馬春力,馬 臣,李慕勤,王俊發(fā)
(佳木斯大學(xué) 教育部金屬耐磨材料及表面技術(shù)工程研究中心,黑龍江省佳木斯154007)
堆焊可以提高工件的使用壽命,顯著降低生產(chǎn)成本,減少了由于材料磨損、斷裂等帶來的損失,是一種重要的耐磨修復(fù)技術(shù)方法之一[1~4].近年來,耐磨堆焊材料和工藝技術(shù)取得了長足的發(fā)展,逐漸成為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)[5~8],耐磨合金粉體與堆焊技術(shù)復(fù)合方法得到應(yīng)用[9~11].文中采用CO2電弧堆焊,輔助高速粉末束流,利用利用H08Mn2Si 堆焊絲堆焊藥芯與高速粉末束流填充,在電弧作用下熔化發(fā)生冶金反應(yīng),進(jìn)一步提高堆焊層耐磨性.改變噴射送粉方式,研究槍內(nèi)與槍外送粉方式對焊層耐磨性能的影響.
Q235 鋼板為基體材料,尺寸為150 mm×40 mm×10 mm.氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲選為H08Mn2Si,直徑為1.2 mm.鉻鐵、鈦鐵、硼鐵、錳鐵為粉體原料,對其成分進(jìn)行優(yōu)化,其配比見表1.
表1 復(fù)合合金粉體配比(wt%)
利用唐山松下KRⅡ350CO2/MAG 型號CO2氣體保護(hù)焊,配備噴射送粉裝置.采用自動送粉機(jī),選取槍內(nèi)及槍外兩種送粉方式進(jìn)行復(fù)合堆焊.槍外送粉將送粉管裝卡在CO2氣體保護(hù)焊槍外側(cè);槍內(nèi)送粉將送粉管伸入到CO2氣體保護(hù)焊槍內(nèi).送粉噴嘴與CO2氣體保護(hù)焊槍成60°角度,粉體噴射到熔池中心,利用自行設(shè)計(jì)的自動行走小車,對工件表面進(jìn)行自動堆焊.堆 焊 工 藝 參 數(shù)為送粉CO2氣流量為3L/min,焊接電流為200A,焊接電壓為24V,焊接速度為100mm/min,擺動寬度20mm,噴射送粉量為15g/min.
圖1 槍內(nèi)與槍外送粉堆焊工藝焊縫成形
采用洛氏硬度對已打磨好堆焊層測定3 點(diǎn)HRC,取其平均值.用顯微硬度計(jì)(HXS-1002K)測試堆焊層截面的顯微硬度,加載載荷200g.采用ML-100 型的磨粒磨損機(jī)進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)失重量測定,試 件尺寸8mm×8mm×18mm,對磨件為124μm(120 目)石英砂砂布,固定轉(zhuǎn)數(shù)240 圈,轉(zhuǎn)速1rad/s,磨損行程70mm,加載正壓力31N.經(jīng)預(yù)磨后,用萬分之一天平測定磨損前后試樣重量變化,得出試樣的失重率,評定試樣的耐磨性.利用倒置金相顯微鏡(O-LYMPUS GX71)進(jìn)行堆焊層試樣的金相顯微分析.通過D3ADVANCE 型XRD 分析堆焊層的相組成,使用Cu 靶,波長1.5407×10-10m,步長0.02,掃速0.03 步/s,電壓40kV,電流40mA.
圖2 堆焊層的磨損失重率
圖3 槍內(nèi)與槍外送粉堆焊層磨損后表面形貌
圖1 為槍內(nèi)與槍外送粉堆焊外觀成形圖.槍外送粉試樣焊縫表面粗糙,可能是表面未熔合金粉末所致;槍內(nèi)送粉試樣焊縫表面更加光滑,基本上看不到未熔化的合金粉末.與槍外相比,堆焊層成形美觀,焊縫兩側(cè)沒有出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象.
圖4 槍外與槍內(nèi)送粉堆焊層XRD 圖譜
圖5 堆焊層頂部金相組織圖(×500)(a)in tube (b)out tube
表1 和表2 分別為堆焊層的洛氏硬度與維氏硬度結(jié)果.洛氏硬度表明槍內(nèi)送粉方式試樣的硬度值高于槍外送粉方式試樣,結(jié)合顯微硬度結(jié)果可知兩種送粉方式材料的母材和熔合區(qū)顯微硬度比較接近,從母材到焊縫顯微硬度逐漸增大,由焊縫底部到焊縫表面,顯微硬度由小到大變化,其中靠近焊縫表面的顯微硬度最大.槍內(nèi)送粉方式試樣,顯微硬度比槍外送粉方式堆焊層明顯提高,說明送粉方式的改變,使合金粉末比較均勻的熔入到焊縫當(dāng)中,從而提高堆焊層的硬度.
表2 堆焊層洛氏硬度值
表3 堆焊層維氏硬度值
槍內(nèi)送粉堆焊層的失重率最大值小于0.2%,小于槍外送粉工藝中試樣層的耐磨性高于槍外送粉工藝的耐磨性能,主要原因是槍內(nèi)送粉可以將較細(xì)的粉體成功送入熔池中,細(xì)小的粉體能夠及時熔入到堆焊層中,形的磨損失重率0.3%.說明噴堆相同的合金粉體,槍內(nèi)送粉工藝獲得的堆焊成彌散相,從而使得堆焊層的耐磨性明顯增加.圖3 為經(jīng)過磨損后試樣表面形貌,槍外送粉方式試樣經(jīng)過磨損后表面存在較深的劃溝,磨削量較多(圖3a).圖3b 為槍內(nèi)送粉方式試樣磨損圖,其劃痕相對于槍外送粉方式較淺,說明其耐磨性能增加,該結(jié)果與失重率結(jié)果保持一致.
添加復(fù)合粉體后槍內(nèi)送粉與槍外送粉試樣堆焊層均形成了Cr-Fe 和Cr7Mn7C6合金碳化物.
相同放大倍數(shù)的金相圖片表明,槍外送粉堆焊層主要是針狀的馬氏體組織,晶界不明顯,圖中箭頭所示的白色位置為晶界處.比較槍外送粉,槍內(nèi)送粉工藝獲得的堆噴涂層晶界明顯,且粉體均勻分布于晶界處.
(1)通過槍內(nèi)和槍外送粉方式的改變,對堆焊層硬度,耐磨性及組織變化均有影響,槍內(nèi)送粉提高了合金粉末的利用率,硬度、耐磨性能顯的提高.
(2)相比較槍外送粉槍內(nèi)送粉焊縫成分更加均勻,焊縫組織晶粒更加細(xì)小致密.焊接冶金反應(yīng)能夠更加充分,Cr,Mn,B 等合金元素添加,增加了堆焊層的硬度,組織主要以馬氏體,貝氏體組織為主,并含有大量的碳化物.
[1] 王晶,張亦良,仇飛,等.雙相不銹鋼堆焊層應(yīng)力腐蝕性能評價[J].焊接學(xué)報(bào),2013,34(2):49-53.
[2] 劉雪梅,張彥華.高能速粉末堆焊技術(shù)[J].表面技術(shù),2005,34(4):9.
[3] 任艷艷,張國賞,魏世忠,等.我國堆焊技術(shù)的發(fā)展及展望[J].焊接技術(shù),2012,141(6):1.
[4] 王娟.表面堆焊與熱噴涂技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.
[5] 魏建軍,潘健,黃智泉,等.耐磨堆焊材料在水泥工業(yè)的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J].中國表面工程,2009,22(5):8.
[6] 單際國,董祖玨,徐濱士.我國堆焊技術(shù)的發(fā)展及其在基礎(chǔ)工業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].中國表面工程,2002,4:19-22.
[7] 馮萌,王智慧,賀定勇,等.Fe-C-Ti-Cr-B 系堆焊合金組織及耐磨性[J].焊接學(xué)報(bào),2012,33(1):89-92.
[8] Wang XH,Han F,Liu XM,et al.Microstructure and Wear Properties of the Fe-Ti-V-Mo-C Hardfacing Alloy[J].Wear,2008,265:583-589.
[9] 袁凱峰,尹柯,王軍.CO2焊/噴射高碳鉻鐵合金粉復(fù)合堆焊層耐磨性[J].焊接學(xué)報(bào),2011,32(8):25-29.
[10] 袁玉蘭.氣-粉混合保護(hù)焊技術(shù)的研究[D].天津:天津大學(xué),2006.
[11] 馬臣,馬春力,李慕勤,等.CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲噴粉-堆焊層組織及其耐磨性[J].中國表面工程,2012,25(2):115-119.