马氏体不锈钢耐磨焊条及其性能

高 源，杨 可，许红祥，李嘉祺，包晔峰，蒋永锋

（河海大学机电工程学院，江苏常州213022）

马氏体不锈钢耐磨焊条及其性能

高 源，杨 可，许红祥，李嘉祺，包晔峰，蒋永锋

（河海大学机电工程学院，江苏常州213022）

马氏体不锈钢具有高强度、良好的耐磨损性能以及一定的耐腐蚀性能。研制了一种马氏体不锈钢耐磨焊条，在低碳钢Q235上进行堆焊试验，分析堆焊接头的组织转变，并研究堆焊合金的耐磨性能。结果表明，该焊条具有良好的焊接工艺性能，堆焊层金属与母材结合良好，未出现裂纹等缺陷；堆焊层组织为板条马氏体+碳氮化物+少量残余奥氏体；碳氮化物沿马氏体基体和晶界析出，呈弥散分布，起到细晶强化和析出强化的作用；与母材相比，堆焊层金属的硬度和耐磨损性能明显提高，其磨损机制主要为显微切削和塑性变形。

马氏体不锈钢；耐磨焊条；金相组织；耐磨性能

0 前言

疏浚和水利电力等部门的许多机械设备工作条件恶劣，不仅受到严重的磨粒磨损或冲蚀磨损，有时还会受到环境介质的腐蚀导致破坏加剧，造成经济损失和能源损耗[1]。马氏体不锈钢具有良好的焊接性、高强度和高硬度、优异的耐磨损性能以及良好的耐腐蚀性能，通过堆焊技术，常用于此类设备和零件的修复与再制造[2－3]。本研究通过在焊条药皮中加入微合金化元素的方法，研制了一种马氏体不锈钢耐磨焊条，进行堆焊试验并分析堆焊接头，研究堆焊层金属的组织和耐磨性能。

1 试验材料、设备及方法

研制焊条的焊芯采用马氏体不锈钢1Cr13，选用低氢型焊条药皮，其渣系为CaO-CaF2-TiO2，焊条的工艺性能主要通过大理石、萤石和钛铁矿三者之间的配合来调整熔滴过渡特性、熔渣粘度和脱渣性[4]。考虑到磨损特点，在药皮中还加入适量的铌铁、钛铁、氮化铬等合金粉末进行合金化来提高堆焊层的耐磨性。此外，在药皮中添加少量稀土硅来改善焊条的脱渣性能；为改善焊条稳弧性能，还添加少量的稳弧剂钛白粉和钾长石。

试验用钢板为Q235，板厚10 mm。试验设备为ZX7-400数控手工焊机，采用焊条电弧焊在低碳钢钢板上堆焊五层以上，保证堆焊层金属厚度大于等于10 mm。焊接工艺参数为：电弧电压35～45 V，焊接电流120 A，直流反接，焊接速度18～23 m/h。

从钢板上截取接头试样，经砂纸打磨、机械抛光后，用CuSO4-HCl溶液分别腐蚀母材和堆焊层，腐蚀母材5 s、堆焊层10 s，腐蚀后用酒精清洗、吹干，使用金相显微镜观察接头组织。利用HD-1000TC维氏硬度测试仪测量母材和堆焊层金属的显微硬度。截取堆焊层金属制备金相试样，经打磨和抛光后，用王水腐蚀，通过XJG-05型卧式金相显微镜观察堆焊层金属的显微组织。

采用MLS-225型湿砂橡胶轮磨粒磨损试验机分别对母材和堆焊层金属进行磨粒磨损试验，试样尺寸57 mm×25.5 mm×6 mm，选用20～40目石英砂，砂水比例为1.5 kg砂子+1 kg水，转轮直径178 mm，载荷力100 N，转速182 r/min，通过SK-404电子计数控制器进行计数，2 000 r后自动关闭磨粒磨损试验机，观察磨损形貌，分析磨损机理。

2 堆焊接头分析

在焊接过程中，研制的焊条易引弧，电弧燃烧稳定，飞溅少。其原因为：一是焊条药皮中加入的萤石和钾长石在电弧作用下产生大量易电离的F-、 K+，能够有效改善电弧的导电性；二是稀土元素原子半径较大，电离电势较低，在焊接高温作用下，稀土元素最外层电子获得较高能量而“逃逸”，电弧区内电子增多，改善了电弧的导电性，从而提高电弧稳定性[5]。焊缝成形美观，堆焊层与母材结合良好，无裂纹，脱渣性能较好，渣壳较易脱落。焊接过程中，稀土元素易与氧发生反应生成稳定的高熔点稀土氧化物，降低了焊接区的氧含量，使焊缝表面不易形成FeO氧化膜；同时，稀土氧化物进入熔渣后能够增大熔渣的表面张力，而进入焊缝金属的稀土元素能够降低焊缝金属的表面张力，焊缝冷却收缩时产生较大的内应力差，使熔渣易发生脱落[6]。

接头试样热影响区的显微组织如图1所示。

其组织为珠光体和铁素体。受热循环影响程度的不同，分别出现不完全重结晶区、混合晶粒区（正火区和过热区）、过热区和熔合区。混合晶粒区的形成是由于多层多道焊导致温度场分布不均匀，该区域既分布着细小的重结晶组织，又存在着粗大的过热组织。相对于正火区组织，过热区虽然出现晶粒长大的现象，但通过显微硬度测试发现该区域平均硬度为152.9 HV，略高于母材硬度（138.1HV）。因此采用焊条堆焊后的母材并未出现明显的性能缺陷，熔合区也没有发现裂纹等缺陷存在。因此母材与堆焊层金属结合良好，未出现硬度软化现象。

接头试样焊缝金属的显微组织如图2所示。由图可知，随着焊接层数的增加，板条马氏体的数量逐渐增多，铁素体含量减少，这是由于稀释率随着层数的增加而降低，熔敷金属中Cr、C、N、Ti、Nb等元素含量与焊条金属成分趋于一致。显微硬度测试结果表明，硬度随着焊接层数的增加而逐渐增加，第三层以上硬度保持稳定。

3 堆焊层组织和耐磨性能

3.1 堆焊层金属的金相组织

堆焊层金属显微组织如图3所示，其组织为板条马氏体+少量残余奥氏体，在基体上弥散分布着大量细小的第二相质点碳氮化物。由分析可知，大量细小的析出相弥散分布在基体上，起到弥散强化的作用，提高了基体强度。同时，碳氮化物析出相对晶界有钉扎作用，能够有效阻碍晶粒的长大。晶粒越细小，晶界越多，位错的运动越困难，大量的晶界还能阻碍微裂纹的扩展。因此，碳氮化物的细晶强化和弥散强化作用提高了材料的强度和韧性。

图1 焊接接头热影响区的显微组织

图2 焊接接头堆焊层的显微组织

3.2 堆焊层金属的耐磨损性能

母材和堆焊层金属的显微硬度和载荷力100 N的磨损失重如图4所示。堆焊层金属硬度为519.7 HV，远高于母材，堆焊层金属的磨损失重明显小于母材的磨损失重，表明堆焊层金属的耐磨损性能较母材有显著提高，研制的堆焊焊条具有较高的硬度和良好的耐磨性能。

图3 母材和堆焊层金属磨损形貌

图4 母材和堆焊层的显微硬度和磨损失重

母材和堆焊层金属在载荷作用下磨粒磨损的宏观形貌如图5所示。由图5a可知，母材试样上的切削沟槽较宽深、连续、平行度好，因此，造成其磨损失重的主要机制为磨粒的显微切削，此时磨损严重。由图5b可知，堆焊层试样的磨损形貌主要为切削沟槽和深浅不同的犁沟，沟槽窄且浅，磨损划痕呈现出不连续性，在磨损表面能够观察到塑性变形。因此，堆焊层金属的磨粒磨损机制主要是显微切削和塑性变形。

在磨粒磨损的过程中，母材的组织为珠光体和铁素体，其硬度较低，在载荷力的作用下，磨粒压入深度较深，同时母材基体中的硬质相很少，因此磨粒能够很容易地直接切削母材金属。而堆焊层金属的组织为板条马氏体和碳氮化物硬质相。高强度、高硬度的马氏体基体能够减少塑性变形，减小粒子压入的深度，阻碍切向运动，从而减少磨粒的显微切削；同时，在马氏体基体中弥散分布着大量的碳氮化物硬质相，它们具有很高的硬度，能够有效阻碍磨粒对基体的显微切削，保护基体。此外，得到细晶强化的马氏体组织具有良好的韧性，能够支撑碳氮化物，使其在承受磨粒磨损作用时不会因应力集中而剥落。马氏体基体和碳氮化物之间的相互配合共同减轻了材料的磨损，从而提高了堆焊合金的耐磨损性能。

图5 母材和堆焊层金属磨损形貌

4 结论

（1）研制的耐磨焊条具有良好的焊接工艺性能，焊缝成形美观，堆焊接头试样母材与堆焊层金属结合良好，未发现有裂纹等缺陷存在。

（2）堆焊层金属的显微组织主要为板条马氏体以及大量细小的碳氮化物析出相。

（3）堆焊层金属中细小的碳氮化物弥散析出，起到细晶强化和沉淀强化作用，并配合马氏体基体获得较高的硬度和良好的耐磨损性能；磨损机制主要是显微切削和塑性变形。

[1]刘国宇，鲍崇高，张安峰.不锈钢与碳钢的液固两相冲刷腐蚀磨损研究[J].材料工程，2004（11）：37-40.

[2]徐滨士.表面工程和再制造工程的现状及展望[J].材料工程，2003（S1）：1-6.

[3]Kirchganer M，Badisch E，Franek F.Behavior of iron-based hardfacingalloysunderabrasionandimpact[J].Wear，2008，265（5/6）：772-779.

[4]孙咸.不锈钢焊条脱渣性影响因素研究[J].焊接，1994（5）：2-6.

[5]纪东莲，李永莲.稀土对焊条工艺性和熔敷金属组织性能的影响[J].稀土，1998，19（2）：19-22.

[6]李建国，于春玲，薛海涛，等.稀土对焊缝组织和性能影响的研究[J].兵器材料科学与工程，2011，9（5）：28-30.

[7]杨可.氮合金化堆焊硬面合金及其冶金行为研究[D].武汉：华中科技大学，2009：49-54.

Martensitic stainless steel wear resistance electrode and its property

GAO Yuan，YANG Ke，XU Hongxiang，LI Jiaqi，BAO Yefeng，JIANG Yongfeng
（College of Mechanical and Electronic Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

Martensitic stainless steel exhibits a unique combination of high strength，good wear resistance and corrosion resistance.In this study，a kind of martensitic hardfacing electrode was developed，and overlayed on low carbon sheet steel Q235.The microstructure transformation of welded joint and the wear resistance of hardfacing alloy were investigated.It was proved that the electrode has a good welding performance.Surfacing layer metal and base metal are combined well，without cracks，etc.The microstructure of hardfacing alloy contains lath martensite，carbonitride and a small amount of retained austenite.Carbonitrides precipitate in martensite matrix and grain boundary with diffuse distribution，which has the effect of fine-grain strengthening and precipitation strengthening. Compared with the base metal，the hardness and the wear resistance of surfacing layer metal are increased significantly.The main wear mechanism is microscopic cutting and plastic deformation.

martensitic stainless steel；wear resistance electrode；microstructure；wear resistance

TG422.1

A

1001－2303（2017）03－0119-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.03.24

献

高源，杨可，许红祥，等.马氏体不锈钢耐磨焊条及其性能[J].电焊机，2017，47（03）：119-123.

2016-07-28；

2016-11-18

江苏省自然科学基金资助项目（BK20141156）；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2015B22614）；河海大学大学生创新创业训练计划项目（2016102941187）

高 源（1991—），男，江苏淮安人，硕士，主要从事表面堆焊表面堆焊合金组织与性能的研究工作。