电流对高铬预置堆焊合金组织及耐磨性的影响.pdf

CONSTRUCTION MACHINERY 672023/09总第571期电流对高铬预置堆焊合金组织及耐磨性的影响聂 军，田 兵，娄卫清（中联重科集团股份有限公司，湖南 长沙 410000）摘要共晶碳化物形态影响高碳铬铁的耐磨性。采用高铬药芯焊丝自保护明弧堆焊预置合金粉末从而形成高铬堆焊合金，再借助金相显微镜、X射线衍射仪及扫描电镜等手段，考察了焊接电流对合金显微组织及耐磨性的影响。结果表明，随着焊接电流增加，母材稀释率增加，析出了M7C3、Fe3C、M2B、Fe2N等硬质相，M7C3尺寸和体积分数随之增大，洛氏硬度变化不大，磨损失重先轻微波动。450A时，适量的-Fe包裹初生M7C3相，合金层表现出了较好的硬度和耐磨性。关键词预置；高铬；堆焊；性能中图分类号G456.3 文献标识码B 文章编号1001-554X（2023）09-0067-05Effect of current on structure and wear resistance of high chromium prefabricated surfacing alloyNIE Jun，TIAN Bing，LOU Wei-qing将预置合金粉末明弧堆焊于Q235等低合金钢，是一种非常经济、便捷、有效的制作大面积耐磨合金的方法1，2。美国、德国、加拿大、澳大利亚等国家已将这一技术应用于矿山、冶金、机械等领域。2008年，Karaoglu S教授指出，焊接电流是影响熔池熔深及焊接合金的最重要因素3-5。较大的焊接电流会使母材产生较大的稀释率，从而使堆焊合金层出现体积分数较高的鱼骨状或片状变态共晶（-Fe+（Fe，Cr）3C）组织6。该类组织在外加冲击载荷作用下容易产生裂纹，这些裂纹容易快速扩展使熔覆金属层脱落，从而降低熔覆层合金的耐磨性7，8。为提高熔覆层合金元素含量，同时降低Q235母材对稀释率的影响，本文研究了焊接电流对高铬药芯焊丝明弧堆焊预置合金粉末型合金的显微组织及耐磨性的影响。1 试验方法1.1 堆焊合金的制备将分别过60目筛的高碳铬铁、钒铁、硅铁、中碳猛铁、石墨、还原铁粉混合均匀，由YHZ-1药芯焊丝成型机用H08A钢带将这些粉末包裹，随后轧制成4.5mm的焊丝，再用模具逐步拉拔至3.2mm。用阿拉伯胶与上述成分相同的粉末搅拌均匀，置于150的烤箱2h，待其完全干燥以后再放置在修磨好表面铁锈的规格为180mm75m-m20mm的Q235试板上，然后用制作好的药芯焊丝采用电压30V、焊接速度18cm/min、电流如表1所示的参数制作好6个试样。表1 高铬药芯焊丝堆焊电流样品1号2号3号4号5号6号电流A4104304504704905101.2 堆焊合金的显微组织、相组成及力学性能的分析用电火花切割机从试样中间位置垂直切取12mm（长）10mm（宽）的金相试样，经打磨、抛光、清洗、吹干后用D/MAX2550VB型X射线衍射仪分析堆焊表层合金的相组成。参数：CuKa辐射，管电压40kV，管电流250mA，扫射速度1/min，扫射角度2590，步长0.02。DOI:10.14189/ki.cm1981.2023.09.007收稿日期2023-02-21通讯地址田兵，湖南省长沙市长沙县中联重科泉塘工业园68 建筑机械SURVEYING专题论述用体积分数为4%的硝酸酒精腐蚀上述试样2min，用HFX-A显微镜观察其组织，用JSM-6360LV扫描电镜分析其合金组织形貌，以其附属能谱仪Oxford7854探测试样微区成分。用电火花切割机切割试样靠中间部位制备58mm26mm6mm的耐磨试样，磨平表面，用MLS-225型湿沙橡胶轮式磨损试样机进行耐磨性测试。参数：橡胶轮直径170mm，橡胶层邵氏硬度80，橡胶轮转速240r/min，载荷24.5N，选用4050目的石英沙1500g混合1000g的自来水作为磨浆。试样先预磨1000转后取出，清洗吹干，再用电子天平称重M1，继续磨1000转后清洗吹干，用电子天平称重M2，M=M1-M2即为试样磨损失重，最后用DT-150光学显微镜分析磨损形貌。2 试验结果与分析2.1 工艺性能表2列举了410A、430A、450A、470A、490A、510A焊接电流下的各项工艺性能。电流低时，熔池温度偏低，电弧吹力偏小，熔池表面张力大，熔融合金的流动性差。随着电流的增强，这种情况有所改善，焊缝成型性能随电流的加大逐渐变好，单位时间内电弧熔化的药芯焊丝量增大。当电流达到490510A时，产生的自保护气体量明显增多，电弧吹力继续增大，熔滴内部压力随之增加，到一定程度时，熔滴内部气体膨胀爆炸所产生的飞溅增多。随电流的增加，熔滴由短路过渡变为细颗粒过渡，并且电流增大的同时电弧吹力在增大，对熔池的搅拌作用在增强，有利于焊渣的浮出，因此夹杂物含量的总体变化趋势是变少。随着电流的增加，焊接所产生的高温蒸汽温度增高，电弧吹力增大，使更多的合金元素被吹出熔池并与氧结合，从而使得焊接烟尘增多。表2 明弧堆焊工艺性能比较试样标号飞溅烟尘残渣成型一层二层一层二层一层二层1号少较多少多少一般一般2号少较多少少少一般一般3号少少少一般少一般较好4号少少少一般一般较好好5号少较多较多一般一般好好6号较多较多较多多一般好好图1为1号-6号堆焊合金经4%的硝酸酒精腐蚀后的横截面图，其中灰白色的是热影响区+母材组成的基体组织，深灰色的是焊缝+熔合区形成的堆焊层。采用Imagepro Plus软件分别计算熔合区面积和焊道总面积，得出：1号的稀释率为1.64%，2号为8.16%，3号为9.17%，4号为12.52%，5号为13.01%，6号为15.26%。可见采用预置合金粉末明弧堆焊制作的合金稀释率较低，在低电流的情况下堆焊组织与母材并未熔合，随电流的增加，熔深增加，稀释率增加。由图1还可知，4号和5号在第三层、第二层与第三层的接口处有很明显的气孔。a 1号b 2号c 3号d 4号e 5号f 6号图1 不同电流下预置合金粉末型药芯焊丝合金横截面宏观图CONSTRUCTION MACHINERY 692023/09总第571期2.2 电流对铺粉型高铬合金显微组织的影响分析图2（a）、（b）、（c）分别为1号、4号、6号的表层堆焊组织的XRD谱。由图可知，铁素体、奥氏体、马氏体组成合金的基体组织，M7C3、Fe3C、M2B、Fe2N等组成合金的硬质相，其中M代表Fe、Cr等元素。对比图中1号、4号、6号各相的衍射峰强度可知，随着堆焊电流的增加，-Fe（220）相逐渐减少，直至6号中完全消失，新产生了M2B相和马氏体衍射峰并继续增强，在4号和6号中产生了Fe3C相。明弧堆焊是一个极速凝固过程，合金中的成分未完全均匀就凝固。其中低碳的-Fe在快冷过程中转变为-Fe，随着电流的增加熔池保持高温状态的时间更长，熔池搅拌作用更强，更多的Mn、Cr、B等合金元素融入了高碳的-Fe从而提高了其稳定性。快冷过程中，形成了马氏体，随着电流的增大，熔融合金中的成分不均匀现象得到减弱，因此残余奥氏体相在减少，更多的-Fe失稳转变为M2B+Fe3C，且这种现象随着电流的增加越来越明显，因此M2B（022）和（311）、马氏体（101）和Fe3C（020）和（211）相数量逐渐增加。根据张文钺的理论，提高焊接电流，焊缝的热输入量会增加，并使熔池在较长时间内保持较高的问题，导致合金中N的浓度增加，与Fe结合形成Fe2N，并且随着电流的增加Fe2N（121）增强，这说明随着堆焊电流的增加，合金的自保护效果在降低9。图3是在410A、430A、450A、470A、490A、510A电流条件下各堆焊合金表层的光学显微组织。结合XRD分析可知，图中呈六边形亮白色的是初生碳化物M7C3 相和Fe3C相，呈菊花状的是-Fe+M7C3型和-Fe+M7C3型共晶组织。随着电流持续增大，熔敷金属高温停留时间延长，初生碳化物在生长过程中得到了比较充足的合金元素，因此初生碳化物从（a）图的块状2545m，到（b）图时变成了60300m长的由大量奥氏体环绕着的板条状初生碳化物，到（c）图时初生碳化物变短为2030m的块状，均匀分布于合金中。并且随着越来越多的Cr、V、Mn等融入到初生碳化物中，固溶于奥氏体中的合金元素减少，由203040506070809005001000150020002500Intensity(cps)2()-Fe-M7C3-Fe(F)203040506070809005001000150020002500Intensity(cps)-Fe3C-Fe3C-Fe-Fe(F)-Fe(F)-M2B-martensite-Fe2N-Fe2N203040506070809005001000150020002500300035004000Intensity(cps)-martensite(C)a 1号b 4号c 6号M7C3-M2BM7C32()2()图2 1号、4号、6号的XRD谱 MS（）=539-423W（C）-30.4W（Mn）-17.7W（Ni）-12.1W（Cr）-7.5W（Mo）可知，基体的Ms值降低，稳定性增强，共晶转变为细小的M7C3碳化物的数量减少，从而产生了比较多的深黑色区域（铁素体），如图（b）、（c）、（d）、（e）所示黑色曲面面积逐渐增多10；随着电流的继续70 建筑机械SURVEYING专题论述增大，初生碳化物继续长大，到510A时，合金处于熔融状态的时间更长，有利于固溶于基体中的C向晶界发生非平衡偏聚，增加了基体中C的浓度，基体中析出的二次相增多，导致图中短棒状和米粒状的碳化物明显增多，因此从图（f）中可见大量的二次碳化物分布于横截面。50 m50 m50 m50 m50 m50 ma 1号b 2号c 3号d 4号e 5号f 6号图3 不同电流下的显微组织图4为4号表层堆焊合金硬质相形貌，区域（1）和区域（2）成分如下：（1）：C13.68%、Si5.67%、Cr6.46%、Fe74.20%；（2）：C29.59%、V2.62%、Cr30.51%、Mn1.80%、Fe35.48%。结合XRD分析，可知这两种相分别为残余奥氏体和M7C3。Si只会固溶于奥氏体中，不会存在于碳化物中。V是一种强碳化物形成元素，在熔融金属中C优先与其结合形成形核核心，然后在熔体中吸附其它元素形成初生碳化物，因此大量的V存在于M7C3中而在奥氏体中并没有V，溶液在冷却后形成亮白色的奥氏体或者是铁素体。图中亮白色的奥氏体包围着细颗粒状M7C3的组织是一种力学性能很好的组织。2.3 电流对堆焊合金硬度和耐磨性的分析图5为在其它条件不变的情况下，增加电流，相应的表层堆焊合金的硬度和磨损失重变化曲线图。当电流在410450A范围内，硬度呈缓慢递增的趋势，410A时为59.8HRC，430A时为61.2HRC，450A时为61.6HRC。在这一电流范围内，初生碳化物先增大后减小，增加了脆硬的Fe2N、Fe3C、马氏体以及M2B相，相应地比较软的基体相-Fe和-Fe百分含量减少，这些相百分含量的变化对于提高合金的硬度发挥了作用。6号、5号相比于1号、2号、3号、4号，共晶组织中析出了更多的碳化物，而且马氏体含量更多，因此总体而言6号与5号的硬度更高。（2）（1）图4 预置合金粉末型药芯焊丝表层堆焊合金的 背散射SEM图CONSTRUCTION MACHINERY 712023/09总第571期400420440460480500520404550556065 Hardness weight lossCurrent(A)Hardness(HRC)141516171819202122232425262728Weight loss(mg)图5 电流与高铬堆焊合金硬度和耐磨性的关系电流在410470A范围内时，堆焊合金的磨损失重变化不大，410A时为18.6mg，430A时为17.9mg，450A为18.2mg，470A时为18.4mg。在这个电流范围内，金相由初生的M7C3相+共晶组织组成，共晶组织由-Fe+析出M7C3组成或者是+M7C3构成。由XRD分析可知，-Fe占了相当大一部分并包裹着析出碳化物，在低应力磨损过程中变为很硬的马氏体，有效地阻止了犁沟的产生，同时避免了初生碳化物在磨损过程中被切断，因此在磨损形貌图6（a）、（b）、（c）中只是磨痕+少浅且小的剥落坑，并没有出现又大又深的剥落坑。5#、6#试样中-Fe在逐渐变少直至消失，不能继续给初生碳化物提供保护，且产生了大量的M2B、Fe3C和Fe2N相。在磨粒和橡胶轮的作用下，这些相与部分初生硬质相发生脆断，产生了大量的如图6（e）、（f）所示的比较大的剥落坑。50 m50 m50 m50 m50 m50 ma 1号b 2号c 3号d 4号e 5号f 6号图6 药芯焊丝表层堆焊合金的磨损形貌3 结论（1）随焊接电流的增加，熔池熔深增加，稀释率增加，焊接烟尘和残渣增多，表面成型变好。（2）随焊接电流增加，奥氏体减少，Fe2N增加，初生M7C3和Fe3C增加并长大，碳化物总含量增多；硬度先缓慢增加，再缓慢减少，后增加，最后稍有减小；合金的磨损失重先有小幅度波动，随后急剧增加，再减小；在450A电流时，合金磨损形貌以少量较浅的剥落坑+划痕为主，此时合金表现出了较好的硬度和耐磨性。参考文献1许可贵.大面积耐磨复合板堆焊自保护药芯焊丝外添加合金粉工艺研究D.北京：机械科学研究总院，2009.（下转第75页）CONSTRUCTION MACHINERY 752023/09总第571期3 结论为了评价含不同比例RAP材料的沥青混合料的马歇尔性能和抗车辙性能，本文采用马歇尔配合比设计方法，确定了RAP材料含量分别为0%、15%、25%和35%的4种沥青混合料的最佳粘结剂含量；进行了体积分析，以确保试验结果符合规范要求；采用弹性模量试验测定了混合料的刚度；采用沥青混合料车辙试验评价了混合料的抗车辙性能。得出以下结论：传统热拌沥青混合料与再生沥青混合料相比，（1）实验室试验结果表明，本研究使用的材料的物理性能满足规范要求。由于RAP材料长期暴露在环境和交通负荷中，其强度低于传统集料。（2）马歇尔试验结果表明，含有RAP材料的混合料的OBC随着RAP材料含量的增加而降低，这是由于RAP材料中粘结剂的影响。使用高百分比含量的RAP材料会影响马歇尔配合比设计的性能。（3）沥青混合料车辙试验表明，随着RAP材料含量的增加，抗车辙性能随之降低，但是RAP材料混合料仍具有足够的抗车辙性能。同时，仍需要对更高RAP材料含量的沥青混合料进行详细的研究和调查，以确保符合规范要求。参考文献1孙连水，尹利洋，尹茂群，等.再生类沥青混合料路用性能研究对比J.中国水运（下半月），2023，23（01）：123-125.2李硕，傅羽，封志虎，等.21世纪以来中国RAP材料历程基于CiteSpace的定量分析J.价值工程，2023，42（01）：161-163.3杜军锋，舒杨.道路基层再生沥青路面骨料的性能分析J.建筑机械，2023（01）：109-113.4曹源文，黄兴生，李成，等.热再生沥青路面养护车RAP加热均匀性分析J.重庆交通大学学报（自然科学版），2022，41（11）：112-117+160.5徐建国.基于不同比例RAP-HMA的车辙损害评估J.建筑机械，2023（01）：52-55.6金韶霞，张敏花，张云莲.沥青混合料马歇尔虚拟仿真实验平台建设J.科技资讯，2022，20（24）：190-194.7肖庆一，宇锦涛，龚芳媛，等.厂拌热再生混合料平衡设计法与马歇尔设计法的对比研究J.公路交通科技，2022，39（11）：26-35.8JTG D50-2006.公路沥青路面设计规范S.9CJJ 37-2012.城市道路工程设计规范S.10JT/T 670-2006.车辙试验机S.2马凤辉，李春范.中国药芯焊丝行业现状J.焊接，2003（02）：5-8.3Karaoglu 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