V元素對(duì)FeCrVC合金堆焊層熱穩(wěn)定性的影響

滕誠(chéng)信 許驥 譚經(jīng)松

摘要：為了研究合金元素V對(duì)氬弧堆焊合金熱穩(wěn)定性能的影響。配制了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的FeCrVC系鐵基合金粉末，粘結(jié)烘干后制成粉末薄片，在Q235B材料表面以氬弧為熱源堆焊鐵基合金。對(duì)堆焊合金試樣進(jìn)熱處理后進(jìn)行硬度分析以及氧化增量分析，研究V元素如何影響堆焊合金的紅硬性和抗氧化性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，F(xiàn)eCrVC合金系粉末系中，其熱穩(wěn)定性隨著V含量增加而升高，當(dāng)Cr含量為40%，V含量為15%，C含量為5%時(shí)其熱穩(wěn)定性最好，在熱處理后能夠使合金表面硬度上升。

關(guān)鍵詞：堆焊，熱穩(wěn)定性，抗氧化性，硬度

0引言

堆焊技術(shù)不僅是延長(zhǎng)材料或零件服役壽命的工藝方法，而且成為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)[1]。堆焊除可顯著提高工件的使用壽命，節(jié)省制造、維修費(fèi)用外，還可減少修理和更換磨損件的時(shí)間，從而提高生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本。鋼的熱穩(wěn)定性是指鋼在高溫下抗氧化或抗高溫介質(zhì)腐蝕的能力。為了提高鋼的抗氧化性，要防止FeO形成，或提高其形成溫度，就要加入一些合金元素在鋼件表面形成合金氧化膜，阻止鐵離子和氧原子的擴(kuò)散。研究發(fā)現(xiàn)，隨著Cr元素含量的增加，抗氧化性能提高，高溫強(qiáng)度稍有下降，基體組織形成單相的鐵素體或單相的穩(wěn)定奧氏體組織。同時(shí)，表層能生成連續(xù)的氧化膜保護(hù)層，阻止了氧滲入基體，因此對(duì)抗燃?xì)庋趸?，抗基體生長(zhǎng)非常有利，所以耐熱性顯著提高[2]。在高碳高釩工具鋼和高速鋼系堆焊合金層中，極硬的VC在強(qiáng)化自由碳化物硬質(zhì)相的同時(shí)，還彌散析出硬化相，對(duì)提高材料整體硬度和抗磨性作用顯著[3]。本文利用Cr- Fe、V-Fe等粉末合金配置FeCrVC系鐵基合金粉末，在Q235B碳鋼表面堆焊，分析堆焊工藝對(duì)熔敷層性能的影響，并研究高溫下合金熔敷層的熱穩(wěn)定性，以研究各合金元素對(duì)于合金的紅硬性以及抗氧化性的影響。

1試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用的材料是Q235B鋼板屬于碳素結(jié)構(gòu)鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表2.1。

本次試驗(yàn)所用的堆焊材料為Cr-Fe合金粉末、V-Fe合金粉末、石墨和還原性鐵粉。Cr- Fe、V-Fe合金粉末的成分如表2.2所示。

依照試驗(yàn)方案稱(chēng)取不同重量的Cr-Fe、V-Fe合金粉末、石墨以及還原性鐵粉，并加入少量水玻璃將其混合均勻。將混合后的合金粉末平鋪，壓成合金粉末薄片，取出薄片放在通風(fēng)的地方陰干12～14小時(shí)，最后放入烘箱里在200℃條件下保溫1.5h。將烘干好的薄片放在基體鋼板Q235B上采用鎢極氬弧焊進(jìn)行堆焊，焊接工藝參數(shù)見(jiàn)表2.3。

1.2熱穩(wěn)定性試驗(yàn)

熔敷層制得后，用線(xiàn)切割機(jī)切割成尺寸為30mm×20mm的試樣。切割時(shí)要避開(kāi)起弧和收弧的地方，兩側(cè)各去2cm，取中間作為試樣。

試驗(yàn)采用電阻爐，對(duì)試樣加熱2小時(shí)、4小時(shí)、6小時(shí)、10小時(shí)，每次加熱前對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨并用酒精沖洗，吹干，放于坩堝內(nèi)，稱(chēng)重，電子天平感量為10-4g。放入電阻爐中，升溫至600℃后開(kāi)始計(jì)時(shí)，到達(dá)規(guī)定時(shí)間關(guān)閉電阻爐，冷卻至室溫后稱(chēng)重。通過(guò)高溫氧化試驗(yàn)，繪制氧化增量曲線(xiàn)，并對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行分析，得出高溫抗氧化性能的差異。

利用HR-150硬度計(jì)對(duì)熔敷層進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，每個(gè)試樣測(cè)定六個(gè)點(diǎn)，取平均值，試驗(yàn)采用金剛石壓頭，載荷為150kg，加載時(shí)間為5s，恢復(fù)時(shí)間為3s。其中測(cè)定點(diǎn)之間的距離為4mm，邊緣點(diǎn)距試樣邊緣的距離為5mm。

2 FeCrVC合金熱穩(wěn)定性分析

表2.2是FeCrVC合金熱處理后硬度值。與未加V元素的合金試樣，其硬度值明顯提高。2-1試樣和2-3試樣在熱處理時(shí)硬度出現(xiàn)了先上升后下降的現(xiàn)象，在6小時(shí)以后趨于平緩，根2-2試樣的硬度值隨著退火時(shí)間的增加一直下降，與未加入V元素的合金試樣相比的硬度值還要低，并相對(duì)熱處理前的硬度有了大幅的減小。據(jù)表2.1可知，2-2試樣中C元素含量最少，可能影響合金熱處理后的硬度。2-3試樣的V和C含量都是最多的，說(shuō)明兩種元素含量增加能夠顯著提高合金熱處理前后的硬度。

根據(jù)表2.3可以看出，F(xiàn)eCrVC合金熱處理后質(zhì)量變化要比FeCrC合金要大，氧化程度較FeCrC合金的氧化程度高，但2-3試樣的質(zhì)量增加量變化最小，說(shuō)明抗氧化程度較好，當(dāng)V和C元素含量達(dá)到最大，其抗氧化程度最好。試樣在6小時(shí)以后趨于平緩，但氧化增重率減小不明顯。

2-2試樣在熱處理后產(chǎn)生了組織變化，使硬度急劇下降，因此當(dāng)V含量過(guò)高，C含量過(guò)低時(shí)，合金的紅硬性較低，熱穩(wěn)定性較差。2-3試樣其V含量最高，堆焊合金的硬度為59.2HRC，熱處理后硬度略有上升，均保持在60HRC以上，具有很高的紅硬性和熱穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

（1）堆焊合金V元素可以大幅提高Q235B的表面硬度以及抗氧化性，不同配比的合金系對(duì)合金的改善狀況不同，其中多元合金改善效果明顯。

（2）在FeCrVC合金系粉末系中，其熱穩(wěn)定性隨著V含量增加而升高，當(dāng)Cr含量為40%，V含量為15%，C含量為5%時(shí)其熱穩(wěn)定性最好，在熱處理后能夠使合金表面硬度上升。

參考文獻(xiàn)

[1] 單際國(guó)，董祖玨，徐濱士.我國(guó)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)[J].焊接學(xué)會(huì)學(xué)報(bào)，2002，9 （4）：19-22.

[2] 王曉芳.鉻含量對(duì)鐵基電弧涂層高溫氧化性能的影響 碩士論文 2009.6：7

[3] 蔣旻、栗卓新、王英杰、史 武。含釩耐磨堆焊合金的組織與性能.中國(guó)機(jī)械工程 2008.7（19）1621