Q235钢表面CO2堆焊药芯焊丝组织与性能研究

张宇鹏，王永东，王金宇，常萌阳，李统广，姚 月，张 宁

黑龙江科技大学 材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022

0 前言

材料的失效行为很大程度上都是从表面开始，为了提高钢材表面的抗氧化性、耐腐蚀性和耐磨性，最便利和节省成本的办法就是在钢材表面制备一层熔覆层。堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料通过一定的热源手段熔覆在母材表面，来赋予母材特殊的使用性能或者使零件恢复原有形状、尺寸的一种工艺方法[1-2]。堆焊技术通常用于在母材表面上获得具有指定性能的堆焊层[3-4]。由于堆焊层和基体板材具有不同的综合力学性能，从而可以达到优势互补的效果[5]。

Q235钢是用量最大、应用最广的普通碳素结构钢[6]，其成本低廉、冶炼方便、容易加工，如能在碳钢表面堆焊具有耐蚀、耐磨、耐高温等性能的金属，则其应用范围将更广[7]。李越[8]等采用TIG堆焊在Q235钢表面制备铁基非晶堆焊层，研究不同热输入对堆焊层的影响，结果表明堆焊层成形性良好，与基体达到冶金结合，随着焊接热输入的增加堆焊层硬度降低。李聪[9]等采用CO2气体保护焊在Q235钢表面堆焊YD507铁铬合金熔覆层，当堆焊工艺为电流190 A、电压22 V、焊接速率120 m/h时得到的熔覆层最佳，熔覆层的显微硬度最大可达553 HV，磨损量也有所降低。刘阳[10]等采用MIG焊在Q235钢表面制备ER-310不锈钢堆焊层，堆焊层由奥氏体树枝晶和等轴晶组织组成，显微硬度和耐腐蚀性相对于基体都得到了很大程度的提高。张金彪[11]等采用TIG焊在Q235钢表面制备308L堆焊层，堆焊层的硬度与耐腐蚀性较基体得到了提升。

通过对上述文献的总结和分析，本文以Q235钢为基体材料，在三种焊接电流下，采用CO2气体保护焊在Q235表面堆焊药芯焊丝YD110-G，研究不同焊接电流对堆焊层组织形貌、显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性的影响，为Q235钢在恶劣环境下的应用提供理论基础和技术支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

基体材料为Q235钢，尺寸为100 mm×20 mm×10 mm，焊前对基体表面进行砂轮机除锈，丙酮清洗油污，烘干待用。药芯焊丝型号为YD110-G，直径1.2 mm，其化学成分如表1所示，堆焊前将表面处理干净。药芯焊丝中Cr元素含量较高，Cr元素是提高堆焊层的硬度与耐腐蚀的关键性元素，但其含量过高会导致堆焊层产生裂纹倾向，从而影响堆焊层的质量。

表1 药芯焊丝的化学成分（质量分数，%）Table1 Chemical composition of flux cored wire（wt.%）

1.2 堆焊设备与工艺

焊接设备采用福尼斯TransPlus Synergic 4000型焊机。采用CO2气体保护焊，CO2纯度≥99.5%，堆焊工艺参数如表2所示，采用相同参数堆焊两层，第一层堆焊层冷却到室温后再进行第二层堆焊。

表2 焊接工艺参数Table2 Welding process parameters

1.3 测试设备及方法

采用Axio Lab.1蔡司高级金相显微镜观察堆焊层的组织形貌；采用HVST-1000型显微硬度计测试显微硬度；利用MMS-2A摩擦磨损试验机进行室温干滑动摩擦磨损实验，对磨环材料为低温淬火回火GCr15钢，试验载荷为200 N，转速为400 r/s，磨损时间为40 min，用精度为0.1 mg的电子天平称量磨损失重，并观察磨损形貌。采用CS350电化学工作站测试堆焊层的耐腐蚀性能，腐蚀液为3.5%NaCl溶液，开路电位如表3所示，具体腐蚀工艺参数如表4所示。

表3 开路电位Table 3 Open circuit potential

表4 腐蚀工艺参数Table 4 Corrosion process parameters

2 试验结果与分析

2.1 堆焊层宏观形貌

堆焊层宏观形貌如图1所示，可以看出试样A、B的堆焊层表面宏观质量良好，未出现焊瘤、气孔、裂纹和焊接变形等现象。试样C因焊接电流大，热输入大，堆焊层熔宽变大。

图1 堆焊层宏观形貌Fig.1 Macro-morphology of surfacing layer

2.2 堆焊层的界面组织形貌

堆焊层的界面组织形貌如图2所示，可以观察到熔合线界面无气孔、裂纹等缺陷，呈良好的冶金结合。电流为170 A时，晶粒较细且分布均匀，其组织为细片状板条马氏体，呈条带状分布。由于存在一定的稀释率，碳化物起到析出强化作用，使得组织形貌较为细化且排列均匀。随着电流增大，焊接热输入高，冷却速度慢，组织晶粒充分长大，相应变粗大。其组织为板条马氏体与部分残余奥氏体，板条马氏体分布均匀，变形方向清晰。产生板条马氏体的原因是药芯焊丝中含有多种合金元素，导致堆焊层中含有亲碳元素Cr等，会形成碳化物阻止碳的扩散[12-13]。

图2 堆焊层界面组织形貌Fig.2 Microstructure and morphology of surfacing layer interface

2.3 堆焊层底部显微组织

堆焊层底部（距熔合线上方2 mm处）显微组织形貌如图3所示，其底部组织均为板条马氏体和残余奥氏体。由图3可知，电流170A堆焊层底部残余奥氏体的含量与碳化物的含量较少，分布不均匀。电流200 A堆焊层底部残余奥氏体的含量随距熔合线距离的增加而减少，其原因是200 A的热输入大于170 A的，基体对堆焊层的稀释率会增大，组织中存在一些细小碳化物，分布比较均匀，对板条马氏体起到析出强化作用。电流230 A堆焊层底部板条马氏体的含量随着距熔合线距离的增加而减少，这是因为230 A的热输入最大，故稀释率最大[14]，组织中还存在着细小的碳化物，同样起到析出强化作用。

图3 堆焊层底部显微组织形貌Fig.3 Microstructure and morphology of the bottom of surfacing layer

2.4 堆焊层中部组织

堆焊层中部（距熔合线上方4 mm处）的组织形貌如图4所示，可以看出堆焊层组织有明显的分层，下层组织明显比上层组织细化。产生这种现象的主要原因是堆焊第一道后要将试样空冷到室温后再进行第二道堆焊，相当于对第一道堆焊的上层组织进行了热处理，导致组织明显细化。三种电流下的第一道堆焊层都是板条状马氏体，析出的碳化物较多，随着电流的增加，热输入增大，析出的碳化物量增加且粗大。上层组织为回火马氏体组织，同样析出碳化物，原因是药芯焊丝含碳量低，马氏体临界冷却速度小，获得组织为板条马氏体，板条马氏体有自回火作用，析出一定量碳化物。电流越大，热输入量越大，自回火作用越明显，析出碳化物数量越多。

图4 堆焊层中部显微组织形貌Fig.4 Microstructure and morphology of the middle part of surfacing layer

2.5 堆焊层上部组织

堆焊层上部（距熔合线上方6 mm处）的组织形貌如图5所示，由图5可以看出，其组织以马氏体为主，并带有少量残余奥氏体，以及极少数分布不均匀的析出碳化物。第二道堆焊层组织明显比第一道堆焊层组织均匀细化，并且残余奥氏体含量明显较多。

图5 堆焊层上部显微组织形貌Fig.5 Microstructure of upper part of surfacing layer

2.6 堆焊层显微硬度

堆焊层显微硬度曲线如图6所示，200 A电流的堆焊层的显微硬度最高。同一电流的不同区域内部组织不同，从堆焊层底部到堆焊层顶部，组织发生明显变化，表层主要为回火马氏体组织，所以堆焊层顶层硬度高于底层。第一道堆焊层出现一个峰值是由于第二道堆焊有热处理的作用，导致第一道堆焊层发生回火，析出含有Cr、Mo、W的碳化物分布在板条马氏体的交界处，起到弥散强化的作用，提高硬度。热影响区的硬度提升是因为此区域晶粒细小，硬度变大。母材的显微硬度呈现出随着电流增加而增加的趋势，其原因为电流增大，热输入增大，导致对母材的热处理效果越来越明显。

图6 堆焊层显微硬度曲线Fig.6 Microhardness curve of surfacing layer

2.7 堆焊层的摩擦磨损性能

堆焊层磨损量柱状图如图7所示。电流170 A时，堆焊层的平均磨损量为68 mg；电流200 A时，平均磨损量为26 mg；电流230A时，平均磨损量51 mg。其原因是电流200 A时堆焊层组织均匀，析出的碳化物细小，弥散分布，其显微硬度高，相应的耐磨性也最好；电流为230 A时，由于基材为低碳钢，药芯焊丝含碳量也相对较低，熔覆层析出的碳化物较少，同时电流过大还会导致部分合金元素烧损，因此其磨损量较大[14-17]。电流为170 A时，显微硬度最小，故其磨损量最大。

图7 磨损失重图Fig.7 Wear weight loss diagram

磨损表面形貌如图8所示。可以看出，电流为230 A时，表面粘着物较多，同时还伴随着一些犁沟，其磨损机理主要为粘着磨损，当电流为200 A时，表面磨痕较浅，主要为磨粒磨损，当电流为170A时，表面磨痕较深，主要为磨粒磨损，磨粒受切向力作用而沿摩擦表面产生相对运动，堆焊层组织主要为板条马氏体，有碳化物固溶，其塑韧性较好，所以摩擦表面将受到剪切，表面呈连续屑形式，部分被剪切的磨屑没有脱落，会发生粘着现象[18]。由于磨粒的凿削以及在载荷作用下磨粒会对堆焊层表面产生冲击，使局部堆焊层表面受到很大的应力，碳化物会形成微裂纹，沿着碳化物和基体组织之间的边界扩展，如果扩展的微裂纹与表面连接，碳化物就会和基体完全脱离，形成剥落坑，此时基体会失去碳化物硬质颗粒的支撑，因此加速材料磨损[19-20]。

图8 磨损表面形貌Fig.8 Worn surface topography

2.8 堆焊层的腐蚀性能

不同电流条件下堆焊层的腐蚀极化曲线如图9所示。对应的电极电位和腐蚀电流如表5所示。电流为230 A的电极电压接近正值，腐蚀电流也较小，所以电流230 A堆焊层的耐蚀性优于其他两个电流的堆焊层。电流200A的耐蚀性次之，电流170A的耐蚀性最差。这主要是组织内部奥氏体体积分数增加的结果，随着电流的增加，堆焊层的热输入增大，导致更多的合金元素如Cr等固溶于奥氏体基体，增加其稳定性，并提高耐腐蚀性。

图9 极化曲线Fig.9 Polarization curve

表5 极化曲线的电极电位和电流Table 5 Electrode potential and current of polarization curve

3 结论及展望

（1）采用CO2气体保护焊在Q235钢表面成功制备三种不同焊接电流的药芯焊丝堆焊层。堆焊层表面质量良好，未出现焊瘤、气孔、裂纹和焊接变形现象。

（2）由显微组织形貌可知，三种堆焊层均与基体达到冶金结合，组织为奥氏体和板条马氏体。200 A电流下的堆焊层碳化物弥散分布，对板条马氏体起到弥散强化的作用，所以其显微硬度最高。

（3）磨损测试表明，200 A电流下的堆焊层具有最优异的耐磨性，其磨损量为26 mg，主要磨损机理为磨粒磨损。电化学测试表明230 A电流下，合金元素固溶于奥氏体基体的量增多，其耐腐蚀性最佳。

本文采用常规的CO2气体保护焊技术在普通的碳素结构钢表面制备性能优异的堆焊层，显著提高了基体的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。但结合实际工况条件下，如何通过工艺参数调控得到性能优异且大面积的堆焊层还有待后续深入研究。