亚温淬火对NiCrMo-3堆焊层耐磨性能的影响

武 斌， 伍金荣， 柴 慧， 李永坤

(西南石油大学 新能源与材料学院, 四川 成都 610500)

镍铬基合金具有优异的耐磨和耐蚀性能，在汽车工业、核能以及机械零件加工中被广泛应用。在材料表面制备镍铬基堆焊层可有效提高基体的耐高温、耐辐射、抗氧化、耐磨和耐蚀性，增加材料的使用寿命[1-4]。表面堆焊是制备堆焊层的常用方法，通过热源将具有特殊性能的合金熔覆在基体表面，既可以使基体表面强化，也可用于机械零件失效部分的修复，还可节省贵重的生产材料，降低和节约生产成本[5-8]。镍铬合金作为一种重要的堆焊材料被广泛使用，冯勋等[9]采用EQNiCr-3和ERNiCr-3材料对AP1000汽水分离再热器中的一、二级再热器管板进行带极电渣堆焊和手工钨极氩弧焊，在合适焊接参数下获得了尺寸完整、变形小且质量符合设计要求的焊缝。武英海等[10]利用手工电弧堆焊在Cr-Mo耐热钢表面堆焊镍基合金，通过焊前预热、合理选择焊接顺序及焊接中利用电弧热源进行亚温淬火，得到了优良的堆焊层。张兆林[11]对ENiCrMo-3镍基合金的单层带极电渣堆焊工艺进行了研究，发现当单层堆焊厚度大于4.5 mm时，镍基堆焊材料的平板堆焊特性和筒体内壁堆焊特性具有明显的差异。Kimura等[12]研究了焊后亚温淬火对镍-铝搅拌摩擦焊接头的断裂性能，发现接头中间层主要由NiAl组成，其断裂强度随中间层宽度的增加而增加，其接头强度主要取决于焊后亚温淬火过程中靠近Al基体侧的NiAl中间层的强度。Mousavi等[13]研究了亚温淬火对钛-不锈钢复合材料爆炸焊焊缝中间层组织的影响，发现中间熔合区主要由Ti、Fe、Ni、Cr等元素组成，不同的金属间化合物相取决于不同的加热温度，且提高加热温度可以增加复合中间层的宽度。

由于大件、厚件以及多道焊镍基合金焊缝位置会产生很大的焊接残余应力，陆传航[14]对镍基合金复合管进行了焊后去应力退火处理，得到单相的网状或树枝状奥氏体焊缝组织，堆焊层表面无微裂纹，抗晶间腐蚀性能良好。为了改善镍基堆焊层的力学性能和耐蚀性，郭龙龙[15]研究了在相同保温时间下，亚温淬火温度对堆焊层显微组织、力学性能及耐蚀性能的影响，发现在750 ℃亚温淬火后堆焊层中的部分Laves相发生了分解，在晶界处析出了δ相，少量的δ相可提高堆焊层的屈服强度和抗拉强度，而随着温度的升高，δ相析出量增加，镍基堆焊层的抗晶间腐蚀和抗CO2/H2S酸性介质腐蚀性能降低。同样对于Inconel 625镍基堆焊层，卿颖[16]通过更高的焊后亚温淬火工艺发现，在1020 ℃亚温淬火后熔敷金属的组织长大，合金元素均匀分布；但由于出现了魏氏体组织，韧性降低。在镍基堆焊层制备过程中，受堆焊层制备工艺和元素烧损的影响，堆焊层因铬元素的偏聚和焊接应力导致耐磨和耐蚀性能降低，虽然目前国内外学者已在镍基堆焊层的成形工艺和亚温淬火工艺对其力学性能及耐蚀性的影响方面开展了相关研究，但针对亚温淬火对NiCrMo-3堆焊层耐磨性能影响的研究还较少。本文对NiCrMo-3堆焊层进行亚温淬火处理，研究了亚温淬火对镍基堆焊层组织、力学性能及耐磨性的影响。分析堆焊层的组织演变及力学性能变化，为优化堆焊层组织、提高镍基堆焊层的耐磨性提供参考依据。

1 试验材料及方法

试验选用Q345钢为基体材料，尺寸为200 mm×80 mm×8 mm。堆焊材料为直径φ3.0 mm的NiCrMo-3镍基焊材，两种材料的化学成分见表1。堆焊层采用钨极氩弧焊(TIG)进行多层熔敷，工艺参数如表2所示，制备过程如图1所示，堆焊时需严格控制熔敷速度，确保熔覆层的厚度和质量。

表1 试验材料的化学成分(质量分数，%)

表2 TIG堆焊工艺参数

图1 NiCrMo-3堆焊层的制备

堆焊层制备后经自然冷却，再进行表面铣削加工，保证其平面平整。然后将堆焊层分别加工成20 mm×20 mm×8 mm金相试样、35 mm×6 mm×5 mm摩擦磨损测试试样、43.3 mm×15 mm×8 mm摩擦因数测试试样及如图2所示的棒状拉伸试样。通过经验公式计算堆焊层结合区的临界奥氏体相变温度为725 ℃。将上述试样放入STM-12-12智能箱式电阻炉(温控精度±0.1 ℃)中进行730 ℃×25 min亚温淬火处理，冷却方式分别为水冷和油冷。

图2 拉伸试样示意图

金相试样先用120～5000目碳化硅金相砂纸进行表面打磨，经王水腐蚀后用M35光学显微镜进行组织观察。拉伸试验参照ASTM E8/E8M-13a《金属材料拉伸试验方法》，采用WDW-1000万能试验机进行测试；利用HVS-1000显微硬度计进行镍基堆焊层硬度测试，加载载荷法码500 g，保压10 s。采用M-2000型磨损试验机进行磨损量测试，上试样为亚温淬火后的镍基合金，下试样为淬火后的45钢圆环试样(见图3)，硬度为67 HRC，摩擦副之间的正压力为120 N，下试样转速为400 r/min，每30 min后取下试样，用无水乙醇洗净并吹干，采用精度为0.1 mg的电子天平称量试样的质量变化，分析其质量损失变化。采用Bruker UMT-TriboLab磨损试验机测试亚温淬火后堆焊层的摩擦因数，对磨材料为直径φ7.14 mm、表面粗糙度0.01 μm、硬度为65～68 HRC的硬质合金球，其中垂直于滑动方向的作用力为50 N，往复频率5 Hz。

图3 磨损试验示意图

2 试验结果与分析

2.1 亚温淬火对堆焊层组织的影响

亚温淬火后NiCrMo-3堆焊层的显微组织如图4所示，可以看出，未淬火堆焊层的组织主要为块状镍基奥氏体组织，晶粒较大，堆焊层和基体间有明显的边界。而亚温水淬和油淬后的显微组织呈现为不规则的白色絮状奥氏体组织，主要为Cr2Ni3，无明显的晶界，在组织间还均匀分布有CrO2、CrN金属间化合物，由于未完全奥氏体化，块状组织较少，同时由于油淬更平缓的冷却特性，金属间化合物分布更分散，尺寸约为5 μm。

图4 NiCrMo-3堆焊层的显微组织

对亚温淬火后的NiCrMo-3堆焊层进行X射线衍射分析发现(如图5(a))，未淬火堆焊层的主要物相组成为游离Cr和Cr2Ni3化合物。亚温水淬后Cr2Ni3化合物分解，含量降低，主要产生了游离Cr及其氧化物(如CrO2)，还有Ni-NiFe2O4镍铁氧化物。除此以外，由于与高温空气接触，堆焊层表面有少量CrN产生，这可能会增加表面硬度并改变其耐磨性。通过EDS对堆焊层的元素分布进行线扫描分析可知(如图5(b))，相比于Q345基体材料，NiCrMo-3堆焊层具有较高的Ni、Cr元素含量，其中含量由高到低分别为Ni>Cr>Mo。

图5 NiCrMo-3堆焊层的XRD分析(a)和EDS线扫描分析(b)

2.2 亚温淬火对堆焊层硬度和耐磨性能的影响

NiCrMo-3堆焊层的显微硬度变化如图6(a)所示，可以看出，显微硬度由堆焊层-过渡层-基体逐渐降低，未淬火堆焊层的硬度约为205 HV0.5，过渡层的平均硬度约为170 HV0.5，基体层的平均硬度约135 HV0.5。亚温油淬对高合金含量的镍基堆焊层和过渡层的硬度影响不大，但基体硬度增加，达160 HV0.5以上。相比油淬，亚温水淬对整个试样的硬度有较大影响，其中镍基堆焊层的平均硬度达230 HV0.5以上，这主要是由于小尺寸的硬质金属间化合物固溶到奥氏体基体中所致；受元素扩散的影响，过渡层和基体层的平均硬度达185 HV0.5。结合磨损量测试结果(如图6(b))可知，水淬后表面硬度增加有助于提高材料的耐磨性。

图6 NiCrMo-3堆焊层的显微硬度(a)和质量损失(b)

图7为亚温淬火后NiCrMo-3堆焊层摩擦因数的变化，由图7可知，虽然水淬和油淬后表面硬度并不相同，但在摩擦前期，两种试样的表面摩擦因数都在0.28～0.45之间。随着摩擦的进行，油淬后的镍基堆焊层摩擦因数降低，耐磨性得到改善，这主要是由于软硬组织间的相互协同，软相组织在磨痕表面可有效保护硬质磨屑的分离、脱落，有利于摩擦表面润滑体系的建立，改善材料表面的耐磨性。

图7 亚温淬火后NiCrMo-3堆焊层的摩擦因数

2.3 亚温淬火对堆焊层力学性能的影响

亚温淬火后NiCrMo-3堆焊层/Q345钢基体复合试样的应力-应变曲线如图8所示。分析可知，亚温油淬后复合试样的抗拉强度为331 MPa，亚温水淬后堆焊层-基体复合试样的抗拉强度可达515 MPa，与未经热处理试样的抗拉强度(281 MPa)相比显著增强，但整体塑性变形能力降低，断后伸长率减小，其中亚温油淬试样的断后伸长率约为16.1%，亚温水淬试样断后伸长率约为9.2%，未淬火试样断后伸长率约为18.2%。

图8 亚温淬火后NiCrMo-3堆焊层/Q345钢的应力-应变曲线

图9所示为NiCrMo-3堆焊层的拉伸断口形貌。可见未淬火堆焊层的拉伸断口分布有大小不一的韧窝，形态细小、致密，断裂形式表现为典型的韧性断裂；亚温油淬后的断口表面有明显的撕裂断面，为坡度台阶断面，有起伏涟漪，综合呈现为混合型断裂特征。亚温水淬后的断口平整光滑，为沿晶脆性断裂形态，受加热温度和堆焊层化学成分的影响，在光滑的断面间分布有细小晶粒组成的韧性分隔带。

图9 NiCrMo-3堆焊层的拉伸断口形貌

3 结论

1) NiCrMo-3堆焊层经亚温水淬、油淬后的显微组织呈现为不规则的白色絮状奥氏体，有黑色的Cr2Ni3金属间化合物在基体组织间分布。亚温水淬后Cr2Ni3含量降低，分解并产生游离Cr及其氧化物(如CrO2)，另外还有Ni-NiFe2O4镍铁氧化物和少量CrN生成。

2) 亚温油淬可使基体硬度增加，达160 HV0.5以上，但对镍基堆焊层和过渡层的硬度影响不大。亚温水淬后镍基堆焊层的平均硬度达230 HV0.5以上，过渡层和基体的平均硬度为185 HV0.5左右。磨损前期亚温油淬和水淬后的堆焊层具有相近的表面摩擦因数(0.28～0.45)，磨损后期，油淬试样的摩擦因数降低至0.2左右，耐磨性能得到改善，亚温油淬后的镍基堆焊层具有较好的耐磨性。

3) 亚温淬火后NiCrMo-3堆焊层/Q345钢基体复合试样的抗拉强度增加，塑性变形能力降低。与未淬火时相比，亚温油淬后复合试样的抗拉强度增加约50 MPa，亚温水淬后堆焊层复合试样的抗拉强度增加约230 MPa，由于整体塑性降低，其中亚温油淬试样的断后伸长率约为16.1%，亚温水淬试样断后伸长率约为9.2%。