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摘要在不锈钢316L上堆焊合金司太立6、司太立21、Ni60,测定了结合层的剪切强度、抗拉强度、硬度,并对堆焊各种合金的试样进行了腐蚀试验。试验结果表明:司太立21的耐腐蚀性较好,而司太立6的硬度较高,采用过渡层和复层的堆焊方式,既能减小焊接裂纹,又有良好的耐腐蚀性和耐磨性,是一个良好的技术方案。同一堆焊或喷焊材料,其硬度与堆焊层数或喷焊层数、厚度、方法有关。试验表明,堆焊层数或喷焊层数增多、厚度加大,硬度都会增加。手工钨极氩弧焊的堆焊硬度在同等条件下较手工电弧焊高。
关键词堆焊 合金 不锈钢 腐蚀速率 硬度
中图分类号:TG142文献标识码:A
在机械零件表面用焊接的方法堆敷一层或多层同材质或不同材质金属的工艺方法,称为堆焊。堆焊广泛应用于机械制造,特别在化工机械、石油机械、食品机械、轻工机械、冶金机械、农业机械、交通运输机械、工夹具、模具等机械零件的设计制造中,经常会要求零件材料有较高的耐磨和耐腐蚀的综合性能,其目的主要是延长零件的使用寿命、提高其可靠性、降低成本。为使材料能耐磨和耐腐蚀,很多机械零件是采用在不锈钢316L上堆焊合金。但在不锈钢316L上堆焊合金后,其耐腐蚀性和耐磨性如何呢?堆焊哪种合金的耐腐蚀性和耐磨性、即综合性能较好呢?本研究通过一系列耐腐蚀和机械性能试验,为选择耐腐蚀性和耐磨性较好的堆焊方案提供实用的解决方案和实验数据。
1 材料与试验方法
1.1 材料
1.1.1 钴基耐磨合金系列
该系列合金主要由钴与铬组成,基体是铬与钴的合金固溶体,具有高强度、良好的耐蚀性和耐氧化性能,在此基础上加入一定量的钨和钼加以进一步强化,为避免堆焊层中的碳向母材转移而降低熔合线上的耐腐蚀能力,堆焊材料均选用低含碳量的材料。
司太立6合金,该合金是钴-铬-钨合金中含碳量较低的一种合金,也是应用最广泛的牌号,在相当宽的温度范围内,具有优良的耐多种机械和化学因素复合作用的性能,两层堆焊金属硬度为39~40 HRC,该种合金的堆焊材料目前市场上以手工电弧焊焊条及裸棒形式供应。在试验中,采用手工电弧焊和手工钨极氩弧焊进行堆焊。司太立21合金是低碳、用钼强化的钴铬合金,具有良好的耐蚀性及较好的韧性,有加工硬化趋向,经加工硬化后,两层堆焊金属硬度为45 HRC,市场上以裸棒形式供应,故采用手工电弧焊和手工钨极氩弧焊进行堆焊。
1.1.2 镍基耐磨合金
Ni-Cr-B-Si合金粉末,Ni60,该合金具有较高的硬度, 55 HRC,并具有一定的抗腐蚀能力,以喷焊粉末形式供货,故可采用喷焊,喷焊这种方法效率高、成本低、稀释率小,是一种较好的方法。
1.1.3 不锈钢
母材采用不锈钢316L。上述各种材料的实际化学成分列于表1。
1.2 试验方法
堆焊层的机械性能包括堆焊层的硬度,堆焊层和母材316L的结合能力。一般来说,硬度高,其耐磨性也好。
1.2.1 硬度试验
(1)硬度测定焊接试样。硬度测定焊接试样焊接试样如图1、图3,试件母材为316L。图1是堆焊顺序图,先堆焊过渡层1,再堆焊侧面2,然后堆焊复层3。
(2)试验方法及设备。用表1所列的堆焊、喷焊材料分别在焊接试样的顶面和侧面进行堆焊或喷焊,堆焊或喷焊采用以下三种方法。
①手工钨极氩弧焊:焊接设备为日本松下Pana TIG MP-300。焊接规范:直流正接,电流60～140A,氧气流量7～9 L/min,钨极直径2.5mm,高频引弧。该种方法用来堆焊司太立6、司太立21。
②手工电弧焊:采用直流电源反接,电流90-120A,焊条直径3mm,焊前200℃加热1小时,该种方法用来堆焊司太立6合金。
③氧乙炔火焰喷焊:用来喷焊Ni60合金。
用上述三种方法分别对图2的腐蚀试样、图3的堆焊焊接试样(堆焊顺序按图1)、图4的堆焊层剪切强度试样(堆焊层剪切强度测定是按图5)、图6的喷焊层与母材结合强度测定试样进行堆焊或喷焊。堆焊方向为沿板边长度方向进行,多道焊;喷焊采用一步法,分段,全宽度一次完成。参看图1、图3,堆焊层有直接堆焊层和采用过渡层堆焊的复合堆焊层(复层)两种。堆焊后,将试样表面磨平,测量表面硬度(HRC),不同的堆焊和喷焊材料、不同的堆焊和喷焊方法、不同厚度的堆焊和喷焊层的表面硬度测定结果如表2。
1.2.2 结合强度试验
机械零件在工作中,堆焊层往往承受物料或零件的压力或摩擦力,因而,在堆焊层及母材间除了有压力外,还有剪切力。通常,检验堆焊层与母材间的结合能力,是通过测定堆焊层和母材间的剪切强度来实现的,喷焊层与母材之间的结合强度,在目前一般企业的条件下难以准确测定,故采用测定喷焊层与母材金属间的抗拉强度的办法来反映喷焊层与母材之间的结合能力。
(1)堆焊层剪切强度。堆焊层剪切强度试样如图4,按上述的堆焊方法,在316L母材上分别堆焊司太立6、司太立21,加工成图4所示的剪切强度试样,在万能拉力试验机上按图5的方式测定堆焊层剪切强度。
(2)喷焊层的结合强度。按图6的(a)车削出试样A、试样B,分别在试样A和试样B的小直径处喷上喷焊层Ni60合金,冷却后将喷焊层上的氧化物等清理干净,然后将试样A和试样B的喷焊面紧密接触,重新加热喷焊处,使之熔化并熔成一体,如图6的(c)所示,冷却后加工成拉伸试样进行拉伸试验,如图6的(b)所示,测定出喷焊接头的抗拉强度。
1.2.3 耐腐蚀性能试验
(1)耐腐蚀性能试样。耐腐蚀性能试样如图2,是用不锈钢316L钢板制成,采用上述不同的堆焊或喷焊材料和方法在其六个表面上进行堆焊或喷焊,焊后磨削至表面粗糙度达Ra0.4。每种堆焊层或喷焊层共制作8个试样。
(2)试验方法。配制了含8种浓度的NaCl的5%HCl水溶液,如表3所示,将上述试样分别置于8种溶液内,在60℃温度下放置500小时,然后取出测定堆焊层或喷焊层表面积及腐蚀前后的重量差,计算出腐蚀速率如表3。
2 结果与分析
2.1 硬度试验
硬度测定结果如表2,由表2的测定值可知:
(1)司太立6合金的手工电弧焊和手工钨极氩弧焊堆焊层硬度为33~45 HRC。(2)司太立21合金的手工电弧焊和手工钨极氩弧焊堆焊层硬度为26~29 HRC。(3)Ni60粉末喷焊层硬度为51.5~55.0 HRC。(4)同一堆焊或喷焊材料,其硬度与堆焊层数或喷焊层数、厚度、方法有关。试验表明,堆焊层数或喷焊层数增多、厚度加大,硬度都会增加。手工钨极氩弧焊的堆焊层硬度在同等条件下较手工电弧焊堆焊层硬度高。手工电弧焊堆焊层的硬度值波动最大,喷焊层硬度值波动最小。(5)试验表明,司太立21合金有加工硬化倾向,若采用恰当的方法,硬度可以提高到40 HRC.
2.2 结合强度试验
2.2.1堆焊层剪切强度
司太立6合金、司太立21合金的堆焊层剪切强度测定结果如下:司太立6合金堆焊层剪切强度:654 MPa,640 MPa,平均647 MPa;司太立21合金堆焊层剪切强度:575 MPa,559 MPa,平均567 MPa。一般用于输送物料的机械零件,其堆焊层或喷焊层要求的剪切强度为220~330 MPa,因此,司太立6合金、司太立21合金的堆焊层剪切强度能满足工作要求。
2.2.2喷焊层的结合强度
用上述方法测定喷焊Ni60合金的喷焊层与母材316L的结合强度,测得抗拉强度为300 MPa,如上所述,也能满足工作要求。
2.3 耐腐蚀性能试验
耐腐蚀性能试验结果如表3。由表3各种合金的堆焊层或喷焊层、母材的腐蚀速率可知:
(1)堆焊层或喷焊层的腐蚀速率随腐蚀介质NaCl的浓度变化而变化,当溶液中NaCl浓度在10%～30%这一区间时,其腐蚀速率最大。
(2)各种堆焊层或喷焊层的腐蚀速率差异较大,即抗腐蚀能力差异较大,按平均腐蚀速率大小,即按抗腐蚀能力由强至弱排列,可得到以下的顺序:①司太立21(手工钨极氩弧焊) 腐蚀速率平均值0.029g/(㎡.24h),②司太立6(手工电弧焊)腐蚀速率平均值0.154g/(㎡.24h),③Ni60(氧乙炔火焰喷焊)腐蚀速率平均值0.200g/(㎡.24h),④司太立6(手工钨极氩弧焊), 腐蚀速率平均值0.246g/(㎡.24h),⑤母材316L 腐蚀速率平均值0.256g/(㎡.24h)。
3 小结
对于如表1所示的母材和合金材料,通过硬度试验、堆焊层剪切强度试验、喷焊层的结合强度试验、耐腐蚀性能试验,并综合在堆焊、喷焊、堆焊和喷焊的裂纹修补、机械加工的难易等,可得出如下小结。
(1)司太立21的抗腐蚀性能最好,但硬度最低,但可通过加工硬化,如喷丸强化来提高硬度,如果对加工硬化工艺加以完善,则合金表面硬度可提高,从而提高其耐磨性。且司太立21堆焊时不会产生裂纹,其机械加工性也好,有良好的耐腐蚀性和耐磨性,即综合性能优良。
(2)如果表面要求硬度更高的,如图1,可用司太立21做过渡层,司太立6做复层,由于司太立21做的过渡层较软,使得堆焊复层司太立6时不会或不易产生裂纹,从而提高材料的抗裂性,并保证端面内层的抗腐蚀能力,这种技术方案的耐腐蚀性和耐磨性也很好,但加工较难些,综合性能优良。
参考文献
[1]刘道新.材料的腐蚀与防护.西安:西北工业大学出版社,2006:15-17.
[2]上海司太立有限公司.上海司太立有限公司产品资料.上海:上海司太立有 限公司出版,1991.
关键词堆焊 合金 不锈钢 腐蚀速率 硬度
中图分类号:TG142文献标识码:A
在机械零件表面用焊接的方法堆敷一层或多层同材质或不同材质金属的工艺方法,称为堆焊。堆焊广泛应用于机械制造,特别在化工机械、石油机械、食品机械、轻工机械、冶金机械、农业机械、交通运输机械、工夹具、模具等机械零件的设计制造中,经常会要求零件材料有较高的耐磨和耐腐蚀的综合性能,其目的主要是延长零件的使用寿命、提高其可靠性、降低成本。为使材料能耐磨和耐腐蚀,很多机械零件是采用在不锈钢316L上堆焊合金。但在不锈钢316L上堆焊合金后,其耐腐蚀性和耐磨性如何呢?堆焊哪种合金的耐腐蚀性和耐磨性、即综合性能较好呢?本研究通过一系列耐腐蚀和机械性能试验,为选择耐腐蚀性和耐磨性较好的堆焊方案提供实用的解决方案和实验数据。
1 材料与试验方法
1.1 材料
1.1.1 钴基耐磨合金系列
该系列合金主要由钴与铬组成,基体是铬与钴的合金固溶体,具有高强度、良好的耐蚀性和耐氧化性能,在此基础上加入一定量的钨和钼加以进一步强化,为避免堆焊层中的碳向母材转移而降低熔合线上的耐腐蚀能力,堆焊材料均选用低含碳量的材料。
司太立6合金,该合金是钴-铬-钨合金中含碳量较低的一种合金,也是应用最广泛的牌号,在相当宽的温度范围内,具有优良的耐多种机械和化学因素复合作用的性能,两层堆焊金属硬度为39~40 HRC,该种合金的堆焊材料目前市场上以手工电弧焊焊条及裸棒形式供应。在试验中,采用手工电弧焊和手工钨极氩弧焊进行堆焊。司太立21合金是低碳、用钼强化的钴铬合金,具有良好的耐蚀性及较好的韧性,有加工硬化趋向,经加工硬化后,两层堆焊金属硬度为45 HRC,市场上以裸棒形式供应,故采用手工电弧焊和手工钨极氩弧焊进行堆焊。
1.1.2 镍基耐磨合金
Ni-Cr-B-Si合金粉末,Ni60,该合金具有较高的硬度, 55 HRC,并具有一定的抗腐蚀能力,以喷焊粉末形式供货,故可采用喷焊,喷焊这种方法效率高、成本低、稀释率小,是一种较好的方法。
1.1.3 不锈钢
母材采用不锈钢316L。上述各种材料的实际化学成分列于表1。
1.2 试验方法
堆焊层的机械性能包括堆焊层的硬度,堆焊层和母材316L的结合能力。一般来说,硬度高,其耐磨性也好。
1.2.1 硬度试验
(1)硬度测定焊接试样。硬度测定焊接试样焊接试样如图1、图3,试件母材为316L。图1是堆焊顺序图,先堆焊过渡层1,再堆焊侧面2,然后堆焊复层3。
(2)试验方法及设备。用表1所列的堆焊、喷焊材料分别在焊接试样的顶面和侧面进行堆焊或喷焊,堆焊或喷焊采用以下三种方法。
①手工钨极氩弧焊:焊接设备为日本松下Pana TIG MP-300。焊接规范:直流正接,电流60～140A,氧气流量7～9 L/min,钨极直径2.5mm,高频引弧。该种方法用来堆焊司太立6、司太立21。
②手工电弧焊:采用直流电源反接,电流90-120A,焊条直径3mm,焊前200℃加热1小时,该种方法用来堆焊司太立6合金。
③氧乙炔火焰喷焊:用来喷焊Ni60合金。
用上述三种方法分别对图2的腐蚀试样、图3的堆焊焊接试样(堆焊顺序按图1)、图4的堆焊层剪切强度试样(堆焊层剪切强度测定是按图5)、图6的喷焊层与母材结合强度测定试样进行堆焊或喷焊。堆焊方向为沿板边长度方向进行,多道焊;喷焊采用一步法,分段,全宽度一次完成。参看图1、图3,堆焊层有直接堆焊层和采用过渡层堆焊的复合堆焊层(复层)两种。堆焊后,将试样表面磨平,测量表面硬度(HRC),不同的堆焊和喷焊材料、不同的堆焊和喷焊方法、不同厚度的堆焊和喷焊层的表面硬度测定结果如表2。
1.2.2 结合强度试验
机械零件在工作中,堆焊层往往承受物料或零件的压力或摩擦力,因而,在堆焊层及母材间除了有压力外,还有剪切力。通常,检验堆焊层与母材间的结合能力,是通过测定堆焊层和母材间的剪切强度来实现的,喷焊层与母材之间的结合强度,在目前一般企业的条件下难以准确测定,故采用测定喷焊层与母材金属间的抗拉强度的办法来反映喷焊层与母材之间的结合能力。
(1)堆焊层剪切强度。堆焊层剪切强度试样如图4,按上述的堆焊方法,在316L母材上分别堆焊司太立6、司太立21,加工成图4所示的剪切强度试样,在万能拉力试验机上按图5的方式测定堆焊层剪切强度。
(2)喷焊层的结合强度。按图6的(a)车削出试样A、试样B,分别在试样A和试样B的小直径处喷上喷焊层Ni60合金,冷却后将喷焊层上的氧化物等清理干净,然后将试样A和试样B的喷焊面紧密接触,重新加热喷焊处,使之熔化并熔成一体,如图6的(c)所示,冷却后加工成拉伸试样进行拉伸试验,如图6的(b)所示,测定出喷焊接头的抗拉强度。
1.2.3 耐腐蚀性能试验
(1)耐腐蚀性能试样。耐腐蚀性能试样如图2,是用不锈钢316L钢板制成,采用上述不同的堆焊或喷焊材料和方法在其六个表面上进行堆焊或喷焊,焊后磨削至表面粗糙度达Ra0.4。每种堆焊层或喷焊层共制作8个试样。
(2)试验方法。配制了含8种浓度的NaCl的5%HCl水溶液,如表3所示,将上述试样分别置于8种溶液内,在60℃温度下放置500小时,然后取出测定堆焊层或喷焊层表面积及腐蚀前后的重量差,计算出腐蚀速率如表3。
2 结果与分析
2.1 硬度试验
硬度测定结果如表2,由表2的测定值可知:
(1)司太立6合金的手工电弧焊和手工钨极氩弧焊堆焊层硬度为33~45 HRC。(2)司太立21合金的手工电弧焊和手工钨极氩弧焊堆焊层硬度为26~29 HRC。(3)Ni60粉末喷焊层硬度为51.5~55.0 HRC。(4)同一堆焊或喷焊材料,其硬度与堆焊层数或喷焊层数、厚度、方法有关。试验表明,堆焊层数或喷焊层数增多、厚度加大,硬度都会增加。手工钨极氩弧焊的堆焊层硬度在同等条件下较手工电弧焊堆焊层硬度高。手工电弧焊堆焊层的硬度值波动最大,喷焊层硬度值波动最小。(5)试验表明,司太立21合金有加工硬化倾向,若采用恰当的方法,硬度可以提高到40 HRC.
2.2 结合强度试验
2.2.1堆焊层剪切强度
司太立6合金、司太立21合金的堆焊层剪切强度测定结果如下:司太立6合金堆焊层剪切强度:654 MPa,640 MPa,平均647 MPa;司太立21合金堆焊层剪切强度:575 MPa,559 MPa,平均567 MPa。一般用于输送物料的机械零件,其堆焊层或喷焊层要求的剪切强度为220~330 MPa,因此,司太立6合金、司太立21合金的堆焊层剪切强度能满足工作要求。
2.2.2喷焊层的结合强度
用上述方法测定喷焊Ni60合金的喷焊层与母材316L的结合强度,测得抗拉强度为300 MPa,如上所述,也能满足工作要求。
2.3 耐腐蚀性能试验
耐腐蚀性能试验结果如表3。由表3各种合金的堆焊层或喷焊层、母材的腐蚀速率可知:
(1)堆焊层或喷焊层的腐蚀速率随腐蚀介质NaCl的浓度变化而变化,当溶液中NaCl浓度在10%～30%这一区间时,其腐蚀速率最大。
(2)各种堆焊层或喷焊层的腐蚀速率差异较大,即抗腐蚀能力差异较大,按平均腐蚀速率大小,即按抗腐蚀能力由强至弱排列,可得到以下的顺序:①司太立21(手工钨极氩弧焊) 腐蚀速率平均值0.029g/(㎡.24h),②司太立6(手工电弧焊)腐蚀速率平均值0.154g/(㎡.24h),③Ni60(氧乙炔火焰喷焊)腐蚀速率平均值0.200g/(㎡.24h),④司太立6(手工钨极氩弧焊), 腐蚀速率平均值0.246g/(㎡.24h),⑤母材316L 腐蚀速率平均值0.256g/(㎡.24h)。
3 小结
对于如表1所示的母材和合金材料,通过硬度试验、堆焊层剪切强度试验、喷焊层的结合强度试验、耐腐蚀性能试验,并综合在堆焊、喷焊、堆焊和喷焊的裂纹修补、机械加工的难易等,可得出如下小结。
(1)司太立21的抗腐蚀性能最好,但硬度最低,但可通过加工硬化,如喷丸强化来提高硬度,如果对加工硬化工艺加以完善,则合金表面硬度可提高,从而提高其耐磨性。且司太立21堆焊时不会产生裂纹,其机械加工性也好,有良好的耐腐蚀性和耐磨性,即综合性能优良。
(2)如果表面要求硬度更高的,如图1,可用司太立21做过渡层,司太立6做复层,由于司太立21做的过渡层较软,使得堆焊复层司太立6时不会或不易产生裂纹,从而提高材料的抗裂性,并保证端面内层的抗腐蚀能力,这种技术方案的耐腐蚀性和耐磨性也很好,但加工较难些,综合性能优良。
参考文献
[1]刘道新.材料的腐蚀与防护.西安:西北工业大学出版社,2006:15-17.
[2]上海司太立有限公司.上海司太立有限公司产品资料.上海:上海司太立有 限公司出版,1991.