一种新型工具钢冷焊焊缝的研究

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，%)

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)。