢、F51双相不锈钢、 A105碳钢的阀门表面进行打磨,使用丙酮清洗阀门 表面的油污,然后在表面等离子堆焊Co106F粉末, 得到堆焊二层试样。选用的304不锈钢、F51双相 不锈钢、A105碳钢的化学成分分析结果如表1所 示,选用的Co106F粉末的化学成分分析结果如表2 所示,等离子堆焊的工艺参数如表3所示。
1.2 试验方法
使用线切割机将堆焊后的试样切割成块状,尺 寸为30mm×15mm(长度×宽度)。将试样进行 打磨、抛光、腐蚀处理,然后利用光学显微镜观察试 样的显微组织形貌。利用扫描电子显微镜(SEM) 及能谱仪对试样进行线扫描分析,研究试样的元素 分布情况。利用维氏硬度仪测试试样的硬度分布 情况。
2 试验结果与讨论
2.1 金相检验
基体材料分别为304不锈钢、F51双相不锈钢、 A105碳钢的阀门表面堆焊后试样的低倍显微组织 形貌分别如图1~3所示。由图1~3可知:3种基 体材料堆焊后试样的堆焊层与基体之间有一条比较 规则的、无特征结构的“白亮带”过渡层,即熔合区, 该区域呈规则的平面晶特征,熔化的粉末和部分熔 化的母材相互扩散,使堆焊层与基体之间有良好的 冶金结合;在堆焊一层处,基体材料分别为304不锈 钢、F51双相不锈钢堆焊后试样的组织主要为细长 柱状树枝晶+均匀分布的胞状晶,其垂直于熔合线 并沿堆焊层的高度方向生长,基体材料为 A105碳钢堆焊后试样的组织为取向不同的柱状树枝晶+分 布不均的胞状晶;在堆焊一层和二层的交界处,3种 基体材料堆焊后试样的组织均发生明显变化,组织 变为粗大的柱状树枝晶+胞状晶;在堆焊二层处,3 种基体材料堆焊后试样的组织尺寸变得细小,组织 为细小的等轴晶;在堆焊二层的表面处,3种基体材 料堆焊后试样的组织均为不规则细小树枝晶。
基体材料分别为304不锈钢、F51双相不锈钢、 A105碳钢的阀门表面堆焊后试样的高倍显微组织 形貌分别如图4~6所示。由图4~6可知:3种基 体材料堆焊后试样的熔合线平直,但在熔合区存在 气孔、裂纹等缺陷;靠近熔合线附近,3种基体材料 堆焊后试样的组织均为平面晶;在堆焊一层处,3种 基体材料堆焊后试样的组织主要为柱状树枝晶+胞状晶;在堆焊一层和二层的交界处,3种基体材料堆 焊后试样的组织变为粗大的柱状树枝晶+胞状晶; 在堆焊二层处,3种基体材料堆焊后试样的组织为 取向更加一致的等轴晶;在堆焊二层表面处,3种基 体材料堆焊后试样的组织为树枝晶。
2.2 线扫描分析
基体材料为304不锈钢、F51双相不锈钢、 A105碳钢的阀门表面堆焊后试样的线扫描分析 结果如图7~9所示。由图7可知:在堆焊层处, Cr元素含量的波动幅度较大;在基体处,Cr元素 含量降低,且 Cr元素含量波动幅度较小;在堆焊 层处,Fe元素含量基本保持稳定,从熔合线到基 体,Fe元 素 含 量 逐 渐 升 高,升 高 的 长 度 约 为 40μm;在堆焊层处,Co元素含量较高且波动幅度较大,从 熔 合 线 到 基 体,Co元 素 含 量 逐 渐 降 低,降低的长度约为40μm。由图8可知,基体 材料为F51双相不锈钢堆焊后试样与基体材料 为304不锈钢堆焊后试样的 Cr、Fe、Co元素分布 情况基本一致。
由图9可知:在基体处,Cr元素含量较低,从熔 合线到堆焊层,Cr元素含量逐渐升高,升高的长度 约为20μm,在堆焊层处,Cr元素含量存在波动;在 基体处,Fe元素含量较高,从熔合线到堆焊层,Fe 元素含量逐渐降低,降低的长度约为20μm,在堆焊 层处,Fe元素含量保持基本稳定;在基体处,Co元 素含量较低,从熔合线到堆焊层,Co元素含量逐渐 升高,升高的长度约为20μm,在堆焊层处,Co元素 含量波动较大。
2.3 硬度测试
3种基体材料堆焊后试样的硬度分布曲线如图 10所示。由图10可知:基体材料分别为304不锈钢、 F51双相不锈钢、A105碳钢阀门表面堆焊后试样基 体的平均硬度分别为211.1,284.15,183HV,堆焊层 的平均硬度分别为398.2,428.4,432.6HV。说明等 离子堆焊后,堆焊层的硬度变大,其中 A105碳钢阀 门表面堆焊后试样的硬度增大最明显;基体材料为 304不锈钢、A105碳钢阀门表面堆焊后试样的硬度 变化趋势基本一致,从基体到堆焊层,硬度逐渐增大; 从基材到堆焊层,基体材料为F51双相不锈钢阀门表 面堆焊后试样的硬度先增大后减小,最后趋于稳定; 在与熔合线的距离为-100μm~100μm处,3种基 体材料堆焊后试样的硬度均发生突变。
3 综合分析
在堆焊层处,不同位置的冷却速率不同,导致材 料内部产生温度梯度,因此,在固溶体合金结晶时, 界面以不同的形式生长。等离子堆焊层截面的显微 组织可分为4个区域,分别是平面晶区、胞状晶区、 具有一定方向的柱状树枝晶区和等轴晶区、近表面 细小杂乱的树枝晶区。3种基体材料阀门表面堆焊 后,堆焊二层产生细小晶粒的原因是:堆焊二层靠近 阀门表面,散热速率较快,导致组织来不及长大就发 生凝固,从而使晶粒不易长大;熔合区散热速率较 慢,晶粒更容易长大[13]。
对于基体材料为304不锈钢的阀门表面堆焊试 样,Co106F粉末和304不锈钢中的 Cr元素含量相 差不大,故Cr元素含量仅在基体处有一定程度降 低;Co106F粉末中Fe元素含量较低,故Fe元素从 基体向堆焊层发生扩散;Co106F粉末中的Co元素 含量较高,故 Co元素从堆焊层向基体发生扩散。 对于基体材料为 A105碳钢的阀门表面堆焊试样, 熔合线两侧的Cr、Fe元素含量相差较大,Cr原子半径与Fe原子半径比较相近,且Cr原子与铁素体均 为体心立方结构,故Cr元素可以与Fe元素相互扩 散,导致在熔合线附近Cr、Fe元素含量出现反向变 化的现象。
3种基体材料阀门表面堆焊后均形成了高硬度 的堆焊层。Co106F粉末中 Cr元素的质量分数约 为30%,多数Cr元素与 Co元素形成了固溶体,起 到固溶强化作用;少数 Cr元素与 C 元素形成了 M7C3、M23C6 等碳化物,碳化物中含有Cr元素的置 换元素,故碳化物与 Co106F形成共晶体并弥散分 布在Co106F中,呈骨架状或网状,起到强化合金的 作用,这种强化作用类似于复合材料中的网状增强 剂[14];Co106F粉末中的 Ni、Mo、W 等元素也会起 到固溶强化作用,其中 W 原子的半径较大,熔入基 体后会使基体的晶格产生畸变,进而起到固溶强化 作用;3种基体材料阀门表面堆焊后的硬度相差不 大,因为其组织尺寸相差不大。
4 结论
(1)基体材料为304不锈钢、F51双相不锈钢、 A105碳钢的阀门表面堆焊后,从熔合线到基体,试 样的组织依次为平面晶、胞状晶、具有一定方向的柱 状树枝晶和等轴晶、细小杂乱的树枝晶等。
(2)基体材料为304不锈钢、A105碳钢的阀门 表面堆焊后,Cr元素仅在基体处有一定程度降低, Fe元素由基体扩散到堆焊层,Co元素由堆焊层扩 散到基体;基体材料为F51双相不锈钢的阀门表面 堆焊后,Cr、Fe元素在熔合线外发生了反向扩散,Co 元素由堆焊层扩散到基体。
(3)基体材料为304不锈钢、F51双相不锈钢、 A105碳钢的阀门表面堆焊后,堆焊层的硬度较基体 的硬度明显提高,其中基体材料为 A105碳钢的阀 门表面堆焊层的硬度显著增大。
参考文献:
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