钨极氩弧堆焊铁合金粉末工艺与性能

供稿|樊巧芳，刘忆 / FAN Qiao-fang, LIU Yi

内容导读

文章介绍了采用钨极氩弧热源，将预先压制好的铁合金末堆焊在Q235C基体材料上，以期获得成分可调的高硬度耐磨层的工艺方法。实验分析了添加不同粉末的堆焊工艺和性能，重点研究了添加铬铁、锰铁粉末堆焊层的组织与性能。结果表明，铬铁、硼铁不适合单独加入；钛铁可提高堆焊的硬度，且随钛铁含量的增加，硬度显著提高；锰铁的加入提高了堆焊层的硬度，随着锰铁含量的增加，硬度先上升后略有下降。

氩气在高温下不与金属发生化学反应，不会产生合金元素氧化、烧损等一系列问题；氩气也不溶于液态的金属，不会引起气孔缺陷，因此将钨极氩弧用于堆焊的热源可以降低堆焊层的缺陷。通过在基体表面堆焊铁合金粉末可以赋予母材特殊的使用性能，对于材料或零件的表面强化具有十分重要的意义[1-2]。

实验

基体试样

实验基体材料选用Q235C，试样选用厚度为 10 mm的钢板，切割成 60 mm×10 mm×10 mm 的长板条，Q235C材料化学成分见表1。

表1 Q235C钢的化学成分(质量分数，%)

铁合金粉末

实验采用的铁合金粉末有锰铁、硅铁、铬铁、硼铁和钛铁等。Mn-Fe中的Mn主要起脱氧、合金化、提高淬透性的作用；Si-Fe中的Si在钢中主要起合金化的作用；B-Fe中的B是表面活性元素，主要存在于晶体缺陷位置，并富集于奥氏体晶界处，主要起合金化的作用；Ti-Fe中的Ti为强碳化物形成元素，常温下大部分以碳化物、氮化物、碳氮化物形式存在于钢中，在脱氧不完全的钢中还有少部分固溶在铁素体中，也会出现氧化物 TiO2[3-4]；Cr-Fe选用中碳铬铁，Cr是碳化物形成元素，除起合金化的作用，提高钢的淬透性和耐蚀性以外，还能提高钢的强度、硬度、耐磨性、弹性极限和屈服极限。此外，Cr还能有效改善钢中碳化物的颗粒大小及其分布，降低碳化物聚集的倾向性，促进组织更加均匀。

铁合金粉末压块制作

为解决粉末易被电弧力吹散的难题，本实验采用粉末压块方法进行堆焊。模具见图1所示。将机械粉末和一定量的水玻璃混合(加入的水玻璃必须控制在一定量且必须混合均匀)，并搅拌均匀[5]。采用粉末压块模具，施加50～60 kN载荷使其冷压成形，从而得到形状规则、厚度均匀(3 mm)、成分均匀的合金粉块。

图1 压制模具示意图

堆焊工艺参数

弧焊电源采用ZX7-400手弧氩弧两用焊机，采用直流正接。堆焊时要选用合适的电流，若电流过大，合金压块熔化速度快，不易控制；若电流过小，不仅不容易引弧，容易出现跳弧现象，而且焊接效率低[6]。经过反复实验，最终选定的堆焊工艺参数为：电弧电压24～28 V，焊接电流90～100 A，每个试样40 mm×30 mm×8 mm，堆焊时约为8～9 s，保证一次成形。

堆焊实验

不添加任何铁合金粉末的堆焊实验

不添加任何合金粉末的氩弧焊堆焊试样，洛氏硬度HRC为9；再采用400倍的XJL-024 型立式金相显微镜观察堆焊层的显微组织，其微观组织如图2所示。图中可以看出不添加任何合金粉末的普通氩弧堆焊层组织为珠光体组织[7]。

图2 不添加合金粉末堆焊层的显微组织

铁合金粉末堆焊工艺实验

◆ 实验方案

分别称取5 g的Cr-Fe、Si-Fe、B-Fe、Ti-Fe、Mn- Fe粉末，向其中加入一定量的水玻璃，按照粉末压块的制作方法，制作出符合要求的预置压块。用砂轮机将Q235号钢试样表面的铁锈除去，将压块放置于Q235钢表面上，在250～350 ℃烘箱中烘干，通过热的作用使压块固定在基体表面上。

按照预设的焊接工艺参数在试样上堆焊一道，空冷，冷却至室温后在第一道焊缝旁边堆焊第二道。需要注意的是：在焊接过程中要观察熔池形貌、熔合及焊缝成型情况。堆焊完成后，空冷至室温后采用冷切割的方式将试样切成小块，研究焊缝力学性能，最终确定工艺方案。

◆ 实验结果

Cr-Fe试样，焊缝成型不良，表面孔洞大而多，熔化的金属容易聚堆，不能形成均匀的堆焊层，因此Cr-Fe不适合单独加入。B-Fe试样，焊缝成型良好，表面美观，堆焊层均匀，但堆焊层部位的HRC、耐磨性与原始试样相比，仅有小幅度的提高或者没有提高，未达到预期的效果，因此，B-Fe不适合单独加入。Ti-Fe、Mn-Fe试样，堆焊后焊缝成型较好，HRC测试、耐磨性实验表明硬度和耐磨性均有较大的提高，适合加入试样表面，与实验目的相符。

钛铁粉末堆焊实验

◆ 实验过程

分别称取3，4，5和6 g的钛铁粉末，向其中加入一定量的水玻璃，将粉末和膏状物采用模具制作成 3 mm厚的压块。堆焊前，将压块放置在Q235基体表面上放入烘箱烘干，烘干温度为250～350 ℃，时间约2 h；再通过钨极氩弧焊焊接的方法将粉末压块堆焊到试样表面[8]。

◆ 结果分析

取4种不同钛铁粉末的堆焊试样，各取3个，磨平表面，在HR150-A型洛氏硬度机上分别测3个硬度值，堆焊层的硬度曲线见图3。

图3 钛铁粉末堆焊层的硬度曲线

沿着堆焊层横截面(厚度方向)切取试样，按照观察金相组织的方法将试样磨平、抛光、腐蚀试样，再采用立式金相显微镜观察钛铁粉末堆焊层的组 织[9]，其显微组织如图4所示。

图4 钛铁粉末堆焊层的微观组织

图4 可以看出，基体为铁素体和珠光提组织，黑色团絮状是钛的碳化物，氮化物和碳氮化物分布均匀造成的。同时，图3表明堆焊层的硬度随着钛铁含量的增加，堆焊层的硬度呈直线提高。一方面因为Ti为强碳化物形成元素，一般情况下以大多碳化物、氮化物、碳氮化物的形式存在于钢中，少部分固溶在铁素体中[10]；另一方面由于碳、氮化物以小颗粒的形式弥散在组织中，对奥氏体晶界起固定的作用，阻碍了奥氏体晶界的迁移，即阻止了奥氏体晶粒的长大，起到第二相强化的作用[11]；再者，堆焊后随着温度的降低，钛的碳、氮化物在奥氏体中的溶解度减小，加之形变诱导的析出作用，钛的碳、氮化物在奥氏体向铁素体转变之前弥散析出，成为铁素体的形核剂，使铁素体在较小的过冷度下大量形成，不易长大，从而细化了铁素体晶粒，起到细晶强化的作用[12]。

锰铁粉末堆焊实验

◆ 实验过程

将锰铁粉末分别按照4，5，6和7 g加入一定量的水玻璃，用上述同样的方法制作成预置压块，用氩弧堆焊到基体表面。

◆ 结果分析

硬度测试采用相同的方法，加入锰铁粉末后堆焊层的显微组织见图5，堆焊层的硬度曲线见图6。

图5 锰铁粉末堆焊层的显微组织

如图5所示，通过显微组织观察，堆焊层的基体组织为铁素体和珠光体组织，其中白色的组织为铁素体，黑色的为珠光体组织，珠光体中夹杂有(Fe-Mn)3C型碳化物[13]。

随锰铁含量的增加，堆焊层的组织逐渐由珠光体型转变为马氏体型，并且进一步转变为奥氏体型，Mn大部分固溶于奥氏体中，形成的是置换固 溶体。

图6 锰铁堆焊层的硬度曲线

从图6可以看出，添加锰铁粉末后，堆焊层的HRC先上升，之后略有下降，与不添加任何合金粉末的氩弧焊堆焊层相比，硬度有明显的提高。一方面因为Mn是稳定奥氏体的主要元素，在钢中有扩大奥氏体相区的作用；另一方面Mn能显著提高淬透性，进而溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度；再者，Cr、Mn均是碳化物形成元素，能代替部分铁原子形成(Fe-Mn)3C型碳化物，这种碳化物加热时易溶于奥氏体，回火时易聚集和析出[4]。以上三个原因使基体强化。

此外，随着锰铁含量的增加，熔融金属的流动性变差，产生严重的堆叠现象，气孔增大，飞溅严重，飞溅的金属液滴可达到小米颗粒大小，缺陷明显增多，导致加入的锰铁和液态金属被强烈的气流和飞溅带走，使堆焊层的合金元素含量减少，从而降低了堆焊层的硬度。

结束语

(1) 对钛铁粉、硼铁粉、铬铁粉、锰铁粉的堆焊工艺研究，表明铬铁、硼铁不适合单独加入，钛铁、锰铁堆焊表面质量较好。

(2) 在Q235C钢的表面堆焊钛铁、锰铁粉末可以快速提高表面硬度。随钛铁含量的增加，硬度显著提高；随着锰铁含量的增加，硬度先上升后略有 下降。

(3) 硬度测试和微观组织观察表明铁合金粉末堆焊对提高材料表面的硬度具有十分明显的作用。