芯棒表面堆焊材料组织与耐磨性能分析

2019-04-18李亮

冶金设备 2019年1期

李亮

(大连华锐重工特种备件制造有限公司辽宁大连116052)

在定管定壁中起关键作用的芯棒是连轧管机组中不可或缺的工具。但由于其服役的工况十分恶劣[1,2]，芯棒表面经常发生不同程度的划痕、裂纹乃至严重磨损，进而影响整个机组的运转。由于芯棒材质一般为H13钢，制造成本高，采购周期长，因此延长芯棒使用时限，提高芯棒表面抗磨性能，具有巨大的经济意义[3]。

由于芯棒的磨损失效都发生在其表面，故在其表面覆盖上一层高性能材料不仅能提高其抗磨损性能，还可以对本体多次利用。现在常见的表面改性技术有：涂镀法[4]、堆焊法[5]和激光熔覆法[6]。其中由于堆焊法相比于熔覆法价格更低廉，还可以克服涂镀法涂层较薄的缺点[7]，能获得性能优良的复合涂层[8]。本文在H13钢基体上堆焊一定厚度的耐磨材料，对堆焊层的组织形貌、相组成及摩擦磨损性能进行分析，并与基体组织进行对比分析，为后续的复合制造提供参考数据。

1 试验介绍

1.1 试样制备

试样基体采用H13钢基体材料，规格为80mm×50mm×30mm。堆焊前先用喷砂机对其表面进行喷砂处理，完全去除基体表面氧化膜，保证露出金属光泽，然后进行堆焊。堆焊材料采用中冶建筑研究有限公司生产的104-S和108-S两种埋弧堆焊药芯焊丝，并配用专用的焊剂。药芯焊丝和焊剂的化学成分见表1，具体堆焊工艺参数见表2所示。

表1 药芯焊丝化学成分(质量分数%)

表2 焊剂化学成分(质量分数，%)

表3 堆焊工艺参数

1.2 试验方法

采用日立S-3400扫描电子显微镜对熔覆组织进行观察，用岛津7000型X射线衍射仪对试样进行相结构分析。使用HVS-1000维氏硬度计对整个堆焊层横截面进行硬度测试，加载压力为200g，加载时间为15s。采用MMU-5G销盘磨损机对堆焊件φ15mm×20mm进行磨损测试，实验压力为100N，转速为100r/min，时间10min，对磨材料为Cr12MoV。

2 试验结果及分析

2.1 堆焊层焊态组织形貌

图1是104-S堆焊层焊态的组织形貌。从图1a中可知，试样近表面处的组织是由马氏体和残余奥氏体组成。其中颜色稍深一点区域是马氏体，近似于网状结构；而略微凸起，平滑的白色块状区域是残余奥氏体。在图1b中，近母材处虽然也由马氏体与残余奥氏体组成，但可以明显看出该处的马氏体组织比较粗大，残余奥氏体相对于近表面处也略有下降。这是由于近表面处合金元素含量高，奥氏体稳定，只有在较低的相变温度才能转为了隐晶马氏体，故奥氏体含量较高；而在近母材处，由于合金元素的稀释，奥氏体稳定性下降，马氏体转换比例变大，故残余奥氏体减少。

图2中可以看出108-S试件在近表面处的组织为平坦且颜色较深的块状残余奥氏体，大块平行的板条状是上贝氏体组织，小块杂乱且很细的是马氏体针状组织，近母材处则以针状马氏体为主，并带有少量的块状贝氏体。

图1 104-S堆焊层焊态组织形貌

图3为104-S试样经650℃高温回火后的组织形貌。由图3a中可知，在近表面处略显凹入的灰白色区域是原来隐晶马氏体分布的位置。虽然马氏体退化后，边缘变得模糊，但仍可大致看到原来的边界，而深灰色块状组织是残余奥氏体。由图3b中可知，近母材处的马氏体退火后，虽然能看到这些组织原来的针状形貌，但边界更加模糊且残余奥氏体较少。

图2 108-S堆焊层的组织形貌

图4为108-S试样经650℃高温回火后的组织形貌。由图4a中可知，经过回火处理后，近表面处原来的平坦深色的残余奥氏体几乎没有变化，但是大量呈片状。针状有细网状结构的组织则退化成贝氏体和马氏体。由图4b中可知，近母材处的组织变化最大，马氏体组织已经完全不可见，只能发现索氏体组织。

2.2 X射线衍射分析

图5对应的是焊芯为104-S和108-S所对应的试样回火后的X射线衍射结果。虽然两种药芯焊丝成分有所不同的，但在图中均只发现Fe-Cr合金固溶体相，没有出现明显的碳化物等硬质相峰值，这可能是因为其他元素含量较少，衍射峰强度很低所致。

图3 104-S堆焊层回火后的组织形貌

图4 108-S堆焊层回火后的组织形貌

图5 堆焊层试样的XRD分析图

2.3 硬度测试

图6 回火后堆焊层硬度

图6为两种回火试样的显微硬度曲线。回火后两种试样的母材部分的硬度均在140HV左右，104-S回火试样堆焊层的硬度在320HV左右，而108-S回火试样的硬度略高，达到340HV左右。这是因为108-S药芯焊丝中加入的Cr能与C形成硬质强化相。同时N含量的增加，也能替代部分C元素提高强化效果。

2.4 耐磨性测试

图7和图8分别为两种回火试样的摩擦系数曲线与磨损失重图。从图中可以看出两种回火试样的摩擦系数相差不大，回火后的104-S和108-S试样的摩擦系数分别为0.64和0.65。但从磨损失重来看，108-S回火试件更耐磨一些，这与108-S回火试样的较高硬度相对应。相对于母材失重8.8mg，堆焊层的失重仅分别为3.7mg和3.2mg，涂层耐磨性能优良，耐磨性提高近3倍。