噴粉方式對(duì)CO2 氣體保護(hù)焊堆焊層組織及其耐磨性的影響①

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)

0 引 言

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(duì)焊層耐磨性能的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

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(duì)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(hào)CO2氣體保護(hù)焊，配備噴射送粉裝置.采用自動(dòng)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(dòng)行走小車，對(duì)工件表面進(jìn)行自動(dòng)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(dòng)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(duì)已打磨好堆焊層測(cè)定3 點(diǎn)HRC，取其平均值.用顯微硬度計(jì)(HXS－1002K)測(cè)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(cè)定，試 件尺寸8mm×8mm×18mm，對(duì)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(cè)定磨損前后試樣重量變化，得出試樣的失重率，評(píng)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

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堆焊層外觀形貌

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

2.2 堆焊層硬度

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

2.3 堆焊層耐磨性

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(shí)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(duì)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.

2.4 堆焊層相分析

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.

2.5 堆焊層金相組織及能譜分析

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.

3 結(jié) 論

(1)通過槍內(nèi)和槍外送粉方式的改變，對(duì)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.

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