WC颗粒增强高铬耐磨钢堆焊层组织及性能研究

WC颗粒增强高铬耐磨钢堆焊层组织及性能研究

王昕昕，牛 犇，易耀勇，易江龙，罗俊威，王键益

（广东省焊接技术研究所（广东省中乌研究院）广东省现代焊接技术重点实验室，广东广州510651）

摘要：采用添加WC的高铬耐磨药芯焊丝作为焊接材料，利用熔化极气体保护焊进行不同焊接工艺条件下的堆焊实验，分析堆焊层组织及耐磨性能，研究焊接工艺对WC增强高铬耐磨钢组织及性能的影响。结果表明：随着焊接热输入的增加，焊道熔深和熔宽增加，而焊缝余高降低，堆焊层的热影响区增大；WC增强高铬耐磨钢堆焊层基体组织由奥氏体和共晶碳化物组成，共晶碳化物呈鱼骨状或者棒状，主要由铁铬钨相组成。球形碳化钨在基体中发生了熔化分解，其组织形态主要由原始WC颗粒、钨铁铬扩散层及鱼骨状共晶碳化物组成。随着焊接热输入的增加，基体组织中奥氏体含量比例上升，原始WC颗粒逐渐变小，直至完全熔解，堆焊层硬度和耐磨性降低。

关键词：高铬钢；碳化钨；显微组织；耐磨性

0 前言

高铬耐磨钢因具有较好的耐磨性和抗热裂性，在矿山机械中得到广泛应用。陶瓷颗粒增强添加材料碳化钨具有硬度较高、与金属润湿效果好等特点。若能控制合适添加量及堆焊工艺，制备含有碳化钨的颗粒增强复合耐磨堆焊层，将融合金属基体和硬质颗粒的优势，具有良好的韧性、较高的硬度及耐磨性，在耐磨材料领域具有广阔的应用前景。采用药芯焊丝电弧堆焊工艺是制备陶瓷颗粒增强复合堆焊层简易方式之一，该方法首先将陶瓷颗粒均匀分散在药芯焊丝的粉芯材料中，再通过气体保护堆焊方法在基体表面熔敷单层或多层复合层，形成含陶瓷颗粒增强相的耐磨层。药芯焊丝电弧堆焊工艺的合金体系选择范围广，在药芯焊丝的填充率范围内可自由添加陶瓷颗粒，制取的复合堆焊层不仅硬度高，还能通过焊接工艺优化，多层堆焊累积到一定厚度。此外，该方法简便，易操作，尤其适合大型工件的现场修复及表面强化应用。

在电弧堆焊过程中，焊接工艺参数对堆焊层性能影响较大。王淑峰[1]等研究发现，高铬铸铁耐磨堆焊层在不同堆焊工艺下的显微组织略有差异，耐磨性较普通碳素钢均有显著提高，当堆焊工艺为等离子焊和埋弧焊时，高铬铸铁基复合焊层耐磨性分别是Q235钢的1.5倍和2.57倍。此外，焊接工艺也直接影响堆焊层中碳化钨颗粒的溶解行为，碳化物颗粒的适当溶解会增强其与基体的结合强度，而焊接电流过大、温度过高会加剧碳化钨颗粒的溶解，严重情况下甚至完全溶解，导致其作为硬质相的优良耐磨性能不能充分发挥。彭思源[2]分析研究了WC颗粒度对堆焊层耐磨性能的影响，在堆焊高温条件下，颗粒度越小，WC越容易发生熔化溶解，当加入相同WC含量时，粒度为1 000目的细小WC颗粒溶解最多，基体硬度显著提高。

本文采用添加有碳化钨陶瓷颗粒的高铬钢药芯焊丝作为堆焊材料，利用熔化极气体保护焊进行不同焊接工艺条件下的堆焊实验。通过堆焊层的组织分析，研究焊接工艺对碳化钨增强高铬耐磨钢组织和耐磨性能的影响，探索优化基体组织和减少碳化钨溶解的最佳工艺条件，为提高高铬钢堆焊层的耐磨性提供依据。

1 实验材料和方法

采用天津旭智公司生产的XZ-YCX8药芯焊丝生产设备制备药芯焊丝，粉芯中碳化钨含量20%，填充率30%，焊丝直径φ1.6 mm。堆焊母材采用Q235钢板。使用EWM逆变焊机（Phoenix 521 force Arc puls DW），采用纯氩作为保护气体进行堆焊试验，堆焊两层，焊接参数如表1所示。

首先，在政策信息与咨询子系统方面，必须从以政策学习与政策移植为主的“拿来主义”向原创性政策分析转变。无论是产业政策或科技政策，政策主体都必须改变“以洋为师”的信息获得模式，转向内生性数据和大数据分析，独立自主地进行信息收集和信息分析，进而原创性地提供解决问题的途径和方案。因此，以专利分析为主体的知识产权评议机制，必须在产业政策、科技政策的信息与咨询子系统中居于核心位置，并予以制度化保障。

表1 气体保护药芯焊丝电弧堆焊工艺参数

试样号1#2#3#峰值电流I/A 247 263 291电压U/V 22.0 25.2 27.6焊接速度v/m·h-1 12.9 14.7 15.6脉冲频率f/Hz 555峰值时间t/s 0.1 0.1 0.1热输入Q/J·cm－1 88.46 91.30 104.26

由于母材表面存在油污等杂质，在实施堆焊前需对焊板进行预处理，先用丙酮清洗表面油污，再用砂轮机打磨去除铁锈及氧化皮。堆焊时，同层焊道间的搭接率应该保证在约1/3。堆焊后，试样不经任何热处理，置于空气中自然冷却。堆焊示意如图1所示。

图1 堆焊层结构示意

堆焊完成后，沿焊层径向切割堆焊试样，样品尺寸为20 mm×20 mm×30 mm，检测前经过80～2 000粒度的机械水磨和抛光，用王水腐蚀液腐蚀5 s。采用Leica：DM-IRM型金相显微镜观察样品微观组织形貌与碳化钨分布状况。使用具有能谱仪的扫描电子显微镜（SEM，JEOL：JXA-8100）分析堆焊层基体及WC颗粒周围主要元素的分布情况。

2 实验结果与分析

2.1 堆焊焊道宏观分析

通过体视显微镜分析堆焊层成型，如图2所示。利用图像分析软件测量3个试样的熔深。焊道成形参数如表2所示。随着焊接热输入的增大，焊道熔宽不断增大，余高不断减小。由于脉冲电弧产生的电磁收缩力对电弧产生了较大影响，收缩效应以电流强度平方的形式增大，因此电流对熔深的影响较为明显，熔深显著增加。由图2a可知，堆焊层与母材夹角约为97°，在堆焊层底部有明显黑色的碳化钨颗粒沉积。由于堆焊层与母材夹角较小，在堆焊过程中容易产生夹杂和未熔合缺陷。随着热输入量的增加，堆焊层与母材夹角变大，焊缝成形优化。但是随着热数量的增大，母材金属热影响区增加，并且堆焊层性能降低，增加堆焊材料的消耗。图2c中发现一道明显的裂纹，随着热输入量的增加，堆焊层应力增加，堆焊层裂纹、剥落等缺陷增加。

表2 堆焊焊道成形参数

试样号1#2#3#熔宽/mm 7.781 7.972 8.821余高/mm 4.088 3.466 3.454熔深/mm 2.677 2.745 2.844

2.2 堆焊层金属金相分析

将堆焊层金属表面打磨5 mm厚后取样，制备成金相试样，用于观察堆焊层组织。堆焊层组织如图3所示。碳化钨增强高铬堆焊层组织主要由奥氏体和共晶碳化物组成，其中奥氏体基体呈树枝晶，共晶碳化物呈网状结构。

由图3a可知，碳化物颗粒较大，约为150 μm，碳化钨周边熔解较少，奥氏体枝晶较为零散，奥氏体与共晶碳化物面积分别占46.04%和53.96%，晶粒度为10级。随着热输入的增加，碳化钨颗粒直径减少，并出现明显的熔解现象，奥氏体枝晶较为明显，奥氏体与共晶碳化物面积分别占54.34%和45.66%，晶粒略有长大，晶粒度为11级且晶粒大小不一。当电流上升至290A时，奥氏体枝晶更加明显，奥氏体与共晶碳化物面积分别占60.41%和39.59%，碳化钨颗粒直径变化较小，奥氏体晶粒细化，晶粒度为10级。

图2 堆焊焊道宏观界面

2.3 堆焊层基体微观组织分析

利用扫描电镜及EDS对堆焊层基体组织进行显微分析。其中1#试样基体如图4所示。由图4可知，1#试样基体为奥氏体+共晶碳化物组织，以及少量层片状组织。通过EDS对共晶碳化物组织进行元素分析，结果如表3所示。由表3可知，亮白色层片状组织（Spectrum 3）组织中C、Cr含量偏低。这是由于在碳化物和奥氏体晶界处容易形成低碳、低铬区域，导致产生珠光体组织。

表3 1#试样基体组织EDS分析%

Spectrum Spectrum 1 Spectrum 2 Spectrum 3 Spectrum 4 w（C）7.77 10.52 5.90 3.31 w（Cr）9.35 15.73 5.90 5.35 w（Mn）—1.66 1.08 1.22 w（Fe）42.82 54.47 48.42 78.52 w（W）40.07 17.63 38.70 11.60 Total 100.00 100.00 100.00 100.00

图3 堆焊层顶部区域金相组织

图4 1#试样微观组织分析

图5 2#试样微观组织照片及CCT曲线

随着热输入量的增加，元素扩散能力的提升，在2#试样组织中，珠光体含量明显降低。而共晶碳化物网状结构得到一定改善，如图5a所示。结合基体的连续冷却转变曲线（见图5b），热输入的增加导致堆焊层冷却速度下降，基体中珠光体孕育时间变短，而残余奥氏体转变温度提升，在基体中奥氏体含量增加，而珠光体含量降低[3-4]。此外，由于堆焊层金属在高温区域停留时间加长，导致残余奥氏体晶粒长大。因此在2#试样中，奥氏体在基体中所占面积增大，晶粒度上升至11级。

随着武陵山大裂谷5A级景区的创建，旅游人次逐年增多，武陵山风景度假区规划进一步拓展，我们应该抓住发展特色旅游的历史机遇，建设极具当地特色文化、民宿风情的特色旅游小镇。

随着热输入的进一步提高，堆焊层基体中出现灰色块状颗粒，如图6a所示。通过EDS分析可知（见图 6b），w（W）=59.34%，w（C）=5.32%，w（Mn+Cr）=5.58%，其余为 Fe，由 Fe3W3C、Fe4W2C、Fe6W6C 组成。这些颗粒的存在阻碍了奥氏体晶粒长大，导致基体组织细化，晶粒度降为10。

2.4 碳化钨颗粒在基体中的形态

碳化钨颗粒通过电弧熔滴过渡添加到堆焊组织中，组织形态发生一定的改变。在基体组织中，碳化钨颗粒主要存在以下几种形态：（1）亮白色的球形碳化钨颗粒；（2）亮白色球形碳化钨颗粒周边存在不同程度的灰色扩散层，颗粒周边存在鱼骨状或者块状碳化钨；（3）亮白色碳化钨颗粒消失，灰色扩散层周围破碎，鱼骨状碳化钨分布在颗粒周围，如图7所示。

例句：She has got some free tickets to the comedy show.

图6 3#试样微观组织分析及EDS图谱

图7 碳化物颗粒在基体中的不同形态

对图7中2#球形碳化钨颗粒进行元素面扫描，结果如图8所示，亮白色碳化钨颗粒中心部位主要含钨元素，几乎不含铁元素和铬元素。沿碳化钨颗粒中心向外延展，铁元素含量分别出现两个阶段的提升，在灰色扩散区域，铁元素含量是基体铁元素含量的1/2。铬元素含量在基体中和灰色扩散区域分布较为均匀。通过EDS对其碳化钨颗粒各区域进行元素含量测定，结果如图9、表4所示。

结合图9、表4可知，碳化钨颗粒中心只有钨元素和碳元素，因此可以推断堆焊组织中球形碳化钨颗粒中心组织未发生改变；在灰色扩散层组织中，存在碳元素、铬元素、铁元素和钨元素，因此可以推断碳化钨颗粒在基体组织发生了一定的熔化分解，生成FeW相，由于Cr与Fe的原子半径相近，Cr元素可以在铁基合金的冷却凝固过程中置换出Fe元素，从而形成固溶体。由此推断，灰色扩散层主要由钨铁相、钨铬相和铁铬钨相组成。球形颗粒周边存在典型的莱氏体组织形貌的类骨骼状组织和鱼骨状组织，它们是由亮色骨骼（或鱼骨）状的富钨型复式碳化物和填充在骨骼间隙中的黑色铁基体组成。灰色扩散区和鱼骨状组织的形成是由于WC陶瓷颗粒在高温堆焊过程中溶解，边缘分解出W和C，并与熔池中的基体组成成分Fe和Cr发生化学扩散反应，形成了形态不同、亮暗有别的复杂碳化物组织。碳化钨颗粒的分解程度受到焊接热输入的直接影响[7-9]。随着焊接热输入的增大，球形碳化钨颗粒分解程度不断增大直至碳化钨颗粒全部消失，失去第二相粒子强化作用。

自2008年起，四川省开始开展高职单招考试．通过单独考试、单独录取的方式，选拔一些对某方面有特别爱好，愿意在某个专业、职业领域长远发展，且动手能力、实践能力较强的学生进入高职院校进一步学习．普高生和中职生均可参加高职单招考试，一旦被参加测试的高职院校录取的学生，无需再参加当年的高考．

图8 碳化钨颗粒元素线扫描

图9 碳化钨颗粒EDS测试区域示意

表4 球形碳化钨颗粒EDS分析%

Spectrum Spectrum 1 Spectrum 2 Spectrum 3 Spectrum 4 Spectrum 5 w（C）5.76 5.78 7.03 5.74 3.88 w（Cr）—4.01 3.46 6.06 5.13 w（Mn）— —0.71 1.13 w（Fe）—22.32 25.24 47.26 78.97 w（W）94.24 67.89 64.27 40.24 10.89 Total 100.00 100.00 100.00 100.00 100.00

2.5 堆焊层耐磨性能

采用Lable摩擦磨损实验机，以φ9的Si3N4耐磨球作为摩擦副，摩擦副行程5 mm，试验载荷3 kg，摩擦副往复摩擦频率8 Hz，试验时间30 min。实验测得3组堆焊试样摩擦系数及宏观硬度如表5所示。其磨损形貌如图10所示。

本文从生态节能性方面对驾驶员驾驶行为进行评价，通过对车辆能耗影响因素的分析，借鉴国内外在生态驾驶、驾驶行为建议等方面的研究[5-7]，结合对车辆从业人员和驾驶员的调研结果，从采集的基础数据中，提取出4类影响车辆能源消耗的4类要素：急加速、急减速、长时超速、长时怠速. 本文将四类影响因素的出现次数作为评价输入，归纳各要素与生态驾驶行为评价之间的关系.

表5 堆焊层摩擦系数

试样号1#2#3#摩擦系数1.37 1.77 2.13磨损量/mg 0.6 1.4 1.9宏观硬度/HRC 51.5 50.0 48.0

由表5可知，随着热输入量的增大，堆焊层硬度从51.5 HRC下降至48 HRC，而堆焊层的磨损量及在摩擦试验中的摩擦系数则随着热输入量的增加而增加，耐磨损性能降低。结合图10可知，在1#试样中，由于基体硬度远低于WC颗粒硬度，在摩擦磨损过程中受到摩擦副作用先出现磨损下凹。随着基体的不断流失，WC颗粒逐渐裸露，并在磨损过程中作为硬质相颗粒在承受摩擦副的冲击和切削作用，从而保护基体不被磨损。基体组织为WC颗粒提供支撑，并吸收摩擦磨损过程中产生的应力，提高堆焊层抗塑性变形能力。随着碳化钨颗粒的熔解，硬质相颗粒的“阴影效应”降低，摩擦系数升高，磨损情况增加。WC颗粒熔解将增加基体的W含量和C含量，基体组织的塑形降低、淬硬性增加。摩擦磨损过程中，基体组织受力变形，容易产生裂纹，导致基体剥离、脱落，降低基体的耐磨性。

图10 堆焊层磨损形貌

3 结论

本文采用添加有碳化钨陶瓷颗粒的高铬钢药芯焊丝作为焊接材料，利用熔化极气体保护焊进行不同焊接工艺条件下的堆焊实验。通过分析堆焊层组织，研究了焊接工艺对碳化钨增强高铬耐磨钢的组织及性能影响，得到以下结论：

（1）随着热输入的增加，焊缝熔深和熔宽增加，而焊缝余高降低，堆焊层的热影响区增大。

（2）碳化钨增强高铬耐磨钢堆焊层基体组织由奥氏体和共晶碳化物组成，随着焊接热输入的增加，基体组织中奥氏体含量比例上升，晶粒组织粗大；共晶碳化物呈鱼骨状或者棒状，主要由铁铬钨相组成。

（3）球形碳化钨在基体中发生了熔化分解，其组织形态主要由原始碳化钨颗粒、钨铁铬扩散层及鱼骨状共晶碳化物组成。随着热输入的增加，原始碳化钨颗粒逐渐变小，直至完全熔解。

3.1.2 起垄覆膜：采用单行定植，行距可根据骨架间距确定，绝大多数的大棚骨架间距都是100厘米，在骨架正下方挖定植沟，将剩余1/3的化肥撒施到定植沟中，把土粪肥拌匀后起垄，垄高25厘米，上垄宽40厘米，下垄宽60厘米，然后覆膜。如果使用滴灌，在上垄台中挖1小沟。如果滴水过多，可以流在小沟内，垄台上不会存水过多，影响青椒生长。如果不采用滴灌，垄台要做成龟背形，覆膜时要拉紧、压严、盖实。塑料大棚可选用黑色地膜，因大棚定植时地温已经达到青椒根系生长的要求，黑色地膜可有效抑制杂草。

（4）随着热输入量增加，堆焊层硬度降低，摩擦系数增加，在摩擦磨损过程中磨损量不断增加，堆焊层耐磨性降低。

参考文献：

[1]王淑峰，谷明霞，白咸峰，等.高铬铁基药芯焊丝不同堆焊工艺下的显微组织与性能研究[J].材料导报，2015，29（6）：110-113.

[2]彭思源.WC颗粒增强铁基复合堆焊层性能研究[D].安徽：安徽建筑大学，2015.

[3]李昱，余圣甫.5CrNiMo热作模具CO2气体保护焊修复用药芯焊丝研制[J].焊接，2017（6）：39-45.

[4]卢昊天，刘政军，苏允海，等.Ti和N对Fe基耐磨合金组织和性能的影响[J].热加工工艺，2018，47（6）：118-121.

[5]刘树新，王昌红，周勇.YD237堆焊金属粉芯药芯焊丝的研制[J].焊接技术，2017，46（10）：56-58.

[6]贾华，刘政军，勾健.药芯焊丝中B元素对铁基堆焊金属性能的影响[J].热加工工艺，2017，46（17）：77-80.

[7]李明喜，刘进，李殿凯.VC对铁基合金喷焊层组织与耐磨性影响[J].材料热处理学报，2015，36（11）：214-218.

[8]屈晓田.载气吹送WC制备Fe-Cr-C堆焊层中增强颗粒的微观表征[J].山西大学学报（自然科学版）2015，38（3）：483-486.

[9]张彦超，崔丽，贺定勇，等.B元素对Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金组织和耐磨性的影响[J].焊接学报，2014，35（3）：89-92.

Study on microstructure and properties of surfacing layer of WC particle reinforced high chromium wear resistant steel

WANG Xinxin，NIU Ben，YI Yaoyong，YI Jianglong，LUO Junwei，WANG Jianyi
（Key Laboratory of Guangdong Province of Modern Welding Technology，Guangdong Welding Institute(China-Ukraine E．O．Paton Institute of Welding)，Guangzhou 510651，China）

Abstract：The high-chromium wear-resistant flux-cored wire with the self-made tungsten carbide is used as the welding material.By using gas metal arc welding，surfacing experiments under different welding conditions are carried out to analyze the microstructure and wear resistance of the surfacing layer and study the effect of welding procedure on the microstructure and properties of tungsten carbide reinforced high chromium wear-resistant steel.The results show that as the heat input increases，the bead penetration and width increase，the heat affected zone of the surfacing layer enlarges，while the weld reinforcement reduces.The matrix structure of the tungsten carbide reinforced high chromium wear-resistant steel surfacing layer is composed of austenite and eutectic carbide.The eutectic carbide is fishbone-shaped or rod-shaped and mainly composed of iron-chromium-tungsten phase.The spherical tungsten carbide is melted and decomposed in the matrix，and its microstructure is mainly composed of the original tungsten carbide particles，tungsten iron chromium diffusion layer and fishbone-shaped eutectic carbide.As the heat input increases，the proportion of austenite content in the matrix structure increases，the original tungsten carbide particles gradually get smaller until they are completely melted，and the hardness and wear resistance of surfacing layer reduce.

Key words：high chromium steel；WC；microstructure；wear resistance

中图分类号：TG42

文献标志码：A

文章编号：1001－2303（2019）08－0110-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2019.08.21

本文参考文献引用格式：王昕昕，牛犇，易耀勇，等.WC颗粒增强高铬耐磨钢堆焊层组织及性能研究[J].电焊机，2018，48（08）：110-116.

收稿日期：2019-06-05

基金项目：广东省科学院实施创新驱动发展能力建设专项资金项目（2018GDASCX-0113，2016GDASPT-0205）；广州市科技计划项目（201508030024）；广东省科技计划项目（2017A070701026，2014B070705007）

作者简介：王昕昕（198 4—），女，博士，工程师，主要从事焊接材料及其工艺的研究。E-mail：[e-mail]。