V元素对FeCrVC合金堆焊层热稳定性的影响

滕诚信 许骥 谭经松

摘要：为了研究合金元素V对氩弧堆焊合金热稳定性能的影响。配制了不同质量分数的FeCrVC系铁基合金粉末，粘结烘干后制成粉末薄片，在Q235B材料表面以氬弧为热源堆焊铁基合金。对堆焊合金试样进热处理后进行硬度分析以及氧化增量分析，研究V元素如何影响堆焊合金的红硬性和抗氧化性。实验结果表明，FeCrVC合金系粉末系中，其热稳定性随着V含量增加而升高，当Cr含量为40%，V含量为15%，C含量为5%时其热稳定性最好，在热处理后能够使合金表面硬度上升。

关键词：堆焊，热稳定性，抗氧化性，硬度

0引言

堆焊技术不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且成为先进制造技术的发展基础[1]。堆焊除可显著提高工件的使用寿命，节省制造、维修费用外，还可减少修理和更换磨损件的时间，从而提高生产率，降低生产成本。钢的热稳定性是指钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀的能力。为了提高钢的抗氧化性，要防止FeO形成，或提高其形成温度，就要加入一些合金元素在钢件表面形成合金氧化膜，阻止铁离子和氧原子的扩散。研究发现，随着Cr元素含量的增加，抗氧化性能提高，高温强度稍有下降，基体组织形成单相的铁素体或单相的稳定奥氏体组织。同时，表层能生成连续的氧化膜保护层，阻止了氧渗入基体，因此对抗燃气氧化，抗基体生长非常有利，所以耐热性显著提高[2]。在高碳高钒工具钢和高速钢系堆焊合金层中，极硬的VC在强化自由碳化物硬质相的同时，还弥散析出硬化相，对提高材料整体硬度和抗磨性作用显著[3]。本文利用Cr- Fe、V-Fe等粉末合金配置FeCrVC系铁基合金粉末，在Q235B碳钢表面堆焊，分析堆焊工艺对熔敷层性能的影响，并研究高温下合金熔敷层的热稳定性，以研究各合金元素对于合金的红硬性以及抗氧化性的影响。

1试验

1.1 试验材料

试验所用的材料是Q235B钢板属于碳素结构钢，其化学成分见表2.1。

本次试验所用的堆焊材料为Cr-Fe合金粉末、V-Fe合金粉末、石墨和还原性铁粉。Cr- Fe、V-Fe合金粉末的成分如表2.2所示。

依照试验方案称取不同重量的Cr-Fe、V-Fe合金粉末、石墨以及还原性铁粉，并加入少量水玻璃将其混合均匀。将混合后的合金粉末平铺，压成合金粉末薄片，取出薄片放在通风的地方阴干12～14小时，最后放入烘箱里在200℃条件下保温1.5h。将烘干好的薄片放在基体钢板Q235B上采用钨极氩弧焊进行堆焊，焊接工艺参数见表2.3。

1.2热稳定性试验

熔敷层制得后，用线切割机切割成尺寸为30mm×20mm的试样。切割时要避开起弧和收弧的地方，两侧各去2cm，取中间作为试样。

试验采用电阻炉，对试样加热2小时、4小时、6小时、10小时，每次加热前对试样表面进行打磨并用酒精冲洗，吹干，放于坩埚内，称重，电子天平感量为10-4g。放入电阻炉中，升温至600℃后开始计时，到达规定时间关闭电阻炉，冷却至室温后称重。通过高温氧化试验，绘制氧化增量曲线，并对曲线进行分析，得出高温抗氧化性能的差异。

利用HR-150硬度计对熔敷层进行洛氏硬度测试，每个试样测定六个点，取平均值，试验采用金刚石压头，载荷为150kg，加载时间为5s，恢复时间为3s。其中测定点之间的距离为4mm，边缘点距试样边缘的距离为5mm。

2 FeCrVC合金热稳定性分析

表2.2是FeCrVC合金热处理后硬度值。与未加V元素的合金试样，其硬度值明显提高。2-1试样和2-3试样在热处理时硬度出现了先上升后下降的现象，在6小时以后趋于平缓，根2-2试样的硬度值随着退火时间的增加一直下降，与未加入V元素的合金试样相比的硬度值还要低，并相对热处理前的硬度有了大幅的减小。据表2.1可知，2-2试样中C元素含量最少，可能影响合金热处理后的硬度。2-3试样的V和C含量都是最多的，说明两种元素含量增加能够显著提高合金热处理前后的硬度。

根据表2.3可以看出，FeCrVC合金热处理后质量变化要比FeCrC合金要大，氧化程度较FeCrC合金的氧化程度高，但2-3试样的质量增加量变化最小，说明抗氧化程度较好，当V和C元素含量达到最大，其抗氧化程度最好。试样在6小时以后趋于平缓，但氧化增重率减小不明显。

2-2试样在热处理后产生了组织变化，使硬度急剧下降，因此当V含量过高，C含量过低时，合金的红硬性较低，热稳定性较差。2-3试样其V含量最高，堆焊合金的硬度为59.2HRC，热处理后硬度略有上升，均保持在60HRC以上，具有很高的红硬性和热稳定性。

3 结论

（1）堆焊合金V元素可以大幅提高Q235B的表面硬度以及抗氧化性，不同配比的合金系对合金的改善状况不同，其中多元合金改善效果明显。

（2）在FeCrVC合金系粉末系中，其热稳定性随着V含量增加而升高，当Cr含量为40%，V含量为15%，C含量为5%时其热稳定性最好，在热处理后能够使合金表面硬度上升。

参考文献

[1] 单际国，董祖珏，徐滨士.我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现[J].焊接学会学报，2002，9 （4）：19-22.

[2] 王晓芳.铬含量对铁基电弧涂层高温氧化性能的影响 硕士论文 2009.6：7

[3] 蒋旻、栗卓新、王英杰、史 武。含钒耐磨堆焊合金的组织与性能.中国机械工程 2008.7（19）1621