B元素对Cr-Ni-Mo-Mn系药芯焊丝堆焊金属组织结构的影响

摘要：在自保护堆焊药芯焊丝药粉中加入不同含量的碳化硼（B4C）粉体获得了不同硼（B）元素含量的堆焊层。金相组织观察发现，堆焊层基体为奥氏体和马氏体复合组织结构，晶界处断续分布着（Mo，Cr，Fe，Nb）2B共晶产物，通过固溶强化作用可提高堆焊层的硬度和耐磨性，但存在亚稳定相δ-铁素体，造成堆焊层开裂。经500 ℃时效处理后，组织中δ-铁素体会转变为σ-铁素体，可有效防止堆焊层开裂，同时提高堆焊层硬度和耐磨性。粉体中碳化硼（B4C）的最佳加入量为1.5%，最高硬度值为47 HRC，相对耐磨性较不加B元素药芯焊丝获得的堆焊层提高3倍。使用该堆焊材料修复的截止阀使用寿命得到延长，同时具有良好的耐腐蚀性，较高的经济价值。

关键词：B元素;堆焊;药芯焊丝;组织结构硬度;耐磨性

中图分类号：TG407 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）08-0027-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.05

0 前言

截止閥是石油化工和船舶制造行业中较常见的一类阀体，主要用来控制管路中流体的流量、方向和通断。在使用过程中，截止阀常受到海水、淡水、石油和滑油的浸蚀，加之频繁的开关使得其表面上常出现麻点、凹痕等缺陷，甚至产生沟槽，导致截止阀关闭不严，产生泄露，发生严重的机械故障，给安全生产带来隐患[1-4]。当截止阀出现关闭不严时，常用的解决措施是进行修复或更换新的截止阀。但大尺寸截止阀价格昂贵，需求量大，若频繁更换将会给企业带来经济负担，因此常采取表面堆焊的形式进行修复，延长其实际使用寿命[5-6]。例如：在截止阀表面堆焊Cr-Ni-Mo-Mn系合金金属，通过弥散强化作用使其表面强度达到40～50 HRC，增加其耐磨性和耐腐蚀性。但这种堆焊金属容易产生开裂，常需在堆焊前预热500 ℃以上，因而导致堆焊修复工艺复杂化。同时，焊前预热使得堆焊时熔池尺寸增大，温度升高，熔池存在时间增长，导致合金元素氧化物烧损。另一方面，堆焊金属硬度与堆焊层合金元素的成分比例和铁素体相的含量有关，因此，预热所造成的合金元素氧化物烧损会降低堆焊层金属硬度[7-8]，影响其耐磨性。

同时，Cr-Ni-Mo-Mn系合金金属堆焊凝固后会形成铁素体和奥氏体两相组织，亚稳定相δ-铁素体在随后的时效过程中转变为σ-铁素体[9-10]。因此，当截止阀在高温工作介质中长期服役时，由于亚稳定相δ-铁素体转变为σ-铁素体，而σ-铁素体的热硬化性会导致堆焊层开裂，从而产生危险。若能够在堆焊层金属中加入一定比例的铁素体和奥氏体形成元素，则可增加δ-铁素体在堆焊层中的稳定性，但需要精确保证堆焊的时间、温度和热处理工艺，不便实际操作。并且即使采取这样的工艺措施也不能显著提高堆焊层的耐磨性。有学者研究发现[11-12]，在Cr-Ni合金堆焊层中加入硼（B）化物将会显著提高堆焊层力学性能，但有关硼元素（B）元素对弥散强化的Cr-Ni-Mo-Mn系合金金属堆焊层耐磨性影响方面的研究还未见相关报道。

1 试验材料及方法

1.1 试验材料

采用轧拔法自制药芯焊丝，钢带为宝钢产SPCC钢，尺寸为15 mm×0.3 mm。先将钢带清洗、烘干去除表面灰尘、油污后，经导丝轮引导进入轧丝机，在轧丝机中钢带经多次轧制并加入预先自制药粉，逐渐由U形变为O形，初次轧制后的钢带直径为3.2 mm。然后将初次轧制的钢带导入拉丝机中经多次拉拔减径，最终得到2.4 mm成品药芯焊丝。自制药粉由金属铬、镍粉、电解锰、钼粉、铌铁，碳化硼、硅铁、钛铁和铁粉等配制而成。药粉配置好后放入球磨机中研磨数小时，以保证粉体粒度在80目～100目之间，取出150 ℃烘干2 h备用。

为研究B元素对堆焊层耐磨性的影响，在粉体配置时改变碳化硼（B4C）的加入量，其余金属粉加入量在小范围内保持不变，以铁粉含量变化用作配比，具体含量如表1所示。

1.2 试样制备

试验用钢板为Q345，尺寸为300 mm×100 mm×15 mm。焊前用角磨机打磨待堆焊一侧至露出金属光泽，并用丙酮酒精溶液进行清洗，吹干。堆焊采用MIG焊，直流反接明弧焊接，氩气保护，焊接电流为250～270 A，电弧电压28～32 V，堆焊速度90 cm/min，层间温度控制在120 ℃以下，干伸长10～15 mm，堆焊层厚度在8 mm以上。焊后试件在500 ℃保温2～6 h进行时效处理。

1.3 试验方法

焊后试样经研磨后用腐蚀剂溶液腐蚀10～15 s，在奥林巴斯GX-51显微镜下进行堆焊层金相组织观察。腐蚀剂的配比为CuSO4粉末4 g，HCl溶液20 mL，H2O溶液20 mL。用H-800透射电子显微镜对微观组织进行观察，加速电压为100 kV。用HR-150DT硬度计和HMV-2硬度计分别对堆焊层进行洛氏硬度和维氏硬度测量，测试5点取平均值。采用MLD-10试验机对堆焊层进行磨粒磨损试验，选取022Cr22Ni5Mo3N钢作为参照。

2 试验结果和讨论

2.1 堆焊层耐磨性分析

对堆焊层进行宏观观察发现，堆焊层组织比较均匀，无气孔和裂纹等缺陷。堆焊层纵向和横向化学成分分布比较均匀，但与药芯焊丝成分相比有所变化。这是因为药芯焊丝在堆焊时，由于明弧焊接导致有合金元素烧损，使得药粉中合金元素的过渡系数降低。不同B元素含量药芯焊丝堆焊层的硬度值和磨粒磨损对比试验结果如表2所示。

对比表2中不同B元素含量的药芯焊丝堆焊后的相对耐磨性，编号D3的耐磨性最佳，此时B4C加入量为1.5%。相比于未加入B元素的编号D4药芯焊丝堆焊层，时效后编号D3药芯焊丝堆焊层硬度值是其1.2倍，相对耐磨性是其3倍。同时，在50%硝酸酒精溶液中进行腐蚀试验发现，编号D3药芯焊丝堆焊层的耐腐蚀性最佳，腐蚀值仅为0.011 g/m2·h。

2.2 堆焊層组织分析

编号D3药芯焊丝堆焊层金相和透射组织观察结果如图1所示，堆焊层为典型的复合组织结构。以奥氏体和马氏体为基体组织，含有过饱和合金元素的固溶体组织，在原奥氏体晶界断续分布着（Mo，Cr，Fe，Nb）2B共晶产物[13]。这些细小弥散分布的共晶产物因含有大量的B元素而具有较高的硬度，且随着B元素含量的增加，共晶产物增多，在晶界形成骨架结构，如图1a所示。同时，因在药芯焊丝药粉中加入了大量的铁素体形成元素，如Mn、Mo等，在堆焊层结晶过程中组织中形成了具有不同位向的亚稳态δ-铁素体组织，如图1b所示。

当堆焊层金属在500 ℃下经过2 h时效处理后，在α/δ铁素体的相界面上亚稳态的δ-铁素体组织将会减少，而σ-铁素体将会生成[14]。晶界处析出的σ-铁素体沉淀相如图2所示，可以看出，沉淀相边缘平齐，呈板条状，尺寸为250～550 nm。这是因为在堆焊层时效过程中，晶界发生迁移，在相变过程中σ-铁素体在α-铁素体界面上形成。经过时效处理后，与初生δ-铁素体相比，σ-铁素体与α-铁素体晶体结构更为相似，因此更加稳定。δ-铁素体向σ-铁素体转变为典型的切变型相变，所需相变激活能小。

另外，时效后堆焊层金属硬度增加，最大值为47HRC。这是因为时效处理使得组织中存在大量细小而弥散分布的碳硼化物（Cr，Mo，Fe，Nb，Ti）23（C，B）6和（Fe，Cr，Si）2（Mo，Ti）、（Ni，Fe）3Ti等金属间化合物，如图3所示。

若在500 ℃下，堆焊层金属延长时效时间至6 h，σ-铁素体将会显著长大，组织中σ-铁素体含量也会增多。切边相变过程中，原始剪切面继续向前推进长大，使得σ-铁素体板条拉长，最大板条尺寸可达1 500 nm，但仍保持透镜状形貌，如图4所示。同时，板条状σ-铁素体周围的成分梯度和变形程度梯度不同，阻碍了组织的球化，使得其易于向板条长度方向生长。

3 结论

（1）在Cr-Ni-Mo-Mn系药芯焊丝粉体中加入适量的碳化硼（B4C），焊接后可获得复杂组织结构的堆焊层。该堆焊层以奥氏体和马氏体组织为基体，（Mo，Cr，Fe，Nb）2B共晶产物在原奥氏体晶界断续分布。因药粉中加入了Mn、Mo等利于铁素体形核的合金元素，导致亚稳相δ-铁素体存在于马氏体层片间。

（2）药芯焊丝粉体中碳化硼（B4C）的最佳加入量为1.5%，堆焊层组织中含有大量细小而弥散分布的共晶组织，硬度较高，最佳硬度值为47 HRC。较不加B元素药芯焊丝获得的堆焊层硬度值可提高1.2倍，相对耐磨性提高3倍。

（3）堆焊层金属经过500 ℃时效2 h后，亚稳相δ-铁素体发生切变型转变为σ-铁素体，具有板条状形貌，尺寸为250～550 nm。同时，在时效过程中，生成的大量细小而弥散分布的碳硼化物（Cr，Mo，Fe，Nb，Ti）23（C，B）6、（Fe，Cr，Si）2（Mo，Ti）、（Ni，Fe）3Ti等金属间化合物导致堆焊层金属硬度和耐磨性增加。

（4）药芯焊丝粉体中加入碳化硼（B4C）不仅可以显著提高堆焊层金属耐磨性，同时经50%硝酸酒精溶液腐蚀试验发现，堆焊层金属具有良好的耐腐蚀性，腐蚀值仅为0.011 g/m2·h。

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收稿日期：2020-03-23

基金项目：辽宁省教育厅2019年度科学研究经费项目（LJJF

201902）;2018年辽宁装备制造职业技术学院应用性研究专项课题（2018YYYJ-5）。

作者简介：裘荣鹏（1977— ），男，博士，教授，主要从事高强钢焊接材料制备以及异种金属焊接方面的研究。E-mail：18040051787@qq.com。