基于32Cr06材料的高耐磨堆焊層組織研究

張寶東，王思濤，王長順，金 濤，黃小天，侯 銳，姜 斌

(北京北方車輛集團有限公司 工藝技術(shù)中心，北京 100072)

基于32Cr06材料的高耐磨堆焊層組織研究

張寶東，王思濤，王長順，金 濤，黃小天，侯 銳，姜 斌

(北京北方車輛集團有限公司 工藝技術(shù)中心，北京 100072)

使用多元碳化物合金焊絲在32Cr06基體上進行了堆焊工藝試驗，對堆焊層和碳化物進行了顯微組織分析，并測試了堆焊金屬的硬度。結(jié)果表明，堆焊金屬表層在回火后利用馬氏體基體上沉淀析出的碳化物得到強化，回火后的組織為均勻分布的針狀馬氏體、少量殘余奧氏體和彌散分布的富鉻化合物質(zhì)點，當堆焊電流變化時，堆焊層的硬度和晶粒尺寸也隨之變化，并且會引起堆焊裂紋變化。

碳化物；硬度；微觀組織；堆焊

表面堆焊是表面強化技術(shù)中應用最廣泛的一種強化技術(shù),堆焊金屬中采用碳化物作為硬質(zhì)相可以提高堆焊金屬的耐磨性,常用的碳化物元素是Cr和W[1]；但是，Cr 和W等元素為中強碳化物元素,在形成碳化物的同時,對基體的固溶強化作用較強,易造成基體脆化,從而降低焊縫抗裂性,限制了表面堆焊技術(shù)的應用。為了提高堆焊性能，相繼開發(fā)了Fe-Cr-V耐磨堆焊合金、Fe-Cr-C 系高碳高鉻耐磨堆焊合金和Cr2Mn2W2Mo2V耐磨堆焊合金等，同時對界面進行了研究，并通過熱處理工藝對堆焊進行強化。

本文采用多元碳化物合金復合系統(tǒng)的焊絲對32Cr06基材進行堆焊，以期獲得良好的成形性能和組織，為多元碳化物合金焊絲的進一步開發(fā)和32Cr06堆焊工藝提供參考。

1 試驗材料及方法

堆焊試驗的基體材料為32Cr06，堆焊金屬為多元碳化物合金(Cr、Mo、W、V)復合系統(tǒng)。堆焊材料采用焊絲，直徑為3 mm，其化學成分見表1。采用MAG和TIG分別進行堆焊試驗，混合氣體為95%Ar+5%CO2。為保證焊接成形良好，避免產(chǎn)生焊接裂紋，預熱溫度應≥200 ℃，焊道間溫度應保持在200～300 ℃。

表1 試驗焊絲主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)) (%)

試樣制備使用BX3-300 交流焊機, 焊接電流為150～230 A，焊接電壓為32 V，采用直流反極性焊接，堆焊層厚度為5～6 mm。焊接工藝參數(shù)見表2。

表2 焊接工藝參數(shù)

堆焊層的回火工藝為550 ℃ ×3 h，待試樣冷卻到室溫時,水冷后采用砂輪機從焊件上切割下來，然后將切割下來的試樣用砂輪磨平,用洛氏硬度計HR-150D 測試硬度，計算3點的平均值。利用XJP-6A型金相顯微鏡和Quanta 200 型掃描電子顯微鏡觀察材料的組織結(jié)構(gòu)和碳化物，分析碳化物的形態(tài)和分布,并對其形成機理進行探討。

2 試驗結(jié)果和分析

2.1 硬度測試結(jié)果

堆焊層的硬度測試結(jié)果如圖1所示。由圖1可以看出，隨著焊接電流的增大，堆焊層各區(qū)域中的硬度值隨之減小，其中中間區(qū)域的降幅較大，這是因為電流較大時，產(chǎn)生較大的熱量，抑制了熔體的自然對流,從而抑制了熱量的對流傳輸,使溫度起伏減少,使形核后的晶粒有條件繼續(xù)長大，生成的晶粒粗大，且分布不均勻,導致堆焊層的硬度降低。

圖1 堆焊層的硬度值

由于堆焊時溫度很高，堆焊層馬氏體組織中固溶有較高的C、Cr、W、Mo和V等合金元素，堆焊后的余熱使過飽和的C及合金元素能部分脫溶析出；因此，堆焊層具有較高的硬度和耐磨性。高溫回火后，固溶在馬氏體中的C、W、Mo，特別是V，能夠產(chǎn)生彌散并且穩(wěn)定的針狀碳化物M2C，產(chǎn)生較強的二次硬化效果，從而大大提高了堆焊層的硬度和耐磨性[2]。

2.2 堆焊層焊態(tài)下的組織

堆焊層不同區(qū)域的組織形態(tài)如圖2所示。由圖2可以看出，靠近接合處的碳化物組織形態(tài)為柱狀晶，且呈網(wǎng)狀分布,基體組織是孿晶馬氏體,由于上層堆焊層的熱作用，在底層堆焊層的枝晶內(nèi)能觀察到大量的回火馬氏體,接近中間區(qū)域的晶粒呈等軸態(tài)。

圖2 堆焊層不同區(qū)域的組織形態(tài)

表面堆焊層可以分成兩部分，其中未受焊道熱作用的區(qū)域晶粒較細小，晶內(nèi)分布著大量的粗大針狀馬氏體，焊縫組織為細小針狀馬氏體，這主要是由于母材在焊接過程中快速冷卻產(chǎn)生的。受焊道熱影響區(qū)域的晶粒有所長大，其尺寸較大且晶粒內(nèi)馬氏體的形態(tài)比較明顯，這主要是因為焊條中的合金元素Cr、Mo、V、Mn降低了馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度，提高了淬透性，為馬氏體的形成提供了有利條件。通過表面堆焊層和近表面接合層堆焊金屬顯微組織的對比也可以看到，表面堆焊層馬氏體更加細小，分布更加均勻，且碳化物的數(shù)量也比近表面接合層多，使得表面堆焊層硬度及耐磨性得到了提高。

2.3 堆焊層回火后的表層組織

堆焊層在550 ℃保溫3 h后，空冷的組織形態(tài)如圖3和圖4所示。由于馬氏體中合金元素以合金碳化物析出，其合金元素Cr、W和C含量降低，回火冷卻過程中殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。從圖3和圖4可以看出，堆焊層為針狀馬氏體，晶粒內(nèi)部馬氏體針的方向各不相同，并殘留有少量奧氏體；從整個堆焊層來看，針狀馬氏體組織均勻分布。此外，堆焊層經(jīng)550 ℃保溫3 h再空冷后，有許多質(zhì)點彌散分布在基體上，經(jīng)分析可知，這些彌散分布的質(zhì)點是包括富鉻化合物在內(nèi)的馬氏體時效析出物，在表面堆焊層中未受其他焊道影響的區(qū)域中則沒有發(fā)現(xiàn)馬氏體的存在。

圖3 回火后表面堆焊層的OM形貌

2.4 堆焊層中晶界共晶碳化物的形態(tài)分析

一般認為，合金鋼在回火硬化反應中析出的合金碳化物相是六方結(jié)構(gòu)的M2C[3]。合金碳化物相與基體間有較小的錯配度，能在馬氏體中形成，并與基體間以共格相析出。在掃描電鏡下分析，共晶碳化物的形態(tài)不同，其元素含量也不相同，M2C顏色呈淺灰色，MC的顏色呈深灰色，而M6C的顏色呈白色，碳化物中合金元素的分布如圖5所示。M6C和MC的形成主要是堆焊過程中一部分M2C共晶碳化物分解，而碳化物則由粗大的塊狀、長條狀初生碳化物轉(zhuǎn)變?yōu)閺浬⒎植嫉亩翁蓟镱w粒，反應式為M2C+Fe(γ)→M6C+MC。

圖5 幾種碳化物的形態(tài)

不同堆焊層在碳化物的形態(tài)上也存在一定的區(qū)別。觀察發(fā)現(xiàn)，堆焊層表面區(qū)域晶界共晶碳化物的形態(tài)主要呈層狀或顆粒狀分布，而底層堆焊層中的共晶碳化物形態(tài)主要呈塊狀分布，且易于觀察到MC碳化物的存在，如圖6所示。這是因為在焊后的冷卻過程中，表層過冷度較大，冷卻速度較快，形核率較高，生長的晶粒也較細小；而底層的堆焊層冷卻較慢，生成的晶粒顆粒較大。

圖6 堆焊層不同區(qū)域中碳化物的形態(tài)

2.5 堆焊層裂紋

在3種焊接熱輸入的堆焊層中均能發(fā)現(xiàn)裂紋存在，如圖7所示。由于裂紋基本上呈沿晶走向，所以裂紋的產(chǎn)生與晶界碳化物的類型有一定的影響，目前已經(jīng)證實M2C晶界共晶碳化物易于產(chǎn)生裂紋，且觀察發(fā)現(xiàn)裂紋的產(chǎn)生幾率與晶界碳化物的寬度也有一定的影響，那些碳化物寬度較小的晶界易于產(chǎn)生裂紋。其主要原因如下：1)由于焊后的焊縫金屬下一道次焊接再加熱、冷卻形成HAZ，這部分在焊接時產(chǎn)生的高溫區(qū)域內(nèi)脆化；2)堆焊金屬組織比較硬脆，有較多的硬質(zhì)碳化物，分布不均勻，從而造成應力集中，在焊接后較快的冷卻速度情況下產(chǎn)生裂紋；3)根據(jù)線能量計算式計算得到230 A時的線能量大于170 A時的線能量，這與圖7中裂紋的寬度相符合，所以線能量對裂紋的形成和擴展有一定的影響。

圖7 不同焊接電流時堆焊層中的裂紋形態(tài)

3 結(jié)語

堆焊金屬表層堆焊層金屬在回火后利用馬氏體基體上沉淀析出的碳化物得到強化，堆焊表層的馬氏體組織細小且均勻分布，堆焊表層硬度較大；當電流增大時，堆焊層的硬度減小，晶粒尺寸增加，引起堆焊層裂紋的寬度也增大。

[1] 龔建勛,肖逸鋒,張清輝,等.Fe—Cr—V耐磨堆焊合金[J].焊接學報,2008,29(7):73-76.

[2] 劉海濱,孟凡軍,巴德瑪.45CrNiMoVA鋼MIG 堆焊層組織及性能研究[J].中國表面工程,2007,20(3):39-42.

[3] 國旭明,鄭玉貴,姚治銘.CrMnB堆焊合金抗空蝕和沖刷磨損性能的研究[J].金屬學報,2002,38(9):936-940.

責任編輯李思文

ResearchonMicrostructureforWearableSurfaceWeldingLayeron32Cr06Steel

ZHANG Baodong, WANG Sitao, WANG Changshun, JIN Tao, HUANG Xiaotian, HOU Rui，JIANG Bin

(The Institute of Technology, Beijing North Vehicle Group Corporation, Beijing 100072,China)

The surface welding test has been accomplished based on 32Cr06 steel by using the multi-carbide alloy welding wire. The microstructure of surface welding and carbide was analyzed and the hardness of welding alloy was tested. The results showed that the carbide in martensite base of surface welding is hardened after welding tempering. The microstructure after tempering are acicular martensite, some austenitic and carbide grains with plenty of chrome. With the change of surface welding electric current, the hardness and the grain size are also changed, and leading to the change of surface welding fissures.

carbide, hardness, microstructure, surface welding

TG 455

：A

張寶東(1972-)，男，高級工程師，主要從事焊接工藝等方面的研究。

2014-07-04