Q235耐磨層敷焊接頭組織和硬度研究

劉 森

（北京首鋼氣體有限公司，北京 101304）

引言

Q235鋼在日常生活中應(yīng)用廣泛，并且其總體性能較好，塑性、強(qiáng)度和焊接性等較好。但Q235 鋼的耐磨性很差，在使用中就要考慮其耐磨性能，一般情況下以Q235母材作為基體，在其表面敷焊一層耐磨材料，從而達(dá)到耐磨的性能。

實(shí)驗(yàn)采用冷金屬過(guò)渡堆焊技術(shù)，通過(guò)在其表面敷焊耐磨性材料，并對(duì)其耐磨層敷焊接頭的組織和硬度進(jìn)行研究。

1 實(shí)驗(yàn)選材

堆焊材料的選擇是根據(jù)材料屬性進(jìn)行選取的。堆焊層一般分為過(guò)渡層和頂端的硬化層，過(guò)渡層焊絲不僅要保證和基體有很好的相似相容，而且還不能產(chǎn)生脆性相，同時(shí)應(yīng)防止裂紋向基體擴(kuò)展；硬化層既要保證不脫層，又要有一定耐磨性能。綜上所述，實(shí)驗(yàn)選取的焊接材料為Ni 基的焊材，因?yàn)殒嚮辖鹁哂袃?yōu)良的耐磨擦性能和良好的耐高溫氧化的性能等優(yōu)點(diǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)

試樣以Q235 鋼為基板（見表1），在基板上選用直徑為1.2 mm 的鎳基焊絲（見表2）堆焊或熔敷，界面須達(dá)到原子間結(jié)合，制成復(fù)合板材，參考GB/T4340.1-2009 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行夏比沖擊測(cè)試，從復(fù)合板材中提取制作標(biāo)準(zhǔn)沖擊測(cè)試試樣（10mm ×10mm ×55mm），且試樣上的高強(qiáng)層厚度在6mm 左右，對(duì)其進(jìn)行拋光打磨，其中包含了高強(qiáng)層和基板的一個(gè)側(cè)面要精磨拋光至可進(jìn)行維氏（HV）硬度測(cè)試的水平，還要對(duì)試樣進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)，因此還應(yīng)對(duì)試樣進(jìn)行缺口的加工，實(shí)驗(yàn)所選擇的缺口為2 mm 深的V 型缺口；沖擊過(guò)后的試樣還要對(duì)其進(jìn)行組織分析等。見圖1。機(jī)器人全自動(dòng)CMT施焊工藝參數(shù)見表3。

表1 Q235鋼材的化學(xué)成分 %

表2 焊絲的化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

表3 機(jī)器人全自動(dòng)CMT施焊工藝參數(shù)

圖1 標(biāo)準(zhǔn)式樣

3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置及型號(hào)見表4。

表4 實(shí)驗(yàn)裝置及型號(hào)

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 金相組織觀察與分析

將試樣在200#、600#、1000#、1200#、1500#水砂、200#、500#、800#金相砂紙上逐級(jí)磨光，然后在拋光機(jī)上進(jìn)行機(jī)械拋光，達(dá)到要求后進(jìn)行腐蝕，基體腐蝕劑采用4%硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，堆焊層采用王水（濃鹽酸HCl∶濃硝酸HNO3=3∶1）進(jìn)行腐蝕，制好的樣品分別在AFT-DC300型金相顯微鏡下進(jìn)行金相顯微組織觀察。

焊后空冷的顯微組織如圖2、圖3 所示。由圖2，可以看出基體組織是鐵素體和細(xì)小的碳化物組成。

圖2 Q235鋼金相顯微組織圖

由圖3 可以看出Q235 碳鋼基體與堆焊層的界面熔合線清晰可見，堆焊層與碳鋼基體在焊接界面結(jié)合處無(wú)氣孔、裂紋、夾渣及熔合不良等焊接缺陷［1］。但Q235 鋼在焊縫處由于在腐蝕堆焊層時(shí)遇到了王水，所以呈現(xiàn)出黑色，其組織是珠光體。

圖3 焊縫熱影響區(qū)金相顯微組織圖

在堆焊金相圖中（如圖4），可以清晰地看見片狀的WC顆粒，其他部分為Ni基成分與少量的Fe。

圖4 堆焊層顯微組織圖

4.2 硬度數(shù)據(jù)分析

硬度測(cè)量對(duì)試樣1#，2#，3#進(jìn)行清理，并對(duì)試樣進(jìn)行拋光處理，之后在HVS-1000 顯微硬度計(jì)上進(jìn)行硬度測(cè)量。Q235 的載荷為29.421 N，堆焊層載荷為49.035 N，加載時(shí)間為15 s。在試樣1#，2#，3#上分別以其焊縫處所在的位置作為0 點(diǎn)，以其Q235 方向?yàn)樨?fù)方向，對(duì)其硬度進(jìn)行線性測(cè)量。

從圖5 硬度-距離曲線可以直觀地看出其硬度變化：1#，2#，3#試樣在焊縫基體一側(cè)，其硬度值穩(wěn)定，在焊縫中心處，硬度值有所增加，然而堆焊層一側(cè)的硬度相對(duì)于基體有了明顯的提高，而且其平均硬度約為基體的2.5倍左右［2］。在堆焊層一側(cè)，2#試樣硬度值突然增大到1 000 kgf/mm2左右，這是由于在測(cè)量硬度時(shí)測(cè)到了WC 顆粒所產(chǎn)生的作用，使得其硬度值增加，WC的存在可以提高耐磨的性能。

圖5 硬度-距離曲線

4.3 沖擊韌性數(shù)據(jù)分析

將試樣1#，2#，3#（V 型缺口）分別在JB-300B擺錘式?jīng)_擊實(shí)驗(yàn)機(jī)下，參考GB/T4340.1-2009 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行夏比沖擊測(cè)試，結(jié)果如表5所列。

表5 沖擊韌性數(shù)據(jù)

從以上數(shù)據(jù)來(lái)分析，我們已經(jīng)知道Q235鋼材的沖擊功AK 為34 J/cm2，一般試件斷裂2 mmV 型，即ak=AK/0.8，且沖擊韌性的值越大，材料的韌性越好，反之亦然。從表5 中的數(shù)據(jù)可以看出，在增加Ni 合金堆焊層之后，材料的沖擊韌性值有一定的上升?？梢缘贸鲈诙押窷i基焊絲之后，相比于基體本身材料而言，其韌性是有一定增加的。

4.4 沖擊斷口和堆焊層化學(xué)元素分析

4.4.1 沖擊斷口堆焊層分析

為了進(jìn)一步了解試樣的性能，對(duì)試樣采用JSM-6390A 型掃描電鏡進(jìn)行沖擊斷口的堆焊層照相，如圖6所示。

圖6 同一堆焊層沖擊斷口的不同位置掃描電鏡圖

從圖6可以看出堆焊層材料的斷裂基本為不伴隨明顯塑性變形的脆性斷裂，但是在焊縫處的堆焊層出現(xiàn)了韌性斷口應(yīng)有的基本特征-韌窩，這就使得在斷裂時(shí)可以起到增加其韌性的作用，也就符合試樣在沖擊后的沖擊功比基體本身的沖擊功稍有增加趨勢(shì)。因此，可以得出的結(jié)論是堆焊層在一定程度上起到了增加材料韌性的作用。

4.4.2 堆焊層化學(xué)元素分析

對(duì)堆焊層的組織進(jìn)行化學(xué)元素分析，如圖7。在堆焊層任取某一區(qū)域，對(duì)其中的化學(xué)元素進(jìn)行定量分析，可以從各個(gè)元素所占的區(qū)域面積來(lái)評(píng)估其所占的含量。在圖7（a）所示為原始區(qū)域；圖7（b）中白色的點(diǎn)代表著其中C 所處的位置，可以看出堆焊層中C 所占的比例是十分少的；圖7（c）中白色的點(diǎn)代表著其中Ni所處的位置，可以看出堆焊層中Ni所占的比例是相對(duì)較大的；圖7（d）中綠色的點(diǎn)代表著其中W 所處的位置，可以看出堆焊層中W 所占的比例也是相對(duì)較大的；當(dāng)W 的含量增加后，這樣就會(huì)使得堆焊層的硬度隨之增加。

圖7 化學(xué)成分所占區(qū)域圖

在試樣焊縫所在的平面內(nèi)，在近似垂直焊縫的方向上取一條具有代表性的直線，對(duì)其進(jìn)行化學(xué)元素分析。

圖8給出的是在該條直線各處各元素所對(duì)應(yīng)含量的平均值，可以明顯地看出，在焊縫的左側(cè)，其為堆焊層材料，主要的化學(xué)元素為Ni，其次為W、C，F(xiàn)e元素的含量相對(duì)較少。在焊縫的右側(cè)，主要為基體材料Q235，可以看出主要的化學(xué)成分為Fe，其次為C、Ni，W幾乎為零。

而且由圖8 可知，這些元素在熔合線上發(fā)生突變，尤其是Fe 在基體中含量很高，而在堆焊層中含量很低，幾乎接近零。堆焊層中的主要元素Ni、W擴(kuò)散到基體中的量也很小，堆焊層中Ni、W 等主要元素在熔合線附近的含量發(fā)生突變。

圖8 在該條直線處各個(gè)元素所對(duì)應(yīng)含量的平均值分布圖

從堆焊層的EDS 圖示以及SEM 的圖示中可以發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)的區(qū)域較窄，所有的化學(xué)元素幾乎是直接發(fā)生的突變，因此該結(jié)果可以表明基體對(duì)堆焊層的稀釋率低，并且其熔合比較?。?］，否則熔合線附近會(huì)發(fā)生緩慢的變化，熔合區(qū)也會(huì)變寬；另外在堆焊層中也可以看到W、Ni、Fe、C 四種元素分布相對(duì)較均勻，這樣的分布更能發(fā)揮堆焊層的耐磨性的特征。

以上是對(duì)堆焊層各個(gè)位置的化學(xué)元素進(jìn)行的主要分析，可以得出，堆焊層的主要元素W，Ni 起到增加耐磨的作用。

4.5 堆焊層X射線衍射分析

由圖8堆焊層的化學(xué)元素分析我們已經(jīng)得知堆焊層中的主要的化學(xué)元素，但是對(duì)其物相組成部分仍然不太清楚，因此對(duì)其堆焊層進(jìn)行X 射線衍射實(shí)驗(yàn)，從而用來(lái)分析其物相組成。將堆焊層的表面進(jìn)行清理，然后對(duì)其進(jìn)行照相，其物相分析如圖9所示。

圖9 堆焊層橫截面上XRD衍射圖

實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：掃描的角度為20°到90°，掃描速度為8°/min，從圖9 中經(jīng)過(guò)于PDF 卡片對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，堆焊層主要由WC，W2C 硬質(zhì)相和γ-Ni 相組成的。其中的WC，W2C 為硬質(zhì)碳化物，但是WC相的主要成分是沒有完全溶解的WC 顆粒，而W2C相是由WC原位自生而成的［4］，因此其和WC 一樣具有耐磨性。因此在一定含量的情況下，耐磨性的強(qiáng)弱隨W的含量是變化的。

4.6 耐磨性分析

耐磨性分析的試樣尺寸為Φ4.8 mm×12.7 mm，采用M-2000A 型的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)開始之前，需要對(duì)試樣用丙酮進(jìn)行清洗，等其自然風(fēng)干后對(duì)其進(jìn)行稱重并記錄。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用的摩擦環(huán)轉(zhuǎn)速為150、200、250 r/min，對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)壓力分別為50、75、100 N，摩擦條件為干磨，摩擦?xí)r間為3 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)試樣用丙酮進(jìn)行清洗，等其自然風(fēng)干后對(duì)其進(jìn)行稱重并記錄。

表6為實(shí)驗(yàn)前后試樣重量的損失數(shù)據(jù)：

表6 實(shí)驗(yàn)前后質(zhì)量對(duì)比

根據(jù)耐磨性（ε）公式可進(jìn)行計(jì)算：

式中：ΔM——磨損前后的質(zhì)量差；

M0——實(shí)驗(yàn)前式樣的質(zhì)量。

由表6可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速和實(shí)驗(yàn)時(shí)間相同時(shí)，實(shí)驗(yàn)壓力越大，材料磨損的質(zhì)量就越多，其耐磨性ε值就越低。當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和壓力相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，材料磨損的質(zhì)量就越多，其耐磨性ε值就越低。

堆焊層的化學(xué)元素成分中的C含量約有4%，因此當(dāng)增加堆焊層中W 的含量時(shí)，是不能夠持續(xù)生成WC 的，因此W 的含量過(guò)高對(duì)耐磨性的影響并不大，W不能和C完全形成WC和W2C硬質(zhì)相［5］。

5 結(jié)論

研究分析了10mm ×10mm ×55mm 的標(biāo)準(zhǔn)試樣，試樣是由4mm 的Q235 鋼外加6mm 厚的Ni 焊絲堆焊而成。之后對(duì)其進(jìn)行各項(xiàng)分析，結(jié)果表明：

（1）在Q235 基體上采用CMT 冷金屬過(guò)渡焊接技術(shù)對(duì)其進(jìn)行堆焊，當(dāng)?shù)谝粚拥暮附与娏鳛?68 A，焊接電壓為22.7 V，焊接速度為3 mm/s，且中間層和蓋面層與第一層焊接參數(shù)相同時(shí)，能夠形成的焊接接頭表面美觀，且焊接接頭的表面沒有缺陷；

（2）經(jīng)過(guò)金相分析，Q235 基體組織是鐵素體和細(xì)小的碳化物組成；而且可以看出Q235碳鋼基體與堆焊層的界面熔合線明顯可見，堆焊層與碳鋼基體在界面結(jié)合處無(wú)氣孔、裂紋、夾渣及熔合不良等焊接缺陷；堆焊層處可見明顯的硬質(zhì)顆粒；

（3）硬度分析結(jié)果表明，堆焊層的硬度值明顯高于基體本身的硬度值；

（4）沖擊韌性以及沖擊斷口掃描電鏡分析結(jié)果表明，增加堆焊層后，相對(duì)于基體本身而言，沖擊韌性值有所上升；沖擊斷口掃描電鏡分析后發(fā)現(xiàn)，斷口的斷裂機(jī)理主要為脆性斷裂，但是還存在有韌性斷裂的基本特性；

（5）堆焊層主要由WC，W2C 硬質(zhì)相和γ-Ni 相組成的；

（6）堆焊層與基體界面EDS 掃描結(jié)果表明，堆焊層中Ni、W 等主要元素在熔合線附近的含量發(fā)生突變，從堆焊層的EDS 圖示以及SEM 的圖示中可以發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)的區(qū)域較窄，所有的化學(xué)元素幾乎是直接發(fā)生的突變，因此該結(jié)果可以表明基體對(duì)堆焊層的稀釋率低，并且其熔合比較??；

（7）耐磨性結(jié)果分析表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速和實(shí)驗(yàn)時(shí)間相同時(shí)，實(shí)驗(yàn)壓力越大，材料磨損的質(zhì)量就越多，其耐磨性ε 值就越低。當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間和壓力相同時(shí)，轉(zhuǎn)速越大，材料磨損的質(zhì)量就越多，其耐磨性ε 值就越低。