一种新型工具钢冷焊焊缝的研究

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1 引言

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由于冷作模具、冶金备件(如轧辊)等在工作时需承受巨大的交变应力及摩擦作用，因此要求构件表面在具有较高的硬度(58～62HRC)、良好的耐磨性的同时具有较好的韧性。构件材料一般选用优质工具钢，并且经过严格的表面热处理。但恶劣的工作条件常导致构件表面出现裂纹，甚至局部脱落。这些构件造价昂贵，若整件报废，将造成巨大的经济损失。与构件整体相比，其缺陷尺寸一般较小，若采用适当方法进行修复，则可显著降低生产成本。焊接堆焊修复即是延长构件服役时间的一种有效方法。

目前常用的堆焊焊缝材料为Cr-Mo-W合金系，利用网状碳化物及高碳马氏体来提高工模具的硬度及耐磨性。但工模具表面极高的硬度及脆性使其可焊性差，为避免焊接裂纹，需要焊前预热300～500℃(有时还需进行焊后热处理)，这对于一些大型工模具的修复而言工艺可行性极差，严重限制了堆焊修复法的工程应用，迫切需要研究一种工艺简单的冷焊修补方法。为了实现工具钢的冷焊，除采用降低焊接应力的工艺措施外，必须在保证焊缝硬度及耐磨性的同时提高焊缝的韧性及抗裂性。笔者通过堆焊试验并利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及X射线衍射等方法对一种新型冷焊焊缝的微观组织进行了研究。

2 堆焊试验与检测

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1. 试验材料： 采用高碳的Ti-Nb-V-Re-Cr合金系，通过焊条药皮过渡C及合金元素，药皮中加入金属Nb、Ni、钛铁、钒铁、铬铁、石墨及Re-Si、Re-Mg合金；采用CaO-CaF₂-TiO₂渣系，熔渣碱度B=1.3～1.4；采用Ø3.2mm的H08A焊芯，在TL-25型焊条压涂机上压制焊条。
2. 试验设备及程序： 利用自制焊条在9Cr2Mo轧辊表面堆焊金相试样，焊接电流I=130～150A，层间温度小于35℃；水冷条件下用砂轮切割机切取试样。采用JXA-840型扫描电镜(SEM)、电子探针(EPMA)、3080E型X射线荧光光谱仪、H-80透射电镜(TEM)以及D/max-RC型X射线衍射仪对试样进行微观组织成分分析。用ZB-28冲击试验机作无缺口冲击试验，用SEM观察断口形貌。在Ø200mm的9Cr2Mo冷轧辊表面进行缺陷修补并进行检验。

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3 试验结果与分析

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表1 焊缝主要元素含量(质量百分数，%)

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

1. 焊缝主要成分 1 ?" z: K* [4 `3 m5 B. g- v( q8 k' `0 C
   由X射线荧光光谱仪测得的焊缝主要成分见表1。 ; W# |9 g C8 T( y
   由表1可知，X射线荧光光谱仪测得焊缝为高碳多元合金系统，而高碳是保证焊缝硬度及耐磨性的基础。Nb、Ti、V为强碳化物形成元素，易形成MC型碳化物，含量较高时可由液态金属中析出初生碳化物。MC碳化物的高硬度(TiC：HV3200，NbC：HV2400，VC：HV2094)有利于提高焊缝硬度和耐磨性；同时，初生碳化物分布均匀，有利于改善材料韧性。Cr、Mo为中强碳化物元素，但与Ti、Nb、V共存时，Cr、Mo主要起固溶强化作用，强化基体，而Mo对于细化晶粒、改善材料韧性也有一定作用。Ni的主要作用是固溶强化、改善韧性。X射线荧光光谱仪还测得焊缝中加有Re元素，目的是利用Re氧化物为碳化物提供形核核心，促进碳化物的弥散分布。 . L* g& y! s' r1 J- O1 O7 E! a9 p' e% i
   图1为焊缝试样的X射线衍射结果，焊缝材料主要由α-Fe和NbC、TiC组成。图2所示为焊缝中碳化物的分布形态，由图中可见碳化物数量多且呈颗粒状均匀分布。电子探针及电子衍射试验结果表明，焊缝中的碳化物主要为NbC、TiC、VC或Nb、Ti、V的复合碳化物(Nb，Ti，V)C。
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   图1

   图2

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   图3为焊缝基体组织的TEM照片，可知基体为典型的板条状马氏体。由于板条状马氏体含碳量低，亚结构为高密度的位错，具有良好的综合性能，因此有利于改善焊缝韧性。在高碳焊缝中之所以能获得低碳的板条马氏体，与大量碳化物的早期形成有关。焊缝中Nb、Ti、V含量高，在液态熔滴或熔池中与C结合形成大量均匀的碳化物，使奥氏体基体中的碳含量降低，从而避免形成脆性的高碳孪晶马氏体。另一方面，基体含碳量的降低也减少了焊缝凝固后网状二次碳化物的析出，减轻了对基体的割裂作用。
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   图3

   图4

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   表2 焊缝试样冲击韧度(α_k，J/㎠)

   编号	1	2	3	4	5
   αk	52	51	56	49	52

2. 冲击试验及断口观察 8 a5 z$ I- H8 D0 b2 G. r. v
   焊缝无缺口冲击试验结果见表2，断口形貌见图4。由表2、图4可知焊缝平均冲击韧度达52J/㎠，断口为明显的韧窝状断口，表明焊缝韧性较好。
3. 缺陷修补试验
   用角磨机对9Cr2Mo轧辊表面缺陷进行修整，修整后缺陷尺寸约为Ø30mm，深8～10mm。采用冷焊工艺进行缺陷修补，层间温度约为35℃，每一层焊接后立即进行锤击以消除应力，以达到改善晶粒形态、消除铸态缺陷和减轻焊接应力的目的。焊后进行磁粉探伤，焊缝及热影响区未发现裂纹。焊缝硬度为56～60HRC，接近9Cr2Mo母材的表面硬度(60～61HRC)。

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4 结论

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堆焊试验与检测分析说明：利用强碳化物元素可在工具钢冷堆焊焊缝中获得弥散的碳化物质点，可明显提高焊缝的硬度和耐磨性；同时焊缝中获得的低碳板条状马氏体基体有利于提高焊缝的韧性和抗裂性。新型的高碳Ti-Nb-V-Re-Cr合金系冷焊焊缝可满足工模具冷焊修补的要求，冷焊工艺简单实用，容易推广。