芯棒表面堆焊材料组织与耐磨性能分析
在定管定壁中起关键作用的芯棒是连轧管机组中不可或缺的工具，但由于其服役的工况十分恶劣，芯棒表面经常发生不同程度的划痕、裂纹乃至严重磨损，进而影响整个机组的运转，由于芯棒材质一般为H13钢，制造成本高，采购周期长，因此延长芯棒使用时限，提高芯棒表面抗磨性能，具有巨大的经济意义。
由于芯棒的磨损失效都发生在其表面，故在其表面覆盖上一层高性能材料不仅能提高其抗磨损性能，还可以对本体多次利用，现在常见的表面改性技术有:涂镀法、堆焊法和激光熔覆法。
其中由于堆焊法相比于熔覆法价格更低廉，还可以克服涂镀法涂层较薄的缺点，能获得性能优良的复合涂层，本文在H13钢基体上堆焊一定厚度的耐磨材料，对堆焊层的组织形貌、相组成及摩擦磨损性能进行分析，并与基体组织进行对比分析，为后续的复合制造提供参考数据。
一、试验介绍
试样基体采用H13钢基体材料，规格为80mm×50mm×30mm，堆焊前先用喷砂机对其表面进行喷砂处理，完全去除基体表面氧化膜，保证露出金属光泽，然后进行堆焊。
采用日立S-3400扫描电子显微镜对熔覆组织进行观察，用岛津7000型X射线衍射仪对试样进行相结构分析，使用HVS-1000维氏硬度计对整个堆焊层横截面进行硬度测试，加载压力为200g，加载时间为15s。
采用MMU-5G销盘磨损机对堆焊件15mm×20mm进行磨损测试，实验压力为100N，转速为100r/min，时间10min，对磨材料为Cr12MoV。
二、试验结果及分析
图1是104-S堆焊层焊态的组织形貌，从图1a中可知，试样近表面处的组织是由马氏体和残余奥氏体组成，其中颜色稍深一点区域是马氏体，近似于网状结构;而略微凸起，平滑的白色块状区域是残余奥氏体。
在图1b中，近母材处虽然也由马氏体与残余奥氏体组成，但可以明显看出该处的马氏体组织比较粗大，残余奥氏体相对于近表面处也略有下降。
这是由于近表面处合金元素含量高，奥氏体稳定，只有在较低的相变温度才能转为了隐晶马氏体，故奥氏体含量较高;而在近母材处，由于合金元素的稀释，奥氏体稳定性下降，马氏体转换比例变大，故残余奥氏体减少。
图2中可以看出108-S试件在近表面处的组织为平坦且颜色较深的块状残余奥氏体，大块平行的板条状是上贝氏体组织，小块杂乱且很细的是马氏体针状组织，近母材处则以针状马氏体为主，并带有少量的块状贝氏体。
图3为104-S试样经650℃高温回火后的组织形貌，由图3a中可知，在近表面处略显凹入的灰白色区域是原来隐晶马氏体分布的位置。
虽然马氏体退化后，边缘变得模糊，但仍可大致看到原来的边界，而深灰色块状组织是残余奥氏体，由图3b中可知，近母材处的马氏体退火后，虽然能看到这些组织原来的针状形貌，但边界更加模糊且残余奥氏体较少。
图4为108-S试样经650℃高温回火后的组织形貌，由图4a中可知，经过回火处理后，近表面处原来的平坦深色的残余奥氏体几乎没有变化，但是大量呈片状，针状有细网状结构的组织则退化成贝氏体和马氏体，由图4b中可知，近母材处的组织变化最大，马氏体组织已经完全不可见，只能发现索氏体组织。
图5对应的是焊芯为104-S和108-S所对应的试样回火后的X射线衍射结果，虽然两种药芯焊丝成分有所不同的，但在图中均只发现Fe-Cr合金固溶体相，没有出现明显的碳化物等硬质相峰值，这可能是因为其他元素含量较少，衍射峰强度很低所致。
图6为两种回火试样的显微硬度曲线，回火后两种试样的母材部分的硬度均在140HV左右，104-S回火试样堆焊层的硬度在320HV左右，而108-S回火试样的硬度略高，达到340HV左右，这是因为108-S药芯焊丝中加入的Cr能与C形成硬质强化相，同时N含量的增加，也能替代部分C元素提高强化效果。
图6分别为两种回火试样的摩擦系数曲线与磨损失重图，从图中可以看出两种回火试样的摩擦系数相差不大，回火后的104-S和108-S试样的摩擦系数分别为0.64和0.65。
但从磨损失重来看，108-S回火试件更耐磨一些，这与108-S回火试样的较高硬度相对应，相对于母材失重8.8mg，堆焊层的失重仅分别为3.7mg和3.2mg，涂层耐磨性能优良，耐磨性提高近3倍。
三、结论
堆焊涂层具有典型的层状结构，经回火后104-S试样近表面隐晶马氏体消失，近母材处的马氏体发生退化，残余奥氏体含量下降，而108-S试样近表面的上贝氏体和马氏体发生退化成细网状组织，近母材处的马氏体退化成回火索氏体。
堆焊涂层相对于母材具有较高的硬度，最大值可以达到350HV，其硬度为母材的2.2倍，堆焊涂层具有优异的耐磨性，失重较少，可以使母材的耐磨提高3倍以上。
