探討多元合金鐵基堆焊層的熱處理工藝

摘要：熱處理是提高堆焊材料綜合力學(xué)性能的有效手段，可充分發(fā)揮堆焊材料的潛能。為此，文章采用一種多元合金鐵基堆焊焊條進(jìn)行堆焊，探討了該堆焊層在不同熱處理工藝條件下的組織和硬度，并確定出堆焊層合理的熱處理工藝。

關(guān)鍵詞：合金鐵基；堆焊層；熱處理；回火；淬火

中圖分類號(hào)：TG113文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-1145（2009）03-0113-02

堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一層具有較高的高溫強(qiáng)度、耐磨性及良好的抗熱疲勞等性能材料的表面改性技術(shù)，已成功應(yīng)用在修復(fù)軋輥、冷熱模具、齒輪等易損件上，并取得明顯的經(jīng)濟(jì)效益。通過對(duì)多元合金鐵基堆焊層的組織、性能和熱處理制度之間的關(guān)系進(jìn)行分析，研究了多元合金鐵基堆焊層的熱處理工藝。結(jié)果表明，加熱溫度在800℃～950℃范圍內(nèi)，堆焊層經(jīng)正火處理后的硬度值為32.5HRC～34.3HRC，而淬火后堆焊層的硬度隨加

熱溫度的升高而增大，但回火穩(wěn)定性較低。該堆焊層的最佳熱處理工藝應(yīng)為焊后經(jīng)560℃×2h回火處理。

一、試驗(yàn)材料與方法

堆焊焊條的焊芯材料為H08A鋼，直徑為4mm，采用低氫型堿性藥皮，并在藥皮中加入適量的含W、Mo、Ni、Cr、V元素的各種合金粉及稀土氧化物制備出含稀土及多元合金鐵基堆焊焊條。用ZX5-250型直流電焊機(jī)將自制的多元合金鐵基堆焊焊條在40Cr鋼上進(jìn)行堆焊成試樣塊，其堆焊層的厚度為3mm～4mm。取一部分試樣在SX-4-10箱式電阻爐中分別進(jìn)行不同加熱溫度和保溫時(shí)間的回火試驗(yàn)。另取一部分試樣分別加熱到800、850、900、950℃保溫0.5h后，分別采用空冷（正火處理）和N32油冷（淬火處理），然后再對(duì)經(jīng)950℃油冷的試樣分別進(jìn)行200、400、500、600℃保溫2h的回火試驗(yàn)。試樣處理完后，用砂輪將其表面磨光，用HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)試不同狀態(tài)試樣的硬度值（取3塊試樣的平均值），并結(jié)合Neophot21型光學(xué)顯微鏡和/max-rB型X射線衍射儀（XRD）對(duì)堆焊層顯微組織進(jìn)行分析。

二、試驗(yàn)結(jié)果與分析

（一）焊后回火處理對(duì)堆焊層硬度的影響

由圖1（a）可見，堆焊層的焊態(tài)硬度為54HRC，低溫回火時(shí)堆焊層硬度值變化不大，當(dāng)溫度為560℃時(shí)，其硬度（56.5HRC）略有提高，然后隨回火溫度的升高，硬度呈下降趨勢(shì)。由圖1（b）可看出，堆焊層硬度隨保溫時(shí)間的延長而增大，當(dāng)回火2h以后堆焊層硬度基本不變。從回火處理來看，該焊態(tài)堆焊層具有較高的回火穩(wěn)定性和二次硬化現(xiàn)象，回火處理應(yīng)為560℃保溫2h。

（二）正火和淬火處理對(duì)堆焊層硬度的影響

由圖2（a）可見，堆焊層在800℃～950℃范圍內(nèi)正火，其硬度值隨加熱溫度的升高變化不大，為32.5HRC～34.3HRC；對(duì)油冷淬火處理來說，堆焊層硬度隨淬火溫度升高而逐漸增大，當(dāng)淬火溫度為950℃時(shí)，其硬度達(dá)53.5HRC。堆焊層經(jīng)950℃淬火后用不同溫度回火2h所得硬度如圖2（b）所示，可見堆焊層硬度隨回火溫度的升高而降低。由上述結(jié)果可看出，在本試驗(yàn)范圍內(nèi)，堆焊層經(jīng)正火和淬火處理后的硬度均低于堆焊層焊態(tài)硬度值， 且淬火后堆焊層的回火穩(wěn)定性不如焊態(tài)堆焊層的回火穩(wěn)定性高。

（三）討論

由于堆焊溫度較高，堆焊后，致使大量的W、Cr、Mo、V等合金元素在隨后的冷卻過程中來不及以合金碳化物的形式析出而保留在堆焊層的基體中，形成過飽和的馬氏體（M）和奧氏體(γ)（見圖3a 和圖4a），導(dǎo)致焊態(tài)堆焊層硬度較高。因?yàn)镃r、Mo、W 和V 都是碳化物形成元素，與碳原子的親和力強(qiáng)，在隨后的回火過程中，減慢碳的擴(kuò)散速度，延緩了碳化物的析出和長大，從而提高了回火過程馬氏體和殘余奧氏體的分解溫度；同時(shí)，稀土元素化學(xué)活性強(qiáng)，與碳原子也有較強(qiáng)的親和力，因此，稀土元素的加入能阻礙和減緩C和合金元素原子的擴(kuò)散，抑制碳化物的析出，其結(jié)果推遲了回火轉(zhuǎn)變的過程，故焊態(tài)堆焊層具有較高的回火穩(wěn)定性。隨回火溫度的進(jìn)一步的升高，由于殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體及細(xì)小的合金碳化物析出，導(dǎo)致堆焊層硬度有所升高，當(dāng)回火溫度為560℃時(shí)，堆焊層的硬度呈極大值，出現(xiàn)二次硬化現(xiàn)象。由XRD分析結(jié)果（圖4b）可見，堆焊層焊態(tài)經(jīng)560℃回火后，堆焊層組織中奧氏體消失，但并無合金碳化物的出現(xiàn)，這可能是XRD精度低的緣故。

對(duì)隨后的正火處理來說，焊態(tài)堆焊層重新加熱到奧氏體化溫度時(shí)，部分固溶于過飽和馬氏體和奧氏體中的合金元素將以合金碳化物的形式析出，使基體中碳和合金元素含量降低，在隨后的空冷過程中堆焊層組織主要為珠光體和鐵素體（見圖3b），故其硬度較低。對(duì)隨后的淬火處理來說，由于奧氏體中合金元素含量降低，其淬透性差，表現(xiàn)在800℃淬火時(shí)，淬火組織得不到馬氏體，其組織與正火組織相同，所以其硬度較低。隨加熱溫度的升高，析出的合金碳化物又重新溶入奧氏體內(nèi)，淬透性增大，淬火態(tài)堆焊層組織中出現(xiàn)馬氏體(見圖3c)，堆焊層硬度有所提高。淬火溫度越高，溶入奧氏體中的碳和合金元素越多，淬火組織出現(xiàn)馬氏體的數(shù)量越多，淬火后其硬度也就越高，與試驗(yàn)結(jié)果相符合。由試驗(yàn)結(jié)果還可看出，淬火后堆焊層的回火穩(wěn)定性較焊態(tài)堆焊層的回火穩(wěn)定性低，這可能是淬火后堆焊層中馬氏體中含合金元素?cái)?shù)量較焊態(tài)堆焊層中馬氏體中含合金元素?cái)?shù)量少的緣故。

三、結(jié)論

1．該多元合金鐵基焊態(tài)堆焊層組織主要為馬氏體和殘余奧氏體，具有較高的硬度和回火穩(wěn)定性。

2．加熱溫度在800℃～950℃范圍內(nèi)，對(duì)正火處理來說，堆焊層經(jīng)正火處理后的硬度值為32.5HRC～34.3HRC；對(duì)淬火處理來說，堆焊層的硬度隨加熱溫度的升高而增大，但淬火處理后堆焊層的硬度和回火穩(wěn)定性均較焊態(tài)堆焊層的低。

3．該多元合金鐵基堆焊層的最佳熱處理工藝應(yīng)為:焊后經(jīng)560℃保溫2h回火處理。

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作者簡介：黃建寧（1954- ），深圳市水務(wù)集團(tuán)鹽田港水廠機(jī)械工程師，研究方向：金屬材料、熱處理、城市水務(wù)水利。