摘 要:采用等離子堆焊技術(shù)在基體材料為304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、A105碳鋼的閥門表 面堆焊了Co106F粉末。采用金相檢驗(yàn)、線掃描分析、硬度測(cè)試等方法對(duì)3種基體材料閥門表面的 堆焊層進(jìn)行分析。結(jié)果表明:3種基體材料閥門表面堆焊層的熔合線平直,但存在缺陷;在熔合線 到基體之間,3種基體材料閥門表面堆焊層中的Co、Cr、Fe等元素均發(fā)生了擴(kuò)散現(xiàn)象;等離子堆焊 Co106F粉末后,基體材料為 A105碳鋼閥門表面堆焊層的硬度顯著增大。 

關(guān)鍵詞:等離子堆焊;閥門;Co106F粉末;元素?cái)U(kuò)散 

中圖分類號(hào):TB31;TG455                      文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A                              文章編號(hào):1001-4012(2023)07-0009-06

閥門為化工生產(chǎn)中的重要部件之一,廣泛應(yīng)用 在石化、火電、核電等行業(yè)中。閥門要能夠在高溫、 高壓、高流速、含氫等復(fù)雜的環(huán)境下正常工作,其材 料必須具備耐高溫、耐高壓、耐腐蝕等特點(diǎn),并且采 用不銹鋼作為閥門的基體材料[1-3]。常用的基體材 料有304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、A105碳鋼等。 304不銹鋼具有良好的耐腐蝕性能和優(yōu)異的力學(xué)性 能,廣泛應(yīng)用在生活、醫(yī)療、建筑等領(lǐng)域[4-5]。F51雙 相不銹鋼中加入了 N元素,奧氏體的高溫穩(wěn)定性得 到提高[6]。A105碳鋼多用于制造閥門、管道及法蘭 等構(gòu)件[7-9]。

在閥門基體表面等離子堆焊高性能材料,可以 提高閥門的表面性能。等離子堆焊技術(shù)的原理是將 氬氣轉(zhuǎn)移型等離子弧作為主要熱源,熔化堆焊粉末, 在基體金屬表面產(chǎn)生熔池,待熔池凝固后形成堆焊 層。等離子堆焊技術(shù)具有高度自動(dòng)化、容易控制、電 弧穩(wěn)定、溫度高且熱量集中等優(yōu)點(diǎn),采用等離子堆焊 技術(shù)焊接的材料具有堆焊層的組織及硬度均勻、工 件的熱影響區(qū)小、母材的稀釋率低、熔深可控、焊道平整等特點(diǎn)[10]。堆焊材料為 Co106F鈷基合金,其 中加入了Cr、W、C等元素,故鈷基合金堆焊層具有 耐磨性能較好、熱態(tài)組織穩(wěn)定、硬度均勻、抗氧化性 好等優(yōu)點(diǎn)[11-12]。

筆者分別在基體材料為304不銹鋼、F51雙相 不銹鋼、A105碳鋼的閥體表面上等離子二層堆焊了 Co106F粉末,然后對(duì)試樣進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn),研 究結(jié)果可為提高閥門的表面性能提供理論基礎(chǔ)。 

1 試樣制備與試驗(yàn)方法 

1.1 試樣制備 

對(duì)基體材料為304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、 A105碳鋼的閥門表面進(jìn)行打磨,使用丙酮清洗閥門 表面的油污,然后在表面等離子堆焊Co106F粉末, 得到堆焊二層試樣。選用的304不銹鋼、F51雙相 不銹鋼、A105碳鋼的化學(xué)成分分析結(jié)果如表1所 示,選用的Co106F粉末的化學(xué)成分分析結(jié)果如表2 所示,等離子堆焊的工藝參數(shù)如表3所示。

1.2 試驗(yàn)方法 

使用線切割機(jī)將堆焊后的試樣切割成塊狀,尺 寸為30mm×15mm(長度×寬度)。將試樣進(jìn)行 打磨、拋光、腐蝕處理,然后利用光學(xué)顯微鏡觀察試 樣的顯微組織形貌。利用掃描電子顯微鏡(SEM) 及能譜儀對(duì)試樣進(jìn)行線掃描分析,研究試樣的元素 分布情況。利用維氏硬度儀測(cè)試試樣的硬度分布 情況。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 金相檢驗(yàn) 

基體材料分別為304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、 A105碳鋼的閥門表面堆焊后試樣的低倍顯微組織 形貌分別如圖1~3所示。由圖1~3可知:3種基 體材料堆焊后試樣的堆焊層與基體之間有一條比較 規(guī)則的、無特征結(jié)構(gòu)的“白亮帶”過渡層,即熔合區(qū), 該區(qū)域呈規(guī)則的平面晶特征,熔化的粉末和部分熔 化的母材相互擴(kuò)散,使堆焊層與基體之間有良好的 冶金結(jié)合;在堆焊一層處,基體材料分別為304不銹 鋼、F51雙相不銹鋼堆焊后試樣的組織主要為細(xì)長 柱狀樹枝晶+均勻分布的胞狀晶,其垂直于熔合線 并沿堆焊層的高度方向生長,基體材料為 A105碳鋼堆焊后試樣的組織為取向不同的柱狀樹枝晶+分 布不均的胞狀晶;在堆焊一層和二層的交界處,3種 基體材料堆焊后試樣的組織均發(fā)生明顯變化,組織 變?yōu)榇执蟮闹鶢顦渲?胞狀晶;在堆焊二層處,3 種基體材料堆焊后試樣的組織尺寸變得細(xì)小,組織 為細(xì)小的等軸晶;在堆焊二層的表面處,3種基體材 料堆焊后試樣的組織均為不規(guī)則細(xì)小樹枝晶。 

基體材料分別為304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、 A105碳鋼的閥門表面堆焊后試樣的高倍顯微組織 形貌分別如圖4~6所示。由圖4~6可知:3種基 體材料堆焊后試樣的熔合線平直,但在熔合區(qū)存在 氣孔、裂紋等缺陷;靠近熔合線附近,3種基體材料 堆焊后試樣的組織均為平面晶;在堆焊一層處,3種 基體材料堆焊后試樣的組織主要為柱狀樹枝晶+胞狀晶;在堆焊一層和二層的交界處,3種基體材料堆 焊后試樣的組織變?yōu)榇执蟮闹鶢顦渲?胞狀晶; 在堆焊二層處,3種基體材料堆焊后試樣的組織為 取向更加一致的等軸晶;在堆焊二層表面處,3種基 體材料堆焊后試樣的組織為樹枝晶。 

2.2 線掃描分析 

基體材料為304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、 A105碳鋼的閥門表面堆焊后試樣的線掃描分析 結(jié)果如圖7~9所示。由圖7可知:在堆焊層處, Cr元素含量的波動(dòng)幅度較大;在基體處,Cr元素 含量降低,且 Cr元素含量波動(dòng)幅度較小;在堆焊 層處,Fe元素含量基本保持穩(wěn)定,從熔合線到基 體,Fe元 素 含 量 逐 漸 升 高,升 高 的 長 度 約 為 40μm;在堆焊層處,Co元素含量較高且波動(dòng)幅度較大,從 熔 合 線 到 基 體,Co元 素 含 量 逐 漸 降 低,降低的長度約為40μm。由圖8可知,基體 材料為F51雙相不銹鋼堆焊后試樣與基體材料 為304不銹鋼堆焊后試樣的 Cr、Fe、Co元素分布 情況基本一致。

由圖9可知:在基體處,Cr元素含量較低,從熔 合線到堆焊層,Cr元素含量逐漸升高,升高的長度 約為20μm,在堆焊層處,Cr元素含量存在波動(dòng);在 基體處,Fe元素含量較高,從熔合線到堆焊層,Fe 元素含量逐漸降低,降低的長度約為20μm,在堆焊 層處,Fe元素含量保持基本穩(wěn)定;在基體處,Co元 素含量較低,從熔合線到堆焊層,Co元素含量逐漸 升高,升高的長度約為20μm,在堆焊層處,Co元素 含量波動(dòng)較大。

2.3 硬度測(cè)試 

3種基體材料堆焊后試樣的硬度分布曲線如圖 10所示。由圖10可知:基體材料分別為304不銹鋼、 F51雙相不銹鋼、A105碳鋼閥門表面堆焊后試樣基 體的平均硬度分別為211.1,284.15,183HV,堆焊層 的平均硬度分別為398.2,428.4,432.6HV。說明等 離子堆焊后,堆焊層的硬度變大,其中 A105碳鋼閥 門表面堆焊后試樣的硬度增大最明顯;基體材料為 304不銹鋼、A105碳鋼閥門表面堆焊后試樣的硬度 變化趨勢(shì)基本一致,從基體到堆焊層,硬度逐漸增大; 從基材到堆焊層,基體材料為F51雙相不銹鋼閥門表 面堆焊后試樣的硬度先增大后減小,最后趨于穩(wěn)定; 在與熔合線的距離為-100μm~100μm處,3種基 體材料堆焊后試樣的硬度均發(fā)生突變。

3 綜合分析 

在堆焊層處,不同位置的冷卻速率不同,導(dǎo)致材 料內(nèi)部產(chǎn)生溫度梯度,因此,在固溶體合金結(jié)晶時(shí), 界面以不同的形式生長。等離子堆焊層截面的顯微 組織可分為4個(gè)區(qū)域,分別是平面晶區(qū)、胞狀晶區(qū)、 具有一定方向的柱狀樹枝晶區(qū)和等軸晶區(qū)、近表面 細(xì)小雜亂的樹枝晶區(qū)。3種基體材料閥門表面堆焊 后,堆焊二層產(chǎn)生細(xì)小晶粒的原因是:堆焊二層靠近 閥門表面,散熱速率較快,導(dǎo)致組織來不及長大就發(fā) 生凝固,從而使晶粒不易長大;熔合區(qū)散熱速率較 慢,晶粒更容易長大[13]。

對(duì)于基體材料為304不銹鋼的閥門表面堆焊試 樣,Co106F粉末和304不銹鋼中的 Cr元素含量相 差不大,故Cr元素含量?jī)H在基體處有一定程度降 低;Co106F粉末中Fe元素含量較低,故Fe元素從 基體向堆焊層發(fā)生擴(kuò)散;Co106F粉末中的Co元素 含量較高,故 Co元素從堆焊層向基體發(fā)生擴(kuò)散。 對(duì)于基體材料為 A105碳鋼的閥門表面堆焊試樣, 熔合線兩側(cè)的Cr、Fe元素含量相差較大,Cr原子半徑與Fe原子半徑比較相近,且Cr原子與鐵素體均 為體心立方結(jié)構(gòu),故Cr元素可以與Fe元素相互擴(kuò) 散,導(dǎo)致在熔合線附近Cr、Fe元素含量出現(xiàn)反向變 化的現(xiàn)象。 

3種基體材料閥門表面堆焊后均形成了高硬度 的堆焊層。Co106F粉末中 Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約 為30%,多數(shù)Cr元素與 Co元素形成了固溶體,起 到固溶強(qiáng)化作用;少數(shù) Cr元素與 C 元素形成了 M7C3、M23C6 等碳化物,碳化物中含有Cr元素的置 換元素,故碳化物與 Co106F形成共晶體并彌散分 布在Co106F中,呈骨架狀或網(wǎng)狀,起到強(qiáng)化合金的 作用,這種強(qiáng)化作用類似于復(fù)合材料中的網(wǎng)狀增強(qiáng) 劑[14];Co106F粉末中的 Ni、Mo、W 等元素也會(huì)起 到固溶強(qiáng)化作用,其中 W 原子的半徑較大,熔入基 體后會(huì)使基體的晶格產(chǎn)生畸變,進(jìn)而起到固溶強(qiáng)化 作用;3種基體材料閥門表面堆焊后的硬度相差不 大,因?yàn)槠浣M織尺寸相差不大。

4 結(jié)論 

(1)基體材料為304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、 A105碳鋼的閥門表面堆焊后,從熔合線到基體,試 樣的組織依次為平面晶、胞狀晶、具有一定方向的柱 狀樹枝晶和等軸晶、細(xì)小雜亂的樹枝晶等。 

(2)基體材料為304不銹鋼、A105碳鋼的閥門 表面堆焊后,Cr元素僅在基體處有一定程度降低, Fe元素由基體擴(kuò)散到堆焊層,Co元素由堆焊層擴(kuò) 散到基體;基體材料為F51雙相不銹鋼的閥門表面 堆焊后,Cr、Fe元素在熔合線外發(fā)生了反向擴(kuò)散,Co 元素由堆焊層擴(kuò)散到基體。

(3)基體材料為304不銹鋼、F51雙相不銹鋼、 A105碳鋼的閥門表面堆焊后,堆焊層的硬度較基體 的硬度明顯提高,其中基體材料為 A105碳鋼的閥 門表面堆焊層的硬度顯著增大。 

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<文章來源> 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 59卷 > 7期 (pp:9-14)>