一种新型工具钢冷焊焊缝的研究

发布时间:2024-07-11 点击:76
1 引言 由于冷作模具、冶金备件(如轧辊)等在工作时需承受巨大的交变应力及摩擦作用,因此要求构件表面在具有较高的硬度(58~62hrc)、良好的耐磨性的同时具有较好的韧性。构件材料一般选用优质工具钢,并且经过严格的表面热处理。但恶劣的工作条件常导致构件表面出现裂纹,甚至局部脱落。这些构件造价昂贵,若整件报废,将造成巨大的经济损失。与构件整体相比,其缺陷尺寸一般较小,若采用适当方法进行修复,则可显著降低生产成本。焊接堆焊修复即是延长构件服役时间的一种有效方法。 目前常用的堆焊焊缝材料为cr-mo-w合金系,利用网状碳化物及高碳马氏体来提高工模具的硬度及耐磨性。但工模具表面极高的硬度及脆性使其可焊性差,为避免焊接裂纹,需要焊前预热300~500℃(有时还需进行焊后热处理),这对于一些大型工模具的修复而言工艺可行性极差,严重限制了堆焊修复法的工程应用,迫切需要研究一种工艺简单的冷焊修补方法。为了实现工具钢的冷焊,除采用降低焊接应力的工艺措施外,必须在保证焊缝硬度及耐磨性的同时提高焊缝的韧性及抗裂性。笔者通过堆焊试验并利用扫描电镜(sem)、透射电镜(tem)及x射线衍射等方法对一种新型冷焊焊缝的微观组织进行了研究。 2 堆焊试验与检测 试验材料: 采用高碳的ti-nb-v-re-cr合金系,通过焊条药皮过渡c及合金元素,药皮中加入金属nb、ni、钛铁、钒铁、铬铁、石墨及re-si、re-mg合金;采用cao-caf2-tio2渣系,熔渣碱度b=1.3~1.4;采用ø3.2mm的h08a焊芯,在tl-25型焊条压涂机上压制焊条。 试验设备及程序: 利用自制焊条在9cr2mo轧辊表面堆焊金相试样,焊接电流i=130~150a,层间温度小于35℃;水冷条件下用砂轮切割机切取试样。采用jxa-840型扫描电镜(sem)、电子探针(epma)、3080e型x射线荧光光谱仪、h-80透射电镜(tem)以及d/max-rc型x射线衍射仪对试样进行微观组织成分分析。用zb-28冲击试验机作无缺口冲击试验,用sem观察断口形貌。在ø200mm的9cr2mo冷轧辊表面进行缺陷修补并进行检验。 试验结果与分析 焊缝主要成分 冲击试验及断口观察 缺陷修补试验 表1 焊缝主要元素含量(质量百分数,%) 元素 c ti nb v cr ni mo 含量 0.88 0.64 1.18 2.18 1.43 1.3 0.25 由x射线荧光光谱仪测得的焊缝主要成分见表1。 由表1可知,x射线荧光光谱仪测得焊缝为高碳多元合金系统,而高碳是保证焊缝硬度及耐磨性的基础。nb、ti、v为强碳化物形成元素,易形成mc型碳化物,含量较高时可由液态金属中析出初生碳化物。mc碳化物的高硬度(tic:hv3200,nbc:hv2400,vc:hv2094)有利于提高焊缝硬度和耐磨性;同时,初生碳化物分布均匀,有利于改善材料韧性。cr、mo为中强碳化物元素,但与ti、nb、v共存时,cr、mo主要起固溶强化作用,强化基体,而mo对于细化晶粒、改善材料韧性也有一定作用。ni的主要作用是固溶强化、改善韧性。x射线荧光光谱仪还测得焊缝中加有re元素,目的是利用re氧化物为碳化物提供形核核心,促进碳化物的弥散分布。 图1为焊缝试样的x射线衍射结果,焊缝材料主要由α-fe和nbc、tic组成。图2所示为焊缝中碳化物的分布形态,由图中可见碳化物数量多且呈颗粒状均匀分布。电子探针及电子衍射试验结果表明,焊缝中的碳化物主要为nbc、tic、vc或nb、ti、v的复合碳化物(nb,ti,v)c。 图1 图2 图3为焊缝基体组织的tem照片,可知基体为典型的板条状马氏体。由于板条状马氏体含碳量低,亚结构为高密度的位错,具有良好的综合性能,因此有利于改善焊缝韧性。在高碳焊缝中之所以能获得低碳的板条马氏体,与大量碳化物的早期形成有关。焊缝中nb、ti、v含量高,在液态熔滴或熔池中与c结合形成大量均匀的碳化物,使奥氏体基体中的碳含量降低,从而避免形成脆性的高碳孪晶马氏体。另一方面,基体含碳量的降低也减少了焊缝凝固后网状二次碳化物的析出,减轻了对基体的割裂作用。 图3 焊缝无缺口冲击试验结果见表2,断口形貌见图4。由表2、图4可知焊缝平均冲击韧度达52j/?,断口为明显的韧窝状断口,表明焊缝韧性较好。 用角磨机对9cr2mo轧辊表面缺陷进行修整,修整后缺陷尺寸约为ø30mm,深8~10mm。采用冷焊工艺进行缺陷修补,层间温度约为35℃,每一层焊接后立即进行锤击以消除应力,以达到改善晶粒形态、消除铸态缺陷和减轻焊接应力的目的。焊后进行磁粉探伤,焊缝及热影响区未发现裂纹。焊缝硬度为56~60hrc,接近9cr2mo母材的表面硬度(60~61hrc)。


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