一种新型工具钢冷焊焊缝的研究
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技术综合
摘要：利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)及X射线衍射等方法研究了一种新型工具钢冷焊焊缝的微观组织，认为加入强碳化物元素可获得在低碳马氏体基体上弥散分布碳化物颗粒的冷焊焊缝，该焊缝硬度高、韧性好，可同时满足工具钢对耐磨性和抗裂性的要求。
1 引言
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。
3 试验结果与分析
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表1 焊缝主要元素含量(质量百分数，%)元素CTiNbVCrNiMo含量0.880.641.182.181.431.30.25
- 焊缝主要成分
- 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
图4表2 焊缝试样冲击韧度(α
k，J/)编号12345αk5251564952 - 冲击试验及断口观察
- 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。
- 缺陷修补试验
- 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)。
4 结论
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