分享：球形鑄造碳化鎢顆粒對堆焊層組織及耐磨性能的影響

王 蕾,劉 辛,謝煥文,鄒黎明,蔡一湘

(廣東省科學(xué)院,廣東省材料與加工研究所,廣州 ５１０６５０)

摘 要:將不同含量和粒徑的球形鑄造碳化鎢顆粒添加到霧化鐵粉中制備堆焊焊條,然后在Q２３５鋼表面進(jìn)行氧Ｇ乙炔火焰堆焊來獲得堆焊層,研究了球形鑄造碳化鎢顆粒的含量和粒徑對堆焊層顯微組織、硬度及耐磨性能的影響.結(jié)果表明:堆焊層中球形鑄造碳化鎢顆粒邊緣有明顯的溶解現(xiàn)象,粒徑越小,溶解現(xiàn)象越明顯;隨球形鑄造碳化鎢顆粒含量的減少,堆焊層中的魚骨狀萊氏體組織減少,隨球形鑄造碳化鎢粒徑的減小,萊氏體組織逐漸粗化;球形鑄造碳化鎢顆粒的含量越高,

粒徑越小,堆焊層的硬度越高,耐磨性越好.

關(guān)鍵詞:球形鑄造碳化鎢;堆焊層;顯微組織;耐磨性能

中圖分類號:TG４２２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１７)０７Ｇ００１３Ｇ０５

EffectofSphericalCastTungstenCarbideParticlesonMicrostructure

andWearResistanceofSurfacingLayer

WANGLei,LIUXin,XIEHuanwen,ZOULiming,CAIYixiang

(GuangdongInstituteofMaterialsandProcessing,GuangdongAcademyofSciences,Guangzhou５１０６５０,China)

Abstract:Thesphericalcasttungstencarbideparticleswithdifferentcontentsandparticlesizeswasmixed

withatomizedFepowdertopreparesurfacingelectrodes．ThesurfacinglayeronQ２３５steelsubstratewasobtained

usingoxygenＧacetyleneflamesurfacing．Theeffectofcontentandparticlesizeofsphericalcasttungstencarbideon

themicrostructure,hardnessandwearresistanceofsurfacinglayerwasinvestigated．Theresultsshowthatthere

wasanobviousmeltingphenomenonattheedgesofsphericalcasttungstencarbideinsurfacinglayer．Thesmaller

theparticlesizeofsphericalcasttungstencarbidewas,themoreobviousthemeltingphenomenonwas．ThefishＧ

boneledeburitedecreased withdecreaseofsphericalcasttungstencarbideparticlescontent,andtheledeburite

becamecoarserwithreductionofparticlesizeofsphericalcasttungstencarbide．Themoresphericalcasttungsten

carbideparticlescontentwas,andthesmallerparticlesizewas,thehigherthehardnesswasandthebetterthewear

resistanceofsurfacinglayerwas．

Keywords:sphericalcasttungstencarbide;surfacelayer;microstructure;wearresistance

隨著現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展,耐磨堆焊技術(shù)在礦山機械、農(nóng)業(yè)機械和水力機械等磨損件的修復(fù)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用.在沖擊磨損十分嚴(yán)重的工況條件下,研制高耐磨性焊條對耐磨堆焊技術(shù)有著重要的影響.目前,研究人員已針對高耐磨性焊條開展了大量的研究[１].有研究表明:通過在焊條藥皮中加入大量的碳和鉻元素可以提高堆焊層的硬度和耐磨性[２Ｇ３],但是當(dāng)焊條中的含碳量超過７％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))后,隨著含碳量的增加,堆焊層的韌性和抗裂性降低;同時高鉻焊條會對焊工的健康不利[４Ｇ５].還有研究表明:通過在焊條藥皮中加入鈷、鉬、鎢、鎳等稀有金屬可以獲得具有較高耐磨性的堆焊層,但仍然存在抗沖擊能力低、裂紋傾向大、界面結(jié)合強度低、硬質(zhì)顆粒易脫落等問題[６Ｇ７];另外,這些元素的高成本也限制了其在生產(chǎn)中的應(yīng)用[８Ｇ９].

近年來,研究者們通過在焊條中添加高耐磨的碳化鎢顆粒,使工件表面獲得含有硬質(zhì)碳化物顆粒的堆焊層,可顯著提高零部件表面的耐磨性而延長其服役壽命[１０].用于堆焊的鑄造碳化鎢顆粒就形狀而言大體分為多角形和球形兩大類.球形鑄造碳化鎢顆粒擁有比多角形碳化鎢顆粒更高的流動性、更細(xì)的內(nèi)部晶粒組織、更小的應(yīng)力集中更少的微裂紋、更高的硬度以及更好的耐磨性能等,因此可以顯著提高工件的表面質(zhì)量.目前,在堆焊材料中直接添加球形鑄造碳化鎢顆粒的研究甚少.為此,作者將球形鑄造碳化鎢顆粒添加到霧化鐵粉中制備堆焊焊條,然后在 Q２３５鋼表面進(jìn)行堆焊,研究了球形鑄造碳化鎢顆粒的含量和粒徑對堆焊層組織、硬度及耐磨性能的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

采用感應(yīng)重熔法制備球形鑄造碳化鎢(STC)顆粒(以下簡稱碳化鎢顆粒)和霧化鐵粉,碳化鎢顆粒的粒徑分別為１８０~２５０μm,７５~１８０μm 和４５~７５μm,鐵粉的粒徑為７５~１５０μm,然后通過 V 型混粉機將碳化鎢顆粒和霧化鐵粉機械混合后,加入到尺寸為?４mm×３００mm 的焊條管皮中制備成堆焊焊 條,焊 條 中 碳 化 鎢 的 質(zhì) 量 分 數(shù) 分 別 為 ８０％,６０％,４０％,之后對 Q２３５鋼進(jìn)行堆焊試驗,將得到的試樣分別記為１＃ ~９＃ 試樣.試樣編號及焊條粉體組成見表１.為減少碳化鎢顆粒在堆焊過程中的熔化燒損,焊接熱源為焊接溫度相對較低的氧Ｇ乙炔火焰.制作焊條的材料除了碳化鎢顆粒和霧化鐵粉外,還包括作為焊接添加劑的螢石粉,以防止碳化鎢顆粒的過度熔化并提高其焊接性能[１１].焊條管皮為 Q２３５鋼熱軋加工而成.

Q２３５鋼板的厚度為４ mm,采用氧Ｇ乙炔火焰將 Q２３５鋼板表面加熱至半熔化狀態(tài)后使用自制焊條進(jìn)行堆焊,焊前的預(yù)熱溫度為５００℃,堆焊的速度為２００mm??min－１,層間溫度為４００~５００ ℃,焊后

直接空冷.堆焊層厚度不小于３ mm,加工出試樣尺寸為４０mm×６０ mm×４ mm,其中保留堆焊層的厚度為１~２mm.

１．２ 試驗方法

用４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕后,使用JEOLJXAＧ８１００ 型 電 子 探 針 中 的 掃 描 電 鏡 功 能(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對堆焊層進(jìn)行形貌觀察及化學(xué)成分分析;使用JEOLJXAＧ８１００型電子探針中的掃描電鏡功能和 Merlin型場發(fā)射掃描電鏡觀察堆焊層的顯微組織;采用 RigakuD/MAXＧRC型 X射線衍射儀(XRD)分析堆焊層的相結(jié)構(gòu).使用 ZWICKZHUＧS１１４２９１型顯微硬度計測堆焊層的硬度,從熔合區(qū)到基體等距離?。穫€點進(jìn)行測試,載荷為０．９８N,保壓１５s.采用 NUSＧIS０３型輪式磨耗試驗機對堆焊層進(jìn)行常溫磨損試驗,試樣尺寸為４０mm×６０mm×４ mm,載荷為１４．７N,對磨件為１８０＃ 的SiC砂紙,每個試樣與砂紙對磨３２００次,磨損行程共計３２m,試樣在磨損前后均用丙酮進(jìn)行超聲波清洗,采用精度為０．１mg的分析天平稱量后計算磨損量.

２ 試驗結(jié)果與討論

２．１ 碳化鎢顆粒在堆焊層中的分布

由圖１可知:隨著焊條中碳化鎢顆粒含量的降低,堆焊層截面中的白色碳化鎢數(shù)量逐漸減少;對比圖１(c),(f),(i)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)球形碳化鎢顆粒含量為４０％時,粒徑大(１８０~２５０μm)的碳化鎢顆粒未完全溶解,而粒徑小(７５~１８０μm 及４５~７５μm)的碳化鎢顆粒大部分已溶解于堆焊層中.

２．２ 顯微組織

由圖２(a)~(c)可以看出:堆焊層中金屬基體的顯微組織隨碳化鎢顆粒含量的不同而不同;當(dāng)碳化鎢顆粒含量為８０％時,金屬基體的顯微組織主要為鐵素體和魚骨狀的萊氏體;當(dāng)碳化鎢顆粒含量為４０％時,萊氏體組織明顯減少甚至消失.堆焊層金屬基體顯微組織的這種變化與碳化鎢顆粒的溶解有

直接關(guān)系,從圖中可以看出,碳化鎢顆粒的最外層在堆焊過程中發(fā)生了熔化,溶解析出的鎢和碳元素進(jìn)入 鐵基體后,在快速冷卻過程中發(fā)生了非平衡共晶反應(yīng),生成了魚骨狀的萊氏體組織.因此,隨著碳化鎢顆粒含量的增加,更多的鎢和碳元素進(jìn)入鐵基體中,從而導(dǎo)致萊氏體組織的增多[１２].由圖２(a),(d),(e)可見:在碳化鎢顆粒含量相同而粒徑不同的堆焊層組織中,金屬基體的組織均由鐵素體和萊氏體構(gòu)成;隨著碳化鎢粒徑的減小,細(xì)小魚骨狀的萊氏體組織越來越粗大,這是由于在堆焊過程中,小顆粒碳化鎢溶解所需能量較少[１３],因此更多的鎢和碳元素進(jìn)入鐵基體中,從而使萊氏體的組織粗大.由圖３可以看出:堆焊后碳化鎢顆?；颈３滞旰?但顆粒邊緣的鎢和鐵元素存在著不同程度的擴散現(xiàn)象,即碳化鎢顆粒中的鎢向周圍的基體金屬中擴散,基體金屬中的鐵向碳化鎢顆粒中擴散;鎢在基體金屬中的含量隨著與碳化鎢顆粒距離的增加而逐漸降低,鐵的含量隨著與碳化鎢顆粒距離的減小而降低;１＃ 試樣擴散層的平均厚度約為３μm,２＃ 試樣的約為４μm,３＃ 試樣的約為５μm.因此,隨碳化鎢顆粒粒徑的減小,擴散層厚度增加,這也證明了大粒徑碳化鎢顆粒的溶解程度小于小粒徑碳化鎢顆粒的.

由圖４可知,堆焊層是由WC、W２C、Fe３W３C、FeＧCr以及Fe３ W３CＧFe４ W２C 等物相組成的,其中FeＧCr相的存在可能是由焊條管皮和鋼板中的鉻元素所產(chǎn)生的.Fe３W３C、Fe３W３CＧFe４W２C 等是碳化鎢顆粒中的鎢和碳元素溶解進(jìn)入鐵基體中形成的硬質(zhì)相,將有利于提高堆焊層的硬度及耐磨性能.

２．３　硬　度

由圖５可知:對比１＃ 和２＃ 試樣的顯微硬度,隨著碳化鎢顆粒含量的增加,顯微硬度呈整體升高的趨勢,這主要是由于隨著碳化鎢顆粒的增多,更多的鎢和碳元素溶解進(jìn)入鐵基體中,從而細(xì)小魚骨狀分的萊氏體組織就增多,硬度就越高;對比１＃ 和７＃ 試樣的顯微硬度,隨著碳化鎢顆粒粒徑的減小,顯微硬度呈總體升高的趨勢,這主要與小粒徑碳化鎢顆粒的增強作用及其對堆焊層組織的顯著影響有關(guān).

２．４　耐磨性能

由圖６可知:隨碳化鎢顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,磨損質(zhì)量損失呈下降趨勢.當(dāng)碳化鎢顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為，４０％~６０％時,堆焊層質(zhì)量損失量緩慢減小;當(dāng)碳化鎢顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為６０％~８０％時,堆焊層的質(zhì)量損失量迅速減小;當(dāng)碳化鎢顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為８０％時,耐磨性能最好.在相同碳化鎢顆粒含量的堆焊層中,小粒徑碳化鎢顆粒對堆焊層耐磨性能的增強作用略高

于大粒徑碳化鎢顆粒的,這與小粒徑碳化鎢的顆粒增強作用及其對堆焊層組織的影響密切相關(guān).在相同磨損條件下,沒有添加碳化鎢顆粒試樣的磨損質(zhì)量損失為３０８．３mg,遠(yuǎn)高于含有碳化鎢顆粒堆焊層的.由此可以看出,采用含有碳化鎢顆粒的焊條進(jìn)行堆焊后,堆焊層的耐磨性能有顯著提高,尤其當(dāng)碳化鎢含量為８０％時,堆焊層存在的大量細(xì)小魚骨狀的萊氏

體組織使其具有高的硬度和良好的耐磨性.

由圖７可以看出:沒添加碳化鎢顆粒的鐵基合金堆焊層的表面磨損最為嚴(yán)重,表面出現(xiàn)互相平行且連續(xù)的犁溝,這是由于在滑動摩擦的過程中,磨屑不斷被剝落,同時在切向力的作用下,磨屑沿著摩擦表面產(chǎn)生相對運動,從而使摩擦表面產(chǎn)生了溝槽,為典型的磨粒磨損特征;對比圖７(b),(c),(d),隨著球形碳化鎢顆粒含量的增多,堆焊層磨損表面逐漸平滑,犁溝隨之變淺,這表明碳化鎢顆粒的增加有效提高了合金堆焊層的耐磨性能;對比圖７(d),(e),

(f),隨著碳化鎢顆粒粒徑的減小,堆焊層的磨損表面更為平滑,犁溝更淺,無明顯黏著磨損特征,同時在磨損表面出現(xiàn)了球狀碳化鎢顆粒.此外,圖７(b)和(c)中的堆焊層磨損表面未見球形碳化鎢的主要原因是３＃ 和２＃ 試樣中球形碳化鎢含量相對較少(４０％~６０％),且大多沉積在熔池底部.

３　結(jié)　論

(１)采用含有球形鑄造碳化鎢顆粒的焊條進(jìn)行堆焊后,堆焊層中球形鑄造碳化鎢顆粒邊緣有明顯熔化現(xiàn)象,粒徑大的碳化鎢顆粒未完全溶解,而粒徑小的碳化鎢顆粒則大多溶解于堆焊層中.

(２)隨著焊條中球形鑄造碳化鎢顆粒含量的減少,堆焊層中的魚骨狀萊氏體組織逐漸減少;隨著球形鑄造碳化鎢粒徑的減小,細(xì)小魚骨狀分布的萊氏體組織逐漸粗化.

(３)隨著焊條中球形鑄造碳化鎢顆粒含量的增加和粒徑的減小,顯微硬度均呈整體升高的趨勢,堆焊層的磨損質(zhì)量損失逐漸減小,磨損表面逐漸平滑,犁溝隨之變淺,耐磨性提高.

（文章來源：材料與測試網(wǎng)-機械材料工程）