耿延朝１ ２,邓德伟２,田 鑫１ ２,孙 奇１ ２
(１．沈阳鼓风机集团股份有限公司,沈阳 １１０８６９;２．大连理工大学 材料科学与工程学院,大连 １１６０２４)
摘 要:采用等离子堆焊技术在Z２CN１８Ｇ１０不锈钢表面制备了添加铌粉的镍基合金堆焊层,并对堆焊层的显微组织、硬度和耐磨性进行了分析,研究了焊接电流对堆焊层组织和性能的影响.结果表明:焊接电流为１４０A 时,堆焊层中可以较好地析出 NbC颗粒,堆焊层具有良好的耐磨性;焊接电流为１１０A 时,堆焊层硬度可以达到５０９HV０．３,但是堆焊层成型不好,耐磨性能也最差;当焊接电流增大到１７０A 时,堆焊层硬度明显降低,耐磨性相比１４０A 时的也有所降低.
在材料表面强化领域,等离子堆焊技术依靠其低稀释率、高熔敷率等特点,广泛应用于工况条件较为苛刻的 机 械 耐 磨 零 件 表 面 强 化、熔 覆 技 术 等 领域[１Ｇ５].焊接电流是熔敷过程的一个重要工艺参数,决定堆焊的热输入量,进而影响到堆焊层的成型、显微组织及耐磨性能[６].
国内外采用的等离子堆焊粉末中,镍基粉末以其堆焊层优异的高温性能、较强的耐磨及耐蚀性能而得到普遍应用[７].为了进一步提高堆焊层的硬度及耐磨等各项性能指标,常在合金粉末中添加碳化物硬质颗粒.铌为强碳化物形成元素,会在堆焊过程中与镍基合金粉末中的碳结合生成 NbC颗粒,进而达到强化组织的作用.笔者使用铌和镍基合金的混 合 粉 末 作 为 原 料,采 用 等 离 子 弧 单 道堆焊,研究了 焊 接 电 流 对 复 合 堆 焊 层 组 织 和 耐 磨性能的影响.
１ 试样制备与试验方法
采用 LUＧD５００ＧF６００/B８００ＧCNC型数控等离子堆焊 机 进 行 等 离 子 堆 焊 试 验. 堆 焊 基 体 为２００mm×１００mm×２０mm 规格的 Z２CN１８Ｇ１０不锈钢板,将不锈钢基体置于４００ ℃下保温２h后待焊[８].以 NiＧCrＧBＧSi系镍基自熔性合金粉末和纯铌粉作为堆焊材料,在镍基合金粉末(粉末尺寸为４５~１０６μm)中掺入５％(质量分数)的铌粉(粉末尺寸为４５~１０６μm),混合成复合合金粉末,表１为镍基合金粉末的化学成分.焊接参数如下:转移弧电流分别为１１０A(试样１)、１４０A(试样２)、１７０A(试样３),保护气是纯度为９９．９９９％(体积分数)的氩气,转移弧电压为３０V,送粉速度为２８g??min－１,保护气体流量为１０L??min－１,焊接速度为５０ mm??min－１,焊枪摆幅为２０mm.
堆焊后将试板放入蛭石中进行缓冷,待达到室温后取出.使用型号为 ZeissEVO１８的扫描电镜(SEM)对堆焊合金工作层组织结构进行观察分析;使用型号为 MVCＧ１０００B的维氏硬度计测试堆焊层剖面硬度梯度,加载载荷为２．９４N (３００gf),加载时间为１５s.采用线切割在各组焊道中心部位切取尺寸为２０mm×２０mm 的试样,在环块式 MMSＧ２A型微机控制摩擦磨损试验机上进行摩擦磨损试验,温度为室温,载荷为１５０N,转速为９０r??min－１,对磨时间为６０min,对磨环材料为经淬火处理的４０CrMoV 钢(硬度约为５３HRC).采用 MS２０４S型天平对摩擦磨损试样质量进行称量,其精度为０．０００１g.
２ 试验结果与讨论
２．１ 焊接电流对堆焊层显微组织的影响
图１是不同焊接电流下复合堆焊层的扫描电镜背散射电子(SEMＧEBSD)形貌.从图１a)可以观察到:试样１中形成的NbC 颗粒呈亮白色,其尺寸较小,形状多为细小菱形及多边形;枝晶间分布着较多的铬硼化合物硬质相,呈黑色小花状;γＧNi树枝晶的晶界比较�：页尚徒喜�,NbC 及硼化物虽然能增强树枝晶整体硬度,但是由于其在树枝晶的基体中析出,损坏了树枝晶的自身结构.图１b)为试样２的 EBSD形貌,可以看出其组织中形成了大块状的菱形 NbC颗粒,这些 NbC颗粒分布在共晶组织中;同时在组 织 中 析 出 了 完 整 且 晶 界 清 晰 的 树 枝 晶.图１c)为试样３的 EBSD 形貌,可见由于电流过大,热输入量增加,导致熔池温度过高,因而在图１c)中已经观察不到 NbC颗粒,并在枝晶间的共晶组织中析出了亮白色的网状组织.这些网状组织是由于铌元素无法与碳元素相结合,而与其他元素相结合,并在枝晶间析出的共晶化合物.这些含铌共晶化合物
硬度偏低,影响了堆焊层的硬度和耐磨性[９].
２．２ 焊接电流对堆焊层硬度梯度的影响
图２为不同焊接电流下堆焊层横截面的显微硬 度分布曲线.原基体的硬度平均值为１８０HV０．３, 焊接电流为１１０A(试样１)时,堆焊层的硬度平均值 为５０９HV０．３,熔合线处硬度为２９０ HV０．３.焊接 电流为１４０A(试样２)时,堆焊层的硬度平均值为 ４４８HV０．３,相比试样１的下降了约１７％,熔合线处 硬度为２５６HV０．３.焊接电流为１７０A(试样３)时, 堆焊层的硬度平均值为２９３ HV０．３,相比试样１的 降低了约４２％,熔合线处硬度为２６０HV０．３.经测量,试样２及试样３的堆焊层厚度为４．０mm,试样１由于焊接电流过低,粉末熔化不完全,导致飞溅严重,堆焊层成型性较差,厚度仅为２．５mm.以下两点导致了焊接电流对堆焊层硬度的影响:①焊接电流越大熔池温度越高,稀释率也越高,基体中的铁元素扩散出来,形成了大量硬度较低的富铁化合物,导致堆焊层硬度整体下降;②当焊接电流为１１０A 和１４０A 时,组织中都形成了 NbC 颗粒,而在１７０A焊接电流下,无法在堆焊层中形成 NbC 硬质颗粒,铌还与其他元素结合析出了硬度过低的共晶化合物,因而堆焊层硬度相比１１０A 和１４０A 焊接电流下的大幅降低。
２．３ 焊接电流对堆焊层耐磨性的影响
图３为各组试样经过摩擦磨损试验后的表面磨损形貌.对比３组堆焊层的表面磨损形貌可以看出:试样２(１４０A)的磨损状况最轻,如图３b)所示,其磨损表面可以观察到存在大面积氧化及加工硬化现象,可以使得磨损变缓,最终形成较为平整的磨损表面[１０];其次为试样３(１７０A),在磨损过程中部分脱落的小颗粒进一步磨损其表面,导致磨损表面存在着清晰的犁沟[１１],如图３c)所示;磨损最为严重的为试样１(１１０A),其磨损表面的犁沟较试样３的更为严重,如图３a)所示.磨损过程中在切应力及压应力的共同作用下,部分大颗粒出现脱落现象,造成了孔洞的出现[１２];同时,对磨面摩擦产生的疲劳还导致了裂纹的产生.表２是３组试样堆焊层摩擦磨损试验后的质量损失.从表２可以看出,经过摩擦磨损试验后质量损失最多的为试样１,其次为试样３,质量损失最少的是试样２.以磨损量来计算相对耐磨性,试样 ２堆焊层的耐磨性比试样１的高１３７．５％,试样３堆焊层的耐磨性比试样１的高４７．６％.
３ 结论
(１)采用等离子堆焊技术在不锈钢表面制备镍基铌复合堆焊层,当焊接电流为１１０A 时,由于热输入量过低,粉末熔化不完全,被保护气吹离堆焊层,导致堆焊层较薄;当焊接电流为１７０A 时,堆焊层中未形成 NbC颗粒硬质相,较高的热输入量使得稀释率过大,影响了堆焊层的耐磨性能;当焊接电流为１４０A 时,堆焊层的成型及性能最优。
(２)当焊接电流为１１０A 时,堆焊层硬度最高;当焊接电流为１４０A 时,堆焊层硬度次之;当焊接电流为１７０A 时,堆焊层硬度最低.用磨损量计算,当焊接电流为１４０A 时,堆焊层的耐磨性最优,当焊接电流为１７０A 时,堆焊层耐磨性次之,当焊接电流为１１０A 时,堆焊层耐磨性最差.对比得知,当焊接电流为１４０A时,堆焊层的综合性能最好。
（文章来源：材料与测试网-理化检验-物理分册）