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發(fā)表于 2009-5-16 08:42:11
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摘要:利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)及X射線衍射等方法研究了一種新型工具鋼冷焊焊縫的微觀組織,認(rèn)為加入強(qiáng)碳化物元素可獲得在低碳馬氏體基體上彌散分布碳化物顆粒的冷焊焊縫,該焊縫硬度高、韌性好,可同時滿足工具鋼對耐磨性和抗裂性的要求。$ I7 C7 f0 Q8 _0 }) |
$ b/ C0 z% q$ \ r1 `1 引言3 V1 ~/ k0 O" F" X; R! K
由于冷作模具、冶金備件(如軋輥)等在工作時需承受巨大的交變應(yīng)力及摩擦作用,因此要求構(gòu)件表面在具有較高的硬度(58~62HRC)、良好的耐磨性的同時具有較好的韌性。構(gòu)件材料一般選用優(yōu)質(zhì)工具鋼,并且經(jīng)過嚴(yán)格的表面熱處理。但惡劣的工作條件常導(dǎo)致構(gòu)件表面出現(xiàn)裂紋,甚至局部脫落。這些構(gòu)件造價昂貴,若整件報廢,將造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。與構(gòu)件整體相比,其缺陷尺寸一般較小,若采用適當(dāng)方法進(jìn)行修復(fù),則可顯著降低生產(chǎn)成本。焊接堆焊修復(fù)即是延長構(gòu)件服役時間的一種有效方法。
; Z& E8 e0 G0 T9 z目前常用的堆焊焊縫材料為Cr-Mo-W合金系,利用網(wǎng)狀碳化物及高碳馬氏體來提高工模具的硬度及耐磨性。但工模具表面極高的硬度及脆性使其可焊性差,為避免焊接裂紋,需要焊前預(yù)熱300~500℃(有時還需進(jìn)行焊后熱處理),這對于一些大型工模具的修復(fù)而言工藝可行性極差,嚴(yán)重限制了堆焊修復(fù)法的工程應(yīng)用,迫切需要研究一種工藝簡單的冷焊修補(bǔ)方法。為了實(shí)現(xiàn)工具鋼的冷焊,除采用降低焊接應(yīng)力的工藝措施外,必須在保證焊縫硬度及耐磨性的同時提高焊縫的韌性及抗裂性。筆者通過堆焊試驗(yàn)并利用掃描電鏡(SEM)、透射電鏡(TEM)及X射線衍射等方法對一種新型冷焊焊縫的微觀組織進(jìn)行了研究。
5 v& W: f' ~. l8 A: @' S, ^2 堆焊試驗(yàn)與檢測- @/ [. u& z/ z0 Z: ]4 \9 [8 ~8 l
試驗(yàn)材料: 采用高碳的Ti-Nb-V-Re-Cr合金系,通過焊條藥皮過渡C及合金元素,藥皮中加入金屬Nb、Ni、鈦鐵、釩鐵、鉻鐵、石墨及Re-Si、Re-Mg合金;采用CaO-CaF2-TiO2渣系,熔渣堿度B=1.3~1.4;采用Ø3.2mm的H08A焊芯,在TL-25型焊條壓涂機(jī)上壓制焊條。 , o* D, j+ i( J# x- o
試驗(yàn)設(shè)備及程序: 利用自制焊條在9Cr2Mo軋輥表面堆焊金相試樣,焊接電流I=130~150A,層間溫度小于35℃;水冷條件下用砂輪切割機(jī)切取試樣。采用JXA-840型掃描電鏡(SEM)、電子探針(EPMA)、3080E型X射線熒光光譜儀、H-80透射電鏡(TEM)以及D/max-RC型X射線衍射儀對試樣進(jìn)行微觀組織成分分析。用ZB-28沖擊試驗(yàn)機(jī)作無缺口沖擊試驗(yàn),用SEM觀察斷口形貌。在Ø200mm的9Cr2Mo冷軋輥表面進(jìn)行缺陷修補(bǔ)并進(jìn)行檢驗(yàn)。
% ~+ v2 o* h# ?% G, g( ?3 試驗(yàn)結(jié)果與分析
6 [# z- R' K) }2 S @表1 焊縫主要元素含量(質(zhì)量百分?jǐn)?shù),%) 元素 C Ti Nb V Cr Ni Mo 含量 0.88 0.64 1.18 2.18 1.43 1.3 0.25
$ ^. ~. u Y1 f$ \1 v焊縫主要成分
5 |4 x; v$ k8 Q$ \沖擊試驗(yàn)及斷口觀察 3 Y- N g8 D* j$ I0 |' l4 V
缺陷修補(bǔ)試驗(yàn) * T( X' L6 P0 D! e( k
由X射線熒光光譜儀測得的焊縫主要成分見表1。 ) s$ P, A! o" W- j; A! e
由表1可知,X射線熒光光譜儀測得焊縫為高碳多元合金系統(tǒng),而高碳是保證焊縫硬度及耐磨性的基礎(chǔ)。Nb、Ti、V為強(qiáng)碳化物形成元素,易形成MC型碳化物,含量較高時可由液態(tài)金屬中析出初生碳化物。MC碳化物的高硬度(TiC:HV3200,NbC:HV2400,VC:HV2094)有利于提高焊縫硬度和耐磨性;同時,初生碳化物分布均勻,有利于改善材料韌性。Cr、Mo為中強(qiáng)碳化物元素,但與Ti、Nb、V共存時,Cr、Mo主要起固溶強(qiáng)化作用,強(qiáng)化基體,而Mo對于細(xì)化晶粒、改善材料韌性也有一定作用。Ni的主要作用是固溶強(qiáng)化、改善韌性。X射線熒光光譜儀還測得焊縫中加有Re元素,目的是利用Re氧化物為碳化物提供形核核心,促進(jìn)碳化物的彌散分布。 : x* n' n7 {4 Y% Q8 n$ b% x' u* P
圖1為焊縫試樣的X射線衍射結(jié)果,焊縫材料主要由α-Fe和NbC、TiC組成。圖2所示為焊縫中碳化物的分布形態(tài),由圖中可見碳化物數(shù)量多且呈顆粒狀均勻分布。電子探針及電子衍射試驗(yàn)結(jié)果表明,焊縫中的碳化物主要為NbC、TiC、VC或Nb、Ti、V的復(fù)合碳化物(Nb,Ti,V)C。
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" k8 g- S3 g( }! g1 X圖1
( D3 L( x9 Z8 V" X圖2 ' L" {1 g" J* U4 b' U
圖3為焊縫基體組織的TEM照片,可知基體為典型的板條狀馬氏體。由于板條狀馬氏體含碳量低,亞結(jié)構(gòu)為高密度的位錯,具有良好的綜合性能,因此有利于改善焊縫韌性。在高碳焊縫中之所以能獲得低碳的板條馬氏體,與大量碳化物的早期形成有關(guān)。焊縫中Nb、Ti、V含量高,在液態(tài)熔滴或熔池中與C結(jié)合形成大量均勻的碳化物,使奧氏體基體中的碳含量降低,從而避免形成脆性的高碳孿晶馬氏體。另一方面,基體含碳量的降低也減少了焊縫凝固后網(wǎng)狀二次碳化物的析出,減輕了對基體的割裂作用。9 ~( J: x+ m Z- B; Q; q) E, _
+ x( M5 }; B4 D! y5 w, Y圖3 ) }9 g% I1 x+ G
圖4 表2 焊縫試樣沖擊韌度(αk,J/?) 編號 1 2 3 4 5 αk 52 51 56 49 52
6 M9 h6 j) E" H焊縫無缺口沖擊試驗(yàn)結(jié)果見表2,斷口形貌見圖4。由表2、圖4可知焊縫平均沖擊韌度達(dá)52J/?,斷口為明顯的韌窩狀斷口,表明焊縫韌性較好。
# b# E3 |# E( o' r2 O用角磨機(jī)對9Cr2Mo軋輥表面缺陷進(jìn)行修整,修整后缺陷尺寸約為Ø30mm,深8~10mm。采用冷焊工藝進(jìn)行缺陷修補(bǔ),層間溫度約為35℃,每一層焊接后立即進(jìn)行錘擊以消除應(yīng)力,以達(dá)到改善晶粒形態(tài)、消除鑄態(tài)缺陷和減輕焊接應(yīng)力的目的。焊后進(jìn)行磁粉探傷,焊縫及熱影響區(qū)未發(fā)現(xiàn)裂紋。焊縫硬度為56~60HRC,接近9Cr2Mo母材的表面硬度(60~61HRC)。, }5 T! K. M" R+ t
4 結(jié)論. o* B: \' w/ F+ ]0 J
堆焊試驗(yàn)與檢測分析說明:利用強(qiáng)碳化物元素可在工具鋼冷堆焊焊縫中獲得彌散的碳化物質(zhì)點(diǎn),可明顯提高焊縫的硬度和耐磨性;同時焊縫中獲得的低碳板條狀馬氏體基體有利于提高焊縫的韌性和抗裂性。新型的高碳Ti-Nb-V-Re-Cr合金系冷焊焊縫可滿足工模具冷焊修補(bǔ)的要求,冷焊工藝簡單實(shí)用,容易推廣。 |
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