探讨多元合金铁基堆焊层的热处理工艺

摘要：热处理是提高堆焊材料综合力学性能的有效手段，可充分发挥堆焊材料的潜能。为此，文章采用一种多元合金铁基堆焊焊条进行堆焊，探讨了该堆焊层在不同热处理工艺条件下的组织和硬度，并确定出堆焊层合理的热处理工艺。

关键词：合金铁基；堆焊层；热处理；回火；淬火

中图分类号：TG113文献标识码：A

文章编号：1674-1145（2009）03-0113-02

堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层具有较高的高温强度、耐磨性及良好的抗热疲劳等性能材料的表面改性技术，已成功应用在修复轧辊、冷热模具、齿轮等易损件上，并取得明显的经济效益。通过对多元合金铁基堆焊层的组织、性能和热处理制度之间的关系进行分析，研究了多元合金铁基堆焊层的热处理工艺。结果表明，加热温度在800℃～950℃范围内，堆焊层经正火处理后的硬度值为32.5HRC～34.3HRC，而淬火后堆焊层的硬度随加

热温度的升高而增大，但回火稳定性较低。该堆焊层的最佳热处理工艺应为焊后经560℃×2h回火处理。

一、试验材料与方法

堆焊焊条的焊芯材料为H08A钢，直径为4mm，采用低氢型碱性药皮，并在药皮中加入适量的含W、Mo、Ni、Cr、V元素的各种合金粉及稀土氧化物制备出含稀土及多元合金铁基堆焊焊条。用ZX5-250型直流电焊机将自制的多元合金铁基堆焊焊条在40Cr钢上进行堆焊成试样块，其堆焊层的厚度为3mm～4mm。取一部分试样在SX-4-10箱式电阻炉中分别进行不同加热温度和保温时间的回火试验。另取一部分试样分别加热到800、850、900、950℃保温0.5h后，分别采用空冷（正火处理）和N32油冷（淬火处理），然后再对经950℃油冷的试样分别进行200、400、500、600℃保温2h的回火试验。试样处理完后，用砂轮将其表面磨光，用HR-150A洛氏硬度计测试不同状态试样的硬度值（取3块试样的平均值），并结合Neophot21型光学显微镜和/max-rB型X射线衍射仪（XRD）对堆焊层显微组织进行分析。

二、试验结果与分析

（一）焊后回火处理对堆焊层硬度的影响

由图1（a）可见，堆焊层的焊态硬度为54HRC，低温回火时堆焊层硬度值变化不大，当温度为560℃时，其硬度（56.5HRC）略有提高，然后随回火温度的升高，硬度呈下降趋势。由图1（b）可看出，堆焊层硬度随保温时间的延长而增大，当回火2h以后堆焊层硬度基本不变。从回火处理来看，该焊态堆焊层具有较高的回火稳定性和二次硬化现象，回火处理应为560℃保温2h。

（二）正火和淬火处理对堆焊层硬度的影响

由图2（a）可见，堆焊层在800℃～950℃范围内正火，其硬度值随加热温度的升高变化不大，为32.5HRC～34.3HRC；对油冷淬火处理来说，堆焊层硬度随淬火温度升高而逐渐增大，当淬火温度为950℃时，其硬度达53.5HRC。堆焊层经950℃淬火后用不同温度回火2h所得硬度如图2（b）所示，可见堆焊层硬度随回火温度的升高而降低。由上述结果可看出，在本试验范围内，堆焊层经正火和淬火处理后的硬度均低于堆焊层焊态硬度值， 且淬火后堆焊层的回火稳定性不如焊态堆焊层的回火稳定性高。

（三）讨论

由于堆焊温度较高，堆焊后，致使大量的W、Cr、Mo、V等合金元素在随后的冷却过程中来不及以合金碳化物的形式析出而保留在堆焊层的基体中，形成过饱和的马氏体（M）和奥氏体(γ)（见图3a 和图4a），导致焊态堆焊层硬度较高。因为Cr、Mo、W 和V 都是碳化物形成元素，与碳原子的亲和力强，在随后的回火过程中，减慢碳的扩散速度，延缓了碳化物的析出和长大，从而提高了回火过程马氏体和残余奥氏体的分解温度；同时，稀土元素化学活性强，与碳原子也有较强的亲和力，因此，稀土元素的加入能阻碍和减缓C和合金元素原子的扩散，抑制碳化物的析出，其结果推迟了回火转变的过程，故焊态堆焊层具有较高的回火稳定性。随回火温度的进一步的升高，由于残余奥氏体转变为马氏体及细小的合金碳化物析出，导致堆焊层硬度有所升高，当回火温度为560℃时，堆焊层的硬度呈极大值，出现二次硬化现象。由XRD分析结果（图4b）可见，堆焊层焊态经560℃回火后，堆焊层组织中奥氏体消失，但并无合金碳化物的出现，这可能是XRD精度低的缘故。

对随后的正火处理来说，焊态堆焊层重新加热到奥氏体化温度时，部分固溶于过饱和马氏体和奥氏体中的合金元素将以合金碳化物的形式析出，使基体中碳和合金元素含量降低，在随后的空冷过程中堆焊层组织主要为珠光体和铁素体（见图3b），故其硬度较低。对随后的淬火处理来说，由于奥氏体中合金元素含量降低，其淬透性差，表现在800℃淬火时，淬火组织得不到马氏体，其组织与正火组织相同，所以其硬度较低。随加热温度的升高，析出的合金碳化物又重新溶入奥氏体内，淬透性增大，淬火态堆焊层组织中出现马氏体(见图3c)，堆焊层硬度有所提高。淬火温度越高，溶入奥氏体中的碳和合金元素越多，淬火组织出现马氏体的数量越多，淬火后其硬度也就越高，与试验结果相符合。由试验结果还可看出，淬火后堆焊层的回火稳定性较焊态堆焊层的回火稳定性低，这可能是淬火后堆焊层中马氏体中含合金元素数量较焊态堆焊层中马氏体中含合金元素数量少的缘故。

三、结论

1．该多元合金铁基焊态堆焊层组织主要为马氏体和残余奥氏体，具有较高的硬度和回火稳定性。

2．加热温度在800℃～950℃范围内，对正火处理来说，堆焊层经正火处理后的硬度值为32.5HRC～34.3HRC；对淬火处理来说，堆焊层的硬度随加热温度的升高而增大，但淬火处理后堆焊层的硬度和回火稳定性均较焊态堆焊层的低。

3．该多元合金铁基堆焊层的最佳热处理工艺应为:焊后经560℃保温2h回火处理。

参考文献

[1]武宏，彭建鸿，许云华．WC/Mn13堆焊复合材料磨料磨损性能的研究[J]．热加工工艺，2007，36(7)．

[2]邹宏军，何焕江，赵正东．型材轧辊堆焊技术及经济性分析[J]．焊接技术，2002，31(2)．

[3]李文彬，官军．锻模的堆焊修复再利用[J]．热加工工艺，2006，35(7)．

作者简介：黄建宁（1954- ），深圳市水务集团盐田港水厂机械工程师，研究方向：金属材料、热处理、城市水务水利。