張金深　李輝　武愛兵

摘要： 采用3種商用堆焊合金材料和3種堆焊工藝分別在Q345R，316L基材上制備9種耐磨層。采用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡對堆焊合金的組織和形貌進行表征。利用圖像分析軟件、洛氏硬度計和摩擦磨損試驗機對耐磨層的孔隙率、硬度和耐磨性進行測試。結果表明，堆焊層的孔隙率均在3.5%以下，大部分在0.5%以下。碳化物的尺寸、形狀、分布和化學成分，以及基體組織決定了堆焊層的耐磨性，HF600焊接材料+GMAW工藝制備的試樣具有最好的耐磨性。

關鍵詞： 煤化工設備; 堆焊; 耐磨層; 組織

中圖分類號： TG 455

Abstract： Nine kinds of wearresistant layers were prepared on Q345R and 316L substrates by three different hardfacing processes with three commercial hardfacing alloy materials. Microstructure and morphology of the hardfacing alloy were characterized by optical microscope and scanning electron microscope. The porosity， hardness and wear resistance of wear layer were tested by image analysis software， rockwell hardness tester and friction and wear testing machine. The results showed that the porosity of hardfacing layer was below 3.5%， most were under 0.5%. The wear resistance of hardfacing layer was determined by the size， shape， distribution and chemical composition of the carbides， as well as by the matrix microstructure. The best wear resistance was obtained in HF600 hardfacing alloys and GMAW（Gas metal arc welding） process samples.

Key words： ?coal chemical equipment;? hardfacing;? wear resistant layer;? microstructure

0 前言

磨損是機械零部件三大失效形式之一。據(jù)統(tǒng)計，磨損導致構件損壞約占總失效的70%～80%，磨損失效不僅會造成大量的資源浪費，還可能直接或間接的

造成事故[1-4]。在煤化工領域，設備和管道由于磨損帶來的失效更是頻頻出現(xiàn)[5-7]。煤氣化過程中黑水和爐渣常對真空閃蒸罐和渣放料罐等設備也會產(chǎn)生嚴重的磨損。堆焊是一種常用的提高設備表面性能的技術手段，通過焊接將合金均勻地沉積在軟材料（通常是低碳鋼或中碳鋼）的表面上，以提高表面的硬度和耐磨性，而不顯著降低延性和韌性。目前商業(yè)上有各種各樣的堆焊合金可用來防止磨損，針對煤化工設備，國內設計公司及制造商常堆焊鈷基材料達到抗磨損的效果，但其價格昂貴、工藝復雜、容易出現(xiàn)焊接裂紋并且修復困難[8-9]。因此選擇一種合適的堆焊合金及相應的堆焊工藝來代替昂貴的鈷基合金堆焊是當前工程上亟需解決的一個問題。

該文選擇不同堆焊材料和堆焊工藝制備一系列的耐磨堆焊層，通過與鈷基焊材比較，篩選出了價格合理、性能優(yōu)良的耐磨堆焊合金及工藝，用于指導實際工況的耐磨層選材工作。

1 試驗

1.1 材料選擇和工藝設計

堆焊母材為Q345R和316L鋼板，堆焊層材料為商用的HF600，ERCCoCrA，GFH51O，該文同時考慮單層堆焊和雙層堆焊，其中過渡層材料為ER309LMo，母材及焊材的主要化學成分見表1。制備的不同堆焊層的焊材及焊接方法見表2、表3。堆焊后分別進行在620 ℃進行焊后熱處理。

1.2 結構表征

采用金相顯微鏡（OM，Axiovert 40MAT，Carlos zeiss）對耐磨層的組織進行表征。浸蝕液為4%硝酸酒精溶液。采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM， Zeiss，SUPRA55，德國）對耐磨層表面形貌進行觀察。測試前，樣品經(jīng)過噴金處理。

1.3 性能測試

采用圖像法對堆焊層的孔隙率進行計算，所用軟件為Image Proplus 6。采用HR150DT型洛氏硬度計對堆焊層的硬度進行測量。每種樣品選取10個不同點進行測量，結果表示為平均值±標準偏差。對于耐磨層，硬度測量時所用壓頭為120°金剛石圓錐，載荷為1 500 N，硬度表示為HRC;對于Q345和316L，由于材料硬度較低，壓頭采用淬硬鋼球，載荷為1 000 N，硬度表示為HRB，為了便于比較，將HRB換算成HRC。耐磨性參考標準ASTM G9917，采用HT600型銷盤式高溫摩擦磨損試驗機進行。摩擦副選用Si3N4小球，設置載荷10 N，摩擦半徑4 mm，旋轉速度為365 r/min，時間為30 min。摩擦系數(shù)由系統(tǒng)軟件自動生成，磨損量由磨損前后試樣的質量損失表示。

2 結果與討論

2.1 表面形貌

圖1～圖3是9種堆焊層的表面形貌。1號、3號、7號、8號、9號試樣表面氣孔明顯較多。試樣表面都有一定的球狀物，其中1號、3號、4號、5號，8號、9號試樣表面的球狀物居多。可以看出，不加過渡層的單層堆焊工藝制備的堆焊層（7號、8號、9號試樣）表面質量較差。

2.2 孔隙率

圖4為堆焊層的孔隙率。1號、8號試樣表面層孔隙率較大，在1.7%～2.7%左右;2號試樣表面層的孔隙率最小，為0.04%，其余表面層都在0.5%以下;其中2號和8號試樣采用的是FCAW + ERCCoCrA，說明該工藝堆焊層孔隙率較差。采用FCAW+GFH51O的3號試樣其過渡層孔隙率最大，其余過渡層孔隙率都在0.5%以下。

2.3 硬度性能

圖5是耐磨層和基體表面洛氏硬度值。采用HF600材料制備的耐磨層硬度在51～55 HRC（1號、4號、7號試樣），采用ERCCoCrA材料制備的耐磨層硬度在46～50 HRC（2號、5號、8號試樣），采用GFH51O材料制備的耐磨層硬度在57～60 HRC（3號、6號、9號試樣）。均遠高于Q345和316L基體的硬度。說明選用鐵基焊材制備的堆焊層比鈷基焊材的硬度高。

2.4 耐磨性能

圖6和圖7是9種堆焊層及基體的經(jīng)磨損試驗后的磨損量和摩擦系數(shù)。所有耐磨層的耐磨性能均遠高于Q345基體，高于316L基體。2號、5號、8號試樣的耐磨性較其他耐磨層稍差。1號和4號試樣的耐磨性能最好。說明采用GMAW+HF600的耐磨性能最好，采用FCAW+ERCCoCrA最差。

2.5 耐磨性能分析

從硬度數(shù)據(jù)可以看出，焊材GFH51O堆焊的耐磨層硬度最高，其次是焊材HF600，鈷基焊材ERCCoCrA硬度最低。從耐磨性數(shù)據(jù)可以看出，焊材HF600的耐磨性能最好，焊材GFH51O稍低于HF600，焊材ERCCoCrA耐磨性同樣是最低。

堆焊層的硬度通常與堆焊層的組織有關[10-11]，特別是組織中的碳化物，在FeCrC系耐磨堆焊合金組織中常見的碳化物包括：M7C3型、M23C6型和M3C型，其中M7C3型具有密排六方點陣，硬度為1 200～1 800 HV，呈六角形桿狀及板條狀不連續(xù)的分布在奧氏體基體中;M23C6具有面心立方點陣，是以Cr為主的間隙碳化物，硬度為1 000～1 100 HV;M3C型具有滲碳體點陣，硬度為840～1 100 HV，呈網(wǎng)狀分布。高鉻鑄鐵組織中鉻的3種碳化物的種類與Cr含量和C含量有密切關系，只有當鉻含量較高，且鉻碳比在3.5～10.2之間時，才能得到初生M7C3型碳化物[12-13]。

圖8是4號試樣（焊材為HF600）和6號試樣（焊材為GFH51O）表面層的金相組織，2種表面層的組織均由初生碳化物與共晶組織組成，基體由馬氏體、奧氏體與鐵素體組成，經(jīng)XRD物相測定，初生碳化物和共晶組織的碳化物均為M7C3型碳化物，可以看出4號試樣的初生M7C3彼此孤立分布，切斷了基體的連續(xù)性，這是其具有良好的硬度和耐磨性的主要原因。HF600（含碳0.44%、含鉻9%、含硅3%）雖然其鉻碳比超過10.2，但由于硅的加入，影響了碳在奧氏體中的溶解度，促使碳脫溶，以碳化物的形式析出，使其仍獲得M7C3型初生碳化物。另外，硅的加入使基體中奧氏體含量減少，馬氏體含量增加，因而也大幅度提高了其耐磨性[14]。ERCCoCrA為鈷基合金（含鉻27%、含鎢4%），堆焊層組織主要包括γCo基體、彌散分布的析出相和碳化物。Cr，W，F(xiàn)e 等元素固溶于γCo中產(chǎn)生晶格畸變，提高基體的高溫抗氧化性能，鎢的原子尺寸比Co大，形成的M7C3碳化物彌散分布，提高了基體的硬度[15-16]。因此ERCCoCrA具有較好的耐磨性能。但與GFH51O焊材和HF600焊材相比，其耐磨性仍較低。2.6 焊材和工藝的選擇

綜合上述各項性能，可以發(fā)現(xiàn)耐磨性較好的是：1號、4號、6號、9號;硬度性能較好的是1號、3號、4號、6號、7號、9號;孔隙率較低的是2號、4號、5號、6號、7號;表面氣孔較少的是2號、3號、4號、5號、9號;另外從經(jīng)濟性來看：一般焊材合金元素越多，其價格也就越高，HF600（1號、4號、7號）僅含有約10%Cr，而GFH51O（3號、6號、9號）含有20%Cr，ERCCoCrA（2號、5號、8號）為CoCrW合金，因此價格方面HF600價格也最為合理。綜上所述，在煤氣化裝置耐磨材料及工藝上優(yōu)先推薦：中鉻的HF600+GMAW+雙層堆焊。

3 結論

（1） 焊材GFH51O和焊材HF600表面硬度高于焊材ERCCoCrA，其中采用FCAW工藝制備的9號試樣堆焊層硬度最大。

（2） 所制備試樣的堆焊層、過渡層和基體之間的結合良好。堆焊層和過渡層的孔隙率均在3.5%以下，大部分在0.5%以下。

（3） 9種耐磨層的耐磨性能均遠高于Q345基體，高于316L基體。采用HF600焊材和GMAW工藝制備的試樣具有最好的耐磨性;其次是GFH51O焊材和FCAW工藝制備的試樣。

（4） 堆焊層組織中M7C3型碳化物是硬度和耐磨性大幅度提高的關鍵，其中Cr含量提高耐磨性的主要元素。Si含量的添加可以改善碳化物的分布，助于提高耐磨性。

參考文獻

[1] 屈曉斌， 陳建敏， 周惠娣， 等. 材料的磨損失效及其預防研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 摩擦學學報， 1999， 19（2）： 92-97.

[2] 劉政軍， 勾健， 賈華， 等. FeCrCBNb堆焊合金的顯微組織和耐磨性[J]. 焊接學報， 2018， 39（3）：75-78.

[3] 李慕勤， 蔡丁森， 莊明輝， 等. 農機犁鏵堆焊組織結構仿生設計與耐磨性[J]. 焊接， 2017（5）： 1-6.

[4] 高飛， 牛靖， 王旭東， 等. 刮板輸送機中部槽等高子弧增材層的組織和耐磨性[J]. 焊接， 2019（11）： 8-12.

[5] 陳志飛. 煤氣化高壓黑水角閥沖蝕磨損過程數(shù)值計算[J]. 煤炭科學技術， 2018， 46（3）： 213-217.

[6] 孫宗禮. 甲醇制烯烴裝置工業(yè)化存在的問題及技術改造[J]. 煤炭科學技術， 2018， 46（S2）： 229-231.

[7] 偶國富， 龔寶龍， 李偉正， 等. 煤液化多相流輸送管道沖蝕磨損分布預測及分析[J]. 浙江理工大學學報， 2014， 31（3）： 247-251.

[8] 陳孫藝. 煤化工設備耐磨層堆焊試驗及技術應用[J]. 石油和化工設備， 2015（3）： 38-41.

[9] 李友誼， 羅揚， 洪杰， 等. 司太立鈷基合金GTAW堆焊工藝探研[J]. 焊接， 2013（4）： 62-65.

[10] Buchely M F， Gutierrez J C， León L M， et al. The effect of microstructure on abrasive wear of hardfacing alloys [J]. Wear， 2005， 259（1-6）： 52-61.

[11] Scandian C， Boher C，de Mello J D B， et al. Effect of molybdenum and chromium contents in sliding wear of highchromium white cast iron： The relationship between microstructure and wear [J]. Wear， 2009， 267（1-4）： 401-408.

[12] Zumelzu E， I Goyos， C Cabezas， et al. Wear and corrosion behaviour of highchromium （14—30% Cr） cast iron alloys [J]. Journal of Materials Processing Technology， 2002， 128（1-3）： 250-255.

[13] 楊威， 潘健， 黃智泉. 高鉻鑄鐵合金研究與發(fā)展的探討[J]. 新世紀水泥導報， 2010（1）： 42-46.

[14] 平超凡. 硅對高鉻鑄鐵高頻感應堆焊層組織和性能的影響[D]. 鄭州： 鄭州大學碩士學位論文， 2017.

[15] Xu Y T， Lou D C， Xia R L， et al. Microstructure and microhardness of Co8.8Al9.8W superalloy cladding layer with different boron content [J]. China Welding， 2017， 26（4）： 48-55.

[16] 尹燕， 潘存良， 趙超， 等. 激光熔覆高鉻鐵基合金的組織形成機制及對顯微硬度的影響[J]. 焊接學報， 2019， 40（7）： 114-120.