Q235耐磨层敷焊接头组织和硬度研究

刘 森

（北京首钢气体有限公司，北京 101304）

引言

Q235钢在日常生活中应用广泛，并且其总体性能较好，塑性、强度和焊接性等较好。但Q235 钢的耐磨性很差，在使用中就要考虑其耐磨性能，一般情况下以Q235母材作为基体，在其表面敷焊一层耐磨材料，从而达到耐磨的性能。

实验采用冷金属过渡堆焊技术，通过在其表面敷焊耐磨性材料，并对其耐磨层敷焊接头的组织和硬度进行研究。

1 实验选材

堆焊材料的选择是根据材料属性进行选取的。堆焊层一般分为过渡层和顶端的硬化层，过渡层焊丝不仅要保证和基体有很好的相似相容，而且还不能产生脆性相，同时应防止裂纹向基体扩展；硬化层既要保证不脱层，又要有一定耐磨性能。综上所述，实验选取的焊接材料为Ni 基的焊材，因为镍基合金具有优良的耐磨擦性能和良好的耐高温氧化的性能等优点。

2 实验

试样以Q235 钢为基板（见表1），在基板上选用直径为1.2 mm 的镍基焊丝（见表2）堆焊或熔敷，界面须达到原子间结合，制成复合板材，参考GB/T4340.1-2009 标准进行夏比冲击测试，从复合板材中提取制作标准冲击测试试样（10mm ×10mm ×55mm），且试样上的高强层厚度在6mm 左右，对其进行抛光打磨，其中包含了高强层和基板的一个侧面要精磨抛光至可进行维氏（HV）硬度测试的水平，还要对试样进行冲击实验，因此还应对试样进行缺口的加工，实验所选择的缺口为2 mm 深的V 型缺口；冲击过后的试样还要对其进行组织分析等。见图1。机器人全自动CMT施焊工艺参数见表3。

表1 Q235钢材的化学成分 %

表2 焊丝的化学成分质量分数 %

表3 机器人全自动CMT施焊工艺参数

图1 标准式样

3 实验装置

实验装置及型号见表4。

表4 实验装置及型号

4 实验结果分析

4.1 金相组织观察与分析

将试样在200#、600#、1000#、1200#、1500#水砂、200#、500#、800#金相砂纸上逐级磨光，然后在抛光机上进行机械抛光，达到要求后进行腐蚀，基体腐蚀剂采用4%硝酸酒精溶液进行腐蚀，堆焊层采用王水（浓盐酸HCl∶浓硝酸HNO3=3∶1）进行腐蚀，制好的样品分别在AFT-DC300型金相显微镜下进行金相显微组织观察。

焊后空冷的显微组织如图2、图3 所示。由图2，可以看出基体组织是铁素体和细小的碳化物组成。

图2 Q235钢金相显微组织图

由图3 可以看出Q235 碳钢基体与堆焊层的界面熔合线清晰可见，堆焊层与碳钢基体在焊接界面结合处无气孔、裂纹、夹渣及熔合不良等焊接缺陷［1］。但Q235 钢在焊缝处由于在腐蚀堆焊层时遇到了王水，所以呈现出黑色，其组织是珠光体。

图3 焊缝热影响区金相显微组织图

在堆焊金相图中（如图4），可以清晰地看见片状的WC颗粒，其他部分为Ni基成分与少量的Fe。

图4 堆焊层显微组织图

4.2 硬度数据分析

硬度测量对试样1#，2#，3#进行清理，并对试样进行抛光处理，之后在HVS-1000 显微硬度计上进行硬度测量。Q235 的载荷为29.421 N，堆焊层载荷为49.035 N，加载时间为15 s。在试样1#，2#，3#上分别以其焊缝处所在的位置作为0 点，以其Q235 方向为负方向，对其硬度进行线性测量。

从图5 硬度-距离曲线可以直观地看出其硬度变化：1#，2#，3#试样在焊缝基体一侧，其硬度值稳定，在焊缝中心处，硬度值有所增加，然而堆焊层一侧的硬度相对于基体有了明显的提高，而且其平均硬度约为基体的2.5倍左右［2］。在堆焊层一侧，2#试样硬度值突然增大到1 000 kgf/mm2左右，这是由于在测量硬度时测到了WC 颗粒所产生的作用，使得其硬度值增加，WC的存在可以提高耐磨的性能。

图5 硬度-距离曲线

4.3 冲击韧性数据分析

将试样1#，2#，3#（V 型缺口）分别在JB-300B摆锤式冲击实验机下，参考GB/T4340.1-2009 标准进行夏比冲击测试，结果如表5所列。

表5 冲击韧性数据

从以上数据来分析，我们已经知道Q235钢材的冲击功AK 为34 J/cm2，一般试件断裂2 mmV 型，即ak=AK/0.8，且冲击韧性的值越大，材料的韧性越好，反之亦然。从表5 中的数据可以看出，在增加Ni 合金堆焊层之后，材料的冲击韧性值有一定的上升。可以得出在堆焊Ni基焊丝之后，相比于基体本身材料而言，其韧性是有一定增加的。

4.4 冲击断口和堆焊层化学元素分析

4.4.1 冲击断口堆焊层分析

为了进一步了解试样的性能，对试样采用JSM-6390A 型扫描电镜进行冲击断口的堆焊层照相，如图6所示。

图6 同一堆焊层冲击断口的不同位置扫描电镜图

从图6可以看出堆焊层材料的断裂基本为不伴随明显塑性变形的脆性断裂，但是在焊缝处的堆焊层出现了韧性断口应有的基本特征-韧窝，这就使得在断裂时可以起到增加其韧性的作用，也就符合试样在冲击后的冲击功比基体本身的冲击功稍有增加趋势。因此，可以得出的结论是堆焊层在一定程度上起到了增加材料韧性的作用。

4.4.2 堆焊层化学元素分析

对堆焊层的组织进行化学元素分析，如图7。在堆焊层任取某一区域，对其中的化学元素进行定量分析，可以从各个元素所占的区域面积来评估其所占的含量。在图7（a）所示为原始区域；图7（b）中白色的点代表着其中C 所处的位置，可以看出堆焊层中C 所占的比例是十分少的；图7（c）中白色的点代表着其中Ni所处的位置，可以看出堆焊层中Ni所占的比例是相对较大的；图7（d）中绿色的点代表着其中W 所处的位置，可以看出堆焊层中W 所占的比例也是相对较大的；当W 的含量增加后，这样就会使得堆焊层的硬度随之增加。

图7 化学成分所占区域图

在试样焊缝所在的平面内，在近似垂直焊缝的方向上取一条具有代表性的直线，对其进行化学元素分析。

图8给出的是在该条直线各处各元素所对应含量的平均值，可以明显地看出，在焊缝的左侧，其为堆焊层材料，主要的化学元素为Ni，其次为W、C，Fe元素的含量相对较少。在焊缝的右侧，主要为基体材料Q235，可以看出主要的化学成分为Fe，其次为C、Ni，W几乎为零。

而且由图8 可知，这些元素在熔合线上发生突变，尤其是Fe 在基体中含量很高，而在堆焊层中含量很低，几乎接近零。堆焊层中的主要元素Ni、W扩散到基体中的量也很小，堆焊层中Ni、W 等主要元素在熔合线附近的含量发生突变。

图8 在该条直线处各个元素所对应含量的平均值分布图

从堆焊层的EDS 图示以及SEM 的图示中可以发现熔合区的区域较窄，所有的化学元素几乎是直接发生的突变，因此该结果可以表明基体对堆焊层的稀释率低，并且其熔合比较小［3］，否则熔合线附近会发生缓慢的变化，熔合区也会变宽；另外在堆焊层中也可以看到W、Ni、Fe、C 四种元素分布相对较均匀，这样的分布更能发挥堆焊层的耐磨性的特征。

以上是对堆焊层各个位置的化学元素进行的主要分析，可以得出，堆焊层的主要元素W，Ni 起到增加耐磨的作用。

4.5 堆焊层X射线衍射分析

由图8堆焊层的化学元素分析我们已经得知堆焊层中的主要的化学元素，但是对其物相组成部分仍然不太清楚，因此对其堆焊层进行X 射线衍射实验，从而用来分析其物相组成。将堆焊层的表面进行清理，然后对其进行照相，其物相分析如图9所示。

图9 堆焊层横截面上XRD衍射图

实验的实验参数为：扫描的角度为20°到90°，扫描速度为8°/min，从图9 中经过于PDF 卡片对比后发现，堆焊层主要由WC，W2C 硬质相和γ-Ni 相组成的。其中的WC，W2C 为硬质碳化物，但是WC相的主要成分是没有完全溶解的WC 颗粒，而W2C相是由WC原位自生而成的［4］，因此其和WC 一样具有耐磨性。因此在一定含量的情况下，耐磨性的强弱随W的含量是变化的。

4.6 耐磨性分析

耐磨性分析的试样尺寸为Φ4.8 mm×12.7 mm，采用M-2000A 型的磨损实验机上进行摩擦磨损实验。在实验开始之前，需要对试样用丙酮进行清洗，等其自然风干后对其进行称重并记录。实验过程中，采用的摩擦环转速为150、200、250 r/min，对应的实验压力分别为50、75、100 N，摩擦条件为干磨，摩擦时间为3 min。实验结束后，对试样用丙酮进行清洗，等其自然风干后对其进行称重并记录。

表6为实验前后试样重量的损失数据：

表6 实验前后质量对比

根据耐磨性（ε）公式可进行计算：

式中：ΔM——磨损前后的质量差；

M0——实验前式样的质量。

由表6可以看出，当转速和实验时间相同时，实验压力越大，材料磨损的质量就越多，其耐磨性ε值就越低。当实验时间和压力相同时，转速越大，材料磨损的质量就越多，其耐磨性ε值就越低。

堆焊层的化学元素成分中的C含量约有4%，因此当增加堆焊层中W 的含量时，是不能够持续生成WC 的，因此W 的含量过高对耐磨性的影响并不大，W不能和C完全形成WC和W2C硬质相［5］。

5 结论

研究分析了10mm ×10mm ×55mm 的标准试样，试样是由4mm 的Q235 钢外加6mm 厚的Ni 焊丝堆焊而成。之后对其进行各项分析，结果表明：

（1）在Q235 基体上采用CMT 冷金属过渡焊接技术对其进行堆焊，当第一层的焊接电流为168 A，焊接电压为22.7 V，焊接速度为3 mm/s，且中间层和盖面层与第一层焊接参数相同时，能够形成的焊接接头表面美观，且焊接接头的表面没有缺陷；

（2）经过金相分析，Q235 基体组织是铁素体和细小的碳化物组成；而且可以看出Q235碳钢基体与堆焊层的界面熔合线明显可见，堆焊层与碳钢基体在界面结合处无气孔、裂纹、夹渣及熔合不良等焊接缺陷；堆焊层处可见明显的硬质颗粒；

（3）硬度分析结果表明，堆焊层的硬度值明显高于基体本身的硬度值；

（4）冲击韧性以及冲击断口扫描电镜分析结果表明，增加堆焊层后，相对于基体本身而言，冲击韧性值有所上升；冲击断口扫描电镜分析后发现，断口的断裂机理主要为脆性断裂，但是还存在有韧性断裂的基本特性；

（5）堆焊层主要由WC，W2C 硬质相和γ-Ni 相组成的；

（6）堆焊层与基体界面EDS 扫描结果表明，堆焊层中Ni、W 等主要元素在熔合线附近的含量发生突变，从堆焊层的EDS 图示以及SEM 的图示中可以发现熔合区的区域较窄，所有的化学元素几乎是直接发生的突变，因此该结果可以表明基体对堆焊层的稀释率低，并且其熔合比较小；

（7）耐磨性结果分析表明，当转速和实验时间相同时，实验压力越大，材料磨损的质量就越多，其耐磨性ε 值就越低。当实验时间和压力相同时，转速越大，材料磨损的质量就越多，其耐磨性ε 值就越低。