论文部分内容阅读
摘要：采用等离子粉末喷焊工艺在某20CrNiMo产品上制备Ni基硬质合金层，并进行PT、微观金相、硬度及SEM扫描等分析。结果表明，硬质合金层制备工艺的重复性良好，熔合线平滑、无缺陷。堆焊接头焊层距离熔合线约100 μm处有析出相减少带，熔合线处有宽2.5 μm的白亮带，熔合线母材侧面存在宽100～200 μm的扩散带。扩散带组织为珠光体铁素体及WC的混合组织。通过SEM-EDS分析可知，焊层组织为γ镍固溶体基体及枝晶间碳化物共晶组织。堆焊层硬度检测分布均匀，硬度满足要求，同时焊层具有加工硬化特征。
关键词：等离子喷焊;WC;镍基硬质合金;金相组织
0 前言
在矿山、钻探等领域，其易损部件如液压支柱、掘进齿、阀座、阀体等运行工况十分恶劣[1]，要承受高频率的对撞冲击和磨粒磨损，其使用寿命较短，经常需要停机更换。如钻探作业中的泥浆泵类零部件，工作8～10 h就会因冲击面变形损伤、疲劳磨损而失效[2]，给生产带来无效的停顿时间，延长施工周期。该类型产品的常规工艺方法是使用20CrNiMo、42CrMo等材料进行渗透淬火处理，以制备硬化层。常规淬火方式获得的硬化层厚度为1～3 mm，硬度可达58～70 HRC。但实践证明，淬火渗碳等工艺制备未能有效改善该淬火钢的使用寿命。
针对该现状，国内外开始研究使用等离子粉末堆焊镍基硬质合金的工艺技术，效果较好。等离子是继激光、电子束之后的第三大高能束流，是一种集合电磁压缩、机械压缩和热压缩效应的拘束电弧，能量密度可与激光媲美[3]。不同焊接热源的温度分布如表1所示。
文中针对20CrNiMo锻件材料，使用东汽自主知识产权的等离子粉末喷焊设备，研究Ni-Cr-B-Si系镍基硬质合金的等离子粉末堆焊工艺。
1 试验方法及材料
试验材料为锻件20CrNiMo，其化学成分如表2所示。采用等离子粉末喷焊专机在部件的冲击面进行堆焊，堆焊位置及坡口如图1所示。斜坡面预制堆焊凹槽，保证加工后的焊层具有良好的熔覆性和耐磨性[4]。堆焊粉末分别为80～200目的Ni55、Ni60、Ni60+25%WC镍基合金粉末，其化学成分如表3所示。
焊层厚度满足坡口处边缘不小于2 mm、中部大于3 mm。试验用等离子设备的送粉气、离子气和保护气均为纯度99.999%的氩气。采用焊前预热、焊后去应力热处理工艺，主要焊接参数如表4所示。
2 试验结果及分析
试验件焊缝成形良好，进行去应力热处理后进行硬度及PT检测。精加工后的试件如图2所示。
对试样进行线切割取样，分别使用TIME5610C便携式超声波硬度計、光学显微镜（40MAT 显微镜）、标乐5112维氏硬度计及扫描电镜（BURKER EDS）进行接头组织和硬度分析。
2.1 焊态硬度检测
试件焊接完成后，采用超声波硬度计检测其焊态下及加工后的基体、焊层的表面硬度：焊层检查共4点，正圆均布在该部件锥面焊道中部。基体外圆均布4点进行硬度检测。硬度数据如表5所示。
由表5可知，试验件在加工后与其焊态相比，硬质合金层表面硬度均有所增加，平均增加值为2～4 HRC，说明该镍基硬质合金层在加工过程中产生了加工硬化现象。硬度较高的WC合金层（3#）的加工硬化更为明显。
2.2 微观金相检查及分析
由于堆焊层的搭接位置是薄弱环节，更具有代表性，故在搭接处进行线切割取样，取样位置及宏观形貌如图3所示。
使用40MAT 光学显微镜分析试样组织，焊层及熔合线金相组织分别如图4～图7所示。
由图4～图7可知，各试样熔合线平滑，母材侧扩散区宽度均匀，约为70～90 μm。在熔合线母材侧均形成了大量较为均匀的板条马氏体+少量铁素体+碳化物的混合组织（见图7 的B区放大图）。这是由于熔合线一侧的镍基合金C、Ni、Cr、Si等元素含量都高于母材，在熔合界面出现了成分扩散。另外，在堆焊槽两侧坡口处堆焊时，由于等离子弧长被坡口压缩，造成坡口处基材熔化，材料稀释作用加剧，成分扩散区也更宽。葛言柳、邓德伟[5]等人研究该扩散区的元素扩散情况发现，焊层中的Ni元素向基体扩散的程度较低，而Fe元素扩散较强。这是熔合稀释作用所导致的元素扩散和元素本身在高温下扩散综合影响的结果。Cr元素在扩散区存在较为严重的偏析，形成了较多的富Cr相。这是因为Cr原子半径较小，高温下易扩散，并极易与C原子形成化合物，从而造成成分偏析。
1#试样在焊层侧宽约200 μm区域内，析出相明显减少，同时存在宽约2.5 μm的白亮带;2#试样同样存在析出相减少区域，宽约100 μm;3#试样也有一定宽度的析出相减少区域。3#试样的焊层中WC颗粒镶嵌其中，分布较为均匀，WC颗粒无明显的分层现象，接近熔合线附近的WC颗粒轻微溶解，焊层中WC颗粒相对溶解较多。这是由于焊接过程中焊道搭接处温度更高，使得搭接处焊层中部的WC颗粒溶解较多，而熔合线附近因凝固速度较快，WC颗粒来不及溶解更多的缘故。此外，混合在Ni60粉末中的WC颗粒是熔融破碎型WC，为不规则锯齿形，有效增加了温度吸收面积，加速了WC颗粒在高温下的溶解，在上述原因的共同作用下，使得WC显示出极不规则的形状。
选择2#焊层组织进行SEM-EDS（BURKER EDS）分析，主要分析照片（见图8）中黑色块针状组织、灰色组织和浅色的基体，分别编号为301-1（2#-1）、304-2（2#-2）、304-3（2#-3）。由图8可知，2#-2、2#-3均含有Si，2#-1不含Si且富含Cr，参考文献[8]可知，其为C、Cr的化合物和Si的化合物。而对于2#-3，其主要富Ni，是Fe、Si、Cr溶于Ni形成的固溶体，呈枝晶状，为γ-Ni基体[7]。2#-2位置主要是Ni、Fe、Si化合物形成的共晶组织。同理，1#和3#试样也为镍基合金，同属于Ni-Cr-B-Si系合金，而3#试样中增加的WC只是机械混合，并没有改变其成分体系。因此其形成的合金组织必然具有相似性。 另外，等离子堆焊时熔池中温度梯度很大，同时存在表面张力、等离子束流处理、气体动力以及显微成分的不均匀性，因此形成了一定的组织梯度[7-8]。而对于同一合金系，采用相同的焊接方法及参数，该组织梯度应具有相似性，故本次仅对2#试样进行扫描分析。
对2#试样，从基体穿越熔合线到焊层进行EDS线扫描，如图9所示。由图9可知，约2.5 μm的白亮带区域内Fe、Cr、Si、Ni元素存在着明显的扩散，其中Fe元素在该区域内的含量急剧降低，Si、Cr、Ni元素剧烈增加，这是基体和焊层合金元素相互扩散导致的。Junling Lind[8]等人将该白亮带称之为扩散迁移带（DTB），认为DTB是在超过1 000 ℃的高温下焊层合金元素向基体奥氏体中扩散并在快速冷却过程中被保留在奥氏体基体中的结果。张红霞[9]等人分析认为，该白亮带是焊层合金中的Ni、Si、B、Cr元素在高温下熔入奥氏体γ相后，使得γ相剧烈合金化，并在随后的冷却中被保留下来的产物。由此可知，白亮带的出现，吸收了附近焊层区域内的Cr等元素。
由成分扫描可知，Cr元素在焊层侧熔合线处距离约40 μm范围内呈现小幅度的成分高低起伏;在该40 μm往右侧28～40 μm区域内，成分曲线平缓且处于含量较低水平。而该区域内Ni含量较高，主要分布相为Ni的固溶体。说明该Cr成分含量较低的区域内，Cr元素向母材和焊层两侧均进行了扩散以及与C等元素之间化合，从而减少了该区域Cr元素，这将降低该区域内Cr固溶强化和形成硬质相的作用[10-11]。这解释了硬质合金焊层在熔合线附近均存在80～200 μm的Cr析出相减少区域的现象。
由此可知，该Cr的析出相减少区域以及白亮带是在高温下由于元素的扩散和电弧搅拌稀释作用共同形成的。
2.3 解剖后硬度
使用标乐5112维氏硬度计测试接头硬度，数据如图10所示，硬质合金硬度基本与牌号提供硬度相当。母材组织硬度在200 HV以上，具有良好的韧性储备。
3 结论
（1）采用Ni55、Ni60和Ni60+25%WC镍基合金成功制备试样件3件，均获得了硬质相分布均匀的硬质合金层，合金层金相组织纯净，PT等检测均一次合格。镍基硬质合金的等离子堆焊工艺选择恰当，重复性良好。
（2）等离子喷焊制备的硬质合金层在加工后有加工硬化现象，且合金层硬度越高，加工硬化越明显。
（3）焊层与基体间会形成白亮带过渡层，该层元素扩散剧烈。在硬质合金焊层偏白亮带的一侧，由于合金元素扩散，会形成Cr硬质相减少区域，宽度约为80～200 μm。
（4）对焊接试样进行EDS线扫描，发现从基体到硬质合金层，合金元素的主要成分有峰值波动，这是因为该合金元素参与了相组成，导致局部区域浓度减少的缘故。
参考文献：
[1] 杨智钰. 泥浆泵带密封圈凡尔座的改造[J]. 军民两用技术与产品，2015，4（下）：245.
[2] 李金梅，史伟，范伟国，等. 泥浆泵凡尔座开裂原因分析[J]. 热处理技术与装备，2016，37（4）：53-55.
[3] 陈兴东，肖玉竹，黄岚. 焊接电流对微弧等离子焊接修复2Cr13叶片接头组织的影响[J]. 电焊机，2016，46（1）：108-109.
[4] 庞佑霞，陆由南. WC喷焊层对Ni60自熔合金冲蚀磨损机制的影响[J]. 润滑与密封，2006（12）：108-120.
[5] 葛言柳，邓德伟，田鑫. 焊接参数对Ni60合金等离子堆焊层组织结构和显微硬度的影响[J]. 中国表面工程，2011，24（5）：23-31.
[6] 胡建军，陈国清，李闪，等. 不同镍基合金等离子堆焊层的微观组织及性能[J]. 热加工工艺，2013，42（3）;151-155.
[7] Kesavan D，Kamaraj M. The microstructure and high tem-perature wear performance of a nickel base hardfaced co-ating[J]. Surface & coatings Technology，2010（204）：4034- 4043.
[8] JunLing Lin，Huzai Hao，Zhian Guo. Interface morphologyof Irom-base Selffusing Alloy coating with Induction-ref-using[A]. In：Proceeding of ITSC’95，1995：537-541.
[9] 張红霞，赵红利，罗成. Ni60自熔性合金高频感应熔涂组织分析[J]. 湖北汽车工业学院学报，2005（3）：32-34.
[10] 李潇一，罗震，步贤政，等. Al2O3陶瓷与金属镍的活性钎焊研究[J]. 材料工程，2008（9）：32-35.
[11] Huang Z Y，Hou Q Y，Wang P. Microstructure and prop-erties of Cr3C2-modified nickel-based alloy coating depo-sited by plasma transferred arc process[J]. Surface & Co-atings Technoligy，2008，202（13）：2103-2112.
关键词：等离子喷焊;WC;镍基硬质合金;金相组织
0 前言
在矿山、钻探等领域，其易损部件如液压支柱、掘进齿、阀座、阀体等运行工况十分恶劣[1]，要承受高频率的对撞冲击和磨粒磨损，其使用寿命较短，经常需要停机更换。如钻探作业中的泥浆泵类零部件，工作8～10 h就会因冲击面变形损伤、疲劳磨损而失效[2]，给生产带来无效的停顿时间，延长施工周期。该类型产品的常规工艺方法是使用20CrNiMo、42CrMo等材料进行渗透淬火处理，以制备硬化层。常规淬火方式获得的硬化层厚度为1～3 mm，硬度可达58～70 HRC。但实践证明，淬火渗碳等工艺制备未能有效改善该淬火钢的使用寿命。
针对该现状，国内外开始研究使用等离子粉末堆焊镍基硬质合金的工艺技术，效果较好。等离子是继激光、电子束之后的第三大高能束流，是一种集合电磁压缩、机械压缩和热压缩效应的拘束电弧，能量密度可与激光媲美[3]。不同焊接热源的温度分布如表1所示。
文中针对20CrNiMo锻件材料，使用东汽自主知识产权的等离子粉末喷焊设备，研究Ni-Cr-B-Si系镍基硬质合金的等离子粉末堆焊工艺。
1 试验方法及材料
试验材料为锻件20CrNiMo，其化学成分如表2所示。采用等离子粉末喷焊专机在部件的冲击面进行堆焊，堆焊位置及坡口如图1所示。斜坡面预制堆焊凹槽，保证加工后的焊层具有良好的熔覆性和耐磨性[4]。堆焊粉末分别为80～200目的Ni55、Ni60、Ni60+25%WC镍基合金粉末，其化学成分如表3所示。
焊层厚度满足坡口处边缘不小于2 mm、中部大于3 mm。试验用等离子设备的送粉气、离子气和保护气均为纯度99.999%的氩气。采用焊前预热、焊后去应力热处理工艺，主要焊接参数如表4所示。
2 试验结果及分析
试验件焊缝成形良好，进行去应力热处理后进行硬度及PT检测。精加工后的试件如图2所示。
对试样进行线切割取样，分别使用TIME5610C便携式超声波硬度計、光学显微镜（40MAT 显微镜）、标乐5112维氏硬度计及扫描电镜（BURKER EDS）进行接头组织和硬度分析。
2.1 焊态硬度检测
试件焊接完成后，采用超声波硬度计检测其焊态下及加工后的基体、焊层的表面硬度：焊层检查共4点，正圆均布在该部件锥面焊道中部。基体外圆均布4点进行硬度检测。硬度数据如表5所示。
由表5可知，试验件在加工后与其焊态相比，硬质合金层表面硬度均有所增加，平均增加值为2～4 HRC，说明该镍基硬质合金层在加工过程中产生了加工硬化现象。硬度较高的WC合金层（3#）的加工硬化更为明显。
2.2 微观金相检查及分析
由于堆焊层的搭接位置是薄弱环节，更具有代表性，故在搭接处进行线切割取样，取样位置及宏观形貌如图3所示。
使用40MAT 光学显微镜分析试样组织，焊层及熔合线金相组织分别如图4～图7所示。
由图4～图7可知，各试样熔合线平滑，母材侧扩散区宽度均匀，约为70～90 μm。在熔合线母材侧均形成了大量较为均匀的板条马氏体+少量铁素体+碳化物的混合组织（见图7 的B区放大图）。这是由于熔合线一侧的镍基合金C、Ni、Cr、Si等元素含量都高于母材，在熔合界面出现了成分扩散。另外，在堆焊槽两侧坡口处堆焊时，由于等离子弧长被坡口压缩，造成坡口处基材熔化，材料稀释作用加剧，成分扩散区也更宽。葛言柳、邓德伟[5]等人研究该扩散区的元素扩散情况发现，焊层中的Ni元素向基体扩散的程度较低，而Fe元素扩散较强。这是熔合稀释作用所导致的元素扩散和元素本身在高温下扩散综合影响的结果。Cr元素在扩散区存在较为严重的偏析，形成了较多的富Cr相。这是因为Cr原子半径较小，高温下易扩散，并极易与C原子形成化合物，从而造成成分偏析。
1#试样在焊层侧宽约200 μm区域内，析出相明显减少，同时存在宽约2.5 μm的白亮带;2#试样同样存在析出相减少区域，宽约100 μm;3#试样也有一定宽度的析出相减少区域。3#试样的焊层中WC颗粒镶嵌其中，分布较为均匀，WC颗粒无明显的分层现象，接近熔合线附近的WC颗粒轻微溶解，焊层中WC颗粒相对溶解较多。这是由于焊接过程中焊道搭接处温度更高，使得搭接处焊层中部的WC颗粒溶解较多，而熔合线附近因凝固速度较快，WC颗粒来不及溶解更多的缘故。此外，混合在Ni60粉末中的WC颗粒是熔融破碎型WC，为不规则锯齿形，有效增加了温度吸收面积，加速了WC颗粒在高温下的溶解，在上述原因的共同作用下，使得WC显示出极不规则的形状。
选择2#焊层组织进行SEM-EDS（BURKER EDS）分析，主要分析照片（见图8）中黑色块针状组织、灰色组织和浅色的基体，分别编号为301-1（2#-1）、304-2（2#-2）、304-3（2#-3）。由图8可知，2#-2、2#-3均含有Si，2#-1不含Si且富含Cr，参考文献[8]可知，其为C、Cr的化合物和Si的化合物。而对于2#-3，其主要富Ni，是Fe、Si、Cr溶于Ni形成的固溶体，呈枝晶状，为γ-Ni基体[7]。2#-2位置主要是Ni、Fe、Si化合物形成的共晶组织。同理，1#和3#试样也为镍基合金，同属于Ni-Cr-B-Si系合金，而3#试样中增加的WC只是机械混合，并没有改变其成分体系。因此其形成的合金组织必然具有相似性。 另外，等离子堆焊时熔池中温度梯度很大，同时存在表面张力、等离子束流处理、气体动力以及显微成分的不均匀性，因此形成了一定的组织梯度[7-8]。而对于同一合金系，采用相同的焊接方法及参数，该组织梯度应具有相似性，故本次仅对2#试样进行扫描分析。
对2#试样，从基体穿越熔合线到焊层进行EDS线扫描，如图9所示。由图9可知，约2.5 μm的白亮带区域内Fe、Cr、Si、Ni元素存在着明显的扩散，其中Fe元素在该区域内的含量急剧降低，Si、Cr、Ni元素剧烈增加，这是基体和焊层合金元素相互扩散导致的。Junling Lind[8]等人将该白亮带称之为扩散迁移带（DTB），认为DTB是在超过1 000 ℃的高温下焊层合金元素向基体奥氏体中扩散并在快速冷却过程中被保留在奥氏体基体中的结果。张红霞[9]等人分析认为，该白亮带是焊层合金中的Ni、Si、B、Cr元素在高温下熔入奥氏体γ相后，使得γ相剧烈合金化，并在随后的冷却中被保留下来的产物。由此可知，白亮带的出现，吸收了附近焊层区域内的Cr等元素。
由成分扫描可知，Cr元素在焊层侧熔合线处距离约40 μm范围内呈现小幅度的成分高低起伏;在该40 μm往右侧28～40 μm区域内，成分曲线平缓且处于含量较低水平。而该区域内Ni含量较高，主要分布相为Ni的固溶体。说明该Cr成分含量较低的区域内，Cr元素向母材和焊层两侧均进行了扩散以及与C等元素之间化合，从而减少了该区域Cr元素，这将降低该区域内Cr固溶强化和形成硬质相的作用[10-11]。这解释了硬质合金焊层在熔合线附近均存在80～200 μm的Cr析出相减少区域的现象。
由此可知，该Cr的析出相减少区域以及白亮带是在高温下由于元素的扩散和电弧搅拌稀释作用共同形成的。
2.3 解剖后硬度
使用标乐5112维氏硬度计测试接头硬度，数据如图10所示，硬质合金硬度基本与牌号提供硬度相当。母材组织硬度在200 HV以上，具有良好的韧性储备。
3 结论
（1）采用Ni55、Ni60和Ni60+25%WC镍基合金成功制备试样件3件，均获得了硬质相分布均匀的硬质合金层，合金层金相组织纯净，PT等检测均一次合格。镍基硬质合金的等离子堆焊工艺选择恰当，重复性良好。
（2）等离子喷焊制备的硬质合金层在加工后有加工硬化现象，且合金层硬度越高，加工硬化越明显。
（3）焊层与基体间会形成白亮带过渡层，该层元素扩散剧烈。在硬质合金焊层偏白亮带的一侧，由于合金元素扩散，会形成Cr硬质相减少区域，宽度约为80～200 μm。
（4）对焊接试样进行EDS线扫描，发现从基体到硬质合金层，合金元素的主要成分有峰值波动，这是因为该合金元素参与了相组成，导致局部区域浓度减少的缘故。
参考文献：
[1] 杨智钰. 泥浆泵带密封圈凡尔座的改造[J]. 军民两用技术与产品，2015，4（下）：245.
[2] 李金梅，史伟，范伟国，等. 泥浆泵凡尔座开裂原因分析[J]. 热处理技术与装备，2016，37（4）：53-55.
[3] 陈兴东，肖玉竹，黄岚. 焊接电流对微弧等离子焊接修复2Cr13叶片接头组织的影响[J]. 电焊机，2016，46（1）：108-109.
[4] 庞佑霞，陆由南. WC喷焊层对Ni60自熔合金冲蚀磨损机制的影响[J]. 润滑与密封，2006（12）：108-120.
[5] 葛言柳，邓德伟，田鑫. 焊接参数对Ni60合金等离子堆焊层组织结构和显微硬度的影响[J]. 中国表面工程，2011，24（5）：23-31.
[6] 胡建军，陈国清，李闪，等. 不同镍基合金等离子堆焊层的微观组织及性能[J]. 热加工工艺，2013，42（3）;151-155.
[7] Kesavan D，Kamaraj M. The microstructure and high tem-perature wear performance of a nickel base hardfaced co-ating[J]. Surface & coatings Technology，2010（204）：4034- 4043.
[8] JunLing Lin，Huzai Hao，Zhian Guo. Interface morphologyof Irom-base Selffusing Alloy coating with Induction-ref-using[A]. In：Proceeding of ITSC’95，1995：537-541.
[9] 張红霞，赵红利，罗成. Ni60自熔性合金高频感应熔涂组织分析[J]. 湖北汽车工业学院学报，2005（3）：32-34.
[10] 李潇一，罗震，步贤政，等. Al2O3陶瓷与金属镍的活性钎焊研究[J]. 材料工程，2008（9）：32-35.
[11] Huang Z Y，Hou Q Y，Wang P. Microstructure and prop-erties of Cr3C2-modified nickel-based alloy coating depo-sited by plasma transferred arc process[J]. Surface & Co-atings Technoligy，2008，202（13）：2103-2112.