CN105651615A - 测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法及试件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测试堆焊层间及堆焊层与母材金属结合强度的推离试验方法及试件，属于材料加工工程领域。所述试验方法：1)在堆焊试板上切割出十字交叉推离试件；2)推离试件的结合面位于堆焊层间的界面或堆焊层与母材金属的界面；3)将推离试件装配到专用的夹具上，在压力试验装置上进行推离试验，直至推离试件沿结合面断裂，即测得结果；4)同组试件最少为2个，超过误差要求的要做补充试验。所述推离试件为十字交叉的上下两个长方体，两个长方体的结合面经加工位于待测堆焊层间的界面位置或堆焊层与母材金属的界面位置。本发明可满足堆焊材料、母材、堆焊工艺等特定因素对堆焊层间及堆焊层与母材金属结合性能的影响规律的试验研究要求。

Description

测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法及试件

技术领域

本发明属于材料加工工程领域，涉及一种新的测试堆焊金属层间及堆焊层与母材金属间结合强度的一种测试方法及其适用的十字交叉推离试件。

背景技术

堆焊技术是表面工程领域的关键技术之一，其显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性[单际国，董祖珏，徐滨士.我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现状[J].中国表面工程，2002(04):19-22.]。堆焊技术与其他表面工程技术一样，在应用及试验研究中特别关注“表面”与“界面”这两个核心内容。利用焊接方法，在工件表面熔覆一层或多层具有特殊性能的合金层，可以恢复零件的尺寸、形状和性能。尽管堆焊金属与母材呈冶金结合，但为了明显地提高表面性能，堆焊金属往往与母材的成分、微观组织和性能差别很大，因此，随着堆焊技术的广泛应用和深入研究，堆焊金属与母材的结合性能日益受到研究人员和用户的关注。而采用多层堆焊时，为了缓解焊接应力，保证工作层材料与母材结合良好，防止出现局部剥离等失效现象，经常采用预堆过渡层等措施。这时，堆焊工件存在两个界面：①过渡层与母材的界面；②工作层与过渡层的界面。在使用条件下要保证堆焊工件的各个界面不出现裂纹、局部剥离等缺陷，测试界面的结合强度已成为堆焊技术应用与研究的重点内容之一。

英国南安普顿大学等单位的研究人员进行摩擦堆焊工艺优化试验时，采用合适的摩擦堆焊工艺将304不锈钢棒材(Φ5×50mm)堆焊到低碳钢基体(尺寸为80×45×6mm)上，获得的堆焊层尺寸为20×5mm，典型厚度为0.5～3.0mm，堆焊试样见图1。设计了一种简单的推离试验法(push-offtest)测试堆焊层与基体的结合强度。首先对摩擦堆焊试样中部用电火花加工方法切取10mm长的试件，其上的堆焊层与基体的结合面积为10×5mm²，然后在对应堆焊层中心位置的基体上钻削加工直径4mm的盲孔，并使其底部恰好位于堆焊层与基体的结合面处。把加工后的堆焊试样放置到专门的支座上，将推离工具放入盲孔中进行推离试验，见图2。推离试验后，堆焊层与基体从结合面分离。摩擦堆焊工艺参数变化会影响堆焊层与基体的结合面宽度及结合效果，根据实际情况计算推离压力作用的面积，获得的不锈钢摩擦堆焊层与低碳钢基体结合强度典型值为120MPa。(I.Voutchkov,B.Jaworski,V.I.Vitanov,G.M.Bedford.Anintegratedapproachtofrictionsurfacingprocessoptimisation.SurfaceandCoatingsTechnology,2001,141(1):26-33)

南京航空航天大学的研究人员发明了《基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法及试样》(专利号200710024610.5)。该发明设计的试样见图3，试样由台阶状支撑圈(1)、锥-柱结合体(2)和涂层(3)组成。测试涂层结合强度的步骤是：1.采用与基体相同的材料制造锥-柱结合体(2)和台阶式支撑圈(1)，将两者配合后，机械加工使锥-柱结合体(2)的锥体大端端面与台阶式支撑圈(1)小台阶体端面位于同一平面上；2.在该平面上制备被测涂层(3)，当涂层较薄时，还可在涂层(3)上涂上胶层(4)，再在胶层(4)上粘结一金属加强板(5)；3.将试样直接置于压力试验装置上进行推压试验，测量涂层的结合强度。该发明测试方法具有物理意义简单明确，操作简便灵活，试验的重复性好等一系列优点。按照该方法和试样进行氧乙炔火焰喷焊Ni60涂层与45钢基体的结合强度试验，涂层全部随试样毛坯锥体大端一起与支撑圈小台阶端面剥离，测得6个试样的平均值为154.4MPa，分散度仅为7.7％。

本发明申请人的项目组借鉴图2的推离试验法，设计了适用于电弧堆焊层与母材结合强度的试验方法，对药芯焊丝堆焊层与钢母材的结合强度进行了试验研究。图4为电弧堆焊层与母材结合强度的试验方法原理图及试样形状，图4中部试样的母材由两部分组成，外侧为圆环形，内侧为圆柱形，两块母材组合后，放在堆焊转台上沿圆周线进行焊接，在两块母材的接缝处形成圆环形堆焊层。进行推离试验时，把堆焊试样放在基座上，外环母材搭在基座的内侧台阶上，上部的推离头放在内侧圆柱形母材上，整体放入万能试验机进行推离试验。调整万能试验机压头接触到推离头上表面，根据堆焊层类型及其与母材的结合面积选择最大载荷，设定加载速度后进行推离试验。加载后压力通过圆柱形母材传递到堆焊层，使堆焊层与外侧圆环母材的结合面承受拉应力，当拉应力超过堆焊层与外环母材之间的结合强度时发生断裂，断裂面一般在结合面区域附近。这种推离试样可以采用焊条电弧焊、钨极氩弧焊、二氧化碳气体保护焊、自保护药芯焊丝电弧堆焊等方法制备。分别采用钨极氩弧堆焊及自保护药芯焊丝电弧堆焊方法制备了推离试样，用推离试验法测试了几种堆焊层金属与45钢母材的结合性能，获得了较好的试验结果。(左亚天.挤压辊修复用耐磨堆焊合金与45钢母材的结合强度研究[D].吉林：吉林大学，2013.)(黄飞，彭武强，赵有恒，任振安.测试堆焊层与钢母材结合性能的推离试验法及其应用.2015年全国堆焊再制造技术学术会议论文集，主办单位：中国焊接学会堆焊及表面工程专业委员会，中国太原，2015年8月：47-53)

发明内容

英国南安普顿大学等单位的研究人员设计的推离法适用于表面层与基体为冶金结合且结合强度较高，并且结合界面较平整的情况，能够定量测量较高结合强度的界面，测试方法较为简单。但试件制备要求较高，当堆焊层与基体的界面不平整时不太适用(I.Voutchkov,B.Jaworski,V.I.Vitanov,G.M.Bedford.Anintegratedapproachtofrictionsurfacingprocessoptimisation.SurfaceandCoatingsTechnology,2001,141(1):26-33)。发明专利《基于压力试验装置的高结合性能涂层结合强度测试方法及试样》中的测试试样尺寸较大，机械加工较为复杂(ZL200710024610.5)。图4的电弧堆焊层与母材的结合强度测试试样的尺寸较大，加工量也较大，而且不能测试堆焊层间的结合强度。当堆焊材料规格较大时堆焊层与母材的结合面积较大，需要大吨位试验机进行推离试验。

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺欠，提出了一种测试堆焊层间及堆焊层与母材金属结合强度的试验方法及试件，以满足堆焊材料、母材、堆焊工艺等特定因素对堆焊层间及堆焊层与母材金属结合性能的影响规律的试验研究要求。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

一种测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法，其特征是：

1)采用实际生产堆焊试板，或采用根据试验条件要求制备的堆焊试板，经过包括线切割在内的机械加工方法从堆焊试板上切割出十字交叉推离试件；

2)按照试验目的加工十字交叉推离试件，测量堆焊层与母材的结合性能时，将十字交叉推离试件的结合面预先设置在堆焊层与母材金属界面区域内；测量不同堆焊层之间的结合性能时，将十字交叉推离试件的结合面预先设置在待测堆焊层间的界面区域内；在加工推离试件之前，先将堆焊试板切割成小试块，然后对小试块的横截面进行磨平、抛光、腐蚀处理，确定堆焊层间及堆焊层与母材金属的界面位置，然后进行机械加工得到满足试验要求的“十字交叉推离试件”；

3)将上述十字交叉推离试件装配到专用的夹具上，然后置于压力试验装置上进行推离试验，直到十字交叉推离试件沿结合面断裂，即测得堆焊层与母材金属的结合强度或堆焊层间的结合强度；

4)同组十字交叉推离试件最少为2个，进行推离试验获得的堆焊层间及其与母材金属结合强度数据，根据采用的误差要求进行判断，超过误差要求的要做补充试验。

一种用于上述的推离试验方法的试件，其特征是：

1)根据推离试验要求从实际生产或从专门设计试验制备的堆焊试板取样为十字交叉推离试件，所述十字交叉推离试件分为上下两部分，均为长方体，尺寸相同或不同，结合面的面积为上下两个长方体宽度的乘积；

2)通过从堆焊试板上切割下来的小试块的横截面进行磨平、抛光、腐蚀处理的方法确定堆焊层间及堆焊层与母材金属的界面，然后将小试块加工成十字交叉推离试件时，沿已经确定的界面作为推离试件上下两部分的结合面进行加工；

3)十字交叉推离试件上下两部分长方体的尺寸以及结合面面积应满足以下条件：在进行推离试验时，应沿结合面分离；推离试验过程中，十字交叉推离试件的上下两部分长方体，除结合面以外其他部位不得出现塑性变形或弯曲。

本发明的有益效果：

本发明提出的一种测试堆焊层间及堆焊层与母材结合强度的推离试验方法及十字交叉推离试件，具有以下有益效果：

1)本发明提出的测量方法具有物理意义明确，操作简便，不需要复杂的理论计算，试验重复性好等优点；

2)本发明测量方法可用于电弧堆焊方法及其他堆焊方法制备的堆焊层与母材金属结合强度的测量；

3)本发明测量方法可用于电弧堆焊方法及其他堆焊方法制备的多层堆焊相邻层间金属结合强度的测量；

4)本发明首次提出了用于测量堆焊层间及堆焊层与母材金属结合强度的“十字交叉推离试件”，这种推离试件具有容易加工，可以根据堆焊试板和实际需要改变推离试样的尺寸等优点；

5)本发明提出的十字交叉试件可以取自实际堆焊工件，能够真实反应生产工况下堆焊层间及堆焊层与母材金属的结合性能；

6)十字交叉推离试件也可以取自根据专门设计的堆焊试板，试验研究堆焊材料、母材、堆焊工艺等特定因素对堆焊层间及堆焊层与母材金属结合性能的影响规律；

7)本发明提出的十字交叉推离试件，堆焊层间及堆焊层与母材金属的测试面积较大，适合于对电弧堆焊等方法产生的不平整界面进行结合强度测量。

附图说明

图1现有的堆焊试样示意图。

图2现有的推离试验(push-offtest)原理图。

图3现有的高结合性能涂层与基体材料的结合强度测试试样。

图4现有的测试电弧堆焊层与母材结合强度的推离试验法原理图。

图5本发明的推离试验方法的原理及其试样示意图，其中：

a)推离试验方法的原理图；

b)推离试样；

c)装配位置示意图。

图6具体实施例中采用的十字交叉推离试件。

具体实施方式

实施例1：采用45钢母材，尺寸为200×120×25mm，选择水泥中速磨常用的过共晶高铬合金铸铁型自保护药芯焊丝和辊压机常用的含铌合金钢型自保护药芯焊丝，规格均为Φ2.8mm。焊接电源为NBC-630型逆变式焊机，堆焊工艺参数见表1，共堆焊3层，第一层堆焊5道，第二和第三层堆焊4道，焊后空冷。

表1自保护药芯焊丝堆焊工艺参数

将堆焊试板切割出金相试样，经过磨平抛光腐蚀后检测成分并观察微观组织，过共晶高铬合金铸铁堆焊层含有大量Cr和C元素，微观组织为六边形及条状一次碳化物和共晶物混合组织，堆焊层与母材界面处的熔合区由珠光体和断续分布的马氏体和残余奥氏体(M+A’)及奥氏体组成，靠近熔合区的堆焊层底部由大量共晶物和少量奥氏体枝晶组成。含铌合金钢堆焊层含有较多C、Cr、Nb含量，还有少量Mo元素，微观组织为马氏体和残余奥氏体(M+A’)基体上弥散分布NbC颗粒，堆焊层金属与母材的界面上有一层针状马氏体组织，弥散分布的NbC颗粒也很小。将上述两种堆焊试板用线切割方法加工成图6的十字交叉推离试件各3个，堆焊层与母材两部分的尺寸均为：长30mm×高10mm×宽8mm，堆焊层与母材的结合面积为8×8mm²。

推离试验所使用的压力装置是美国MTS公司的电液伺服万能试验机，将十字交叉推离试件安装到图5的推离试验夹具上进行推离试验，得到的堆焊层与母材的结合强度测量数据见表2。将断裂后的推离试件进行断裂位置分析发现，过共晶高铬合金铸铁堆焊层主要沿邻近熔合线的奥氏体层和堆焊层底部的亚共晶组织处断裂，分离面没有进入45钢母材金属一侧；含铌合金钢堆焊层与45钢母材金属的推离试样部分断裂在母材热影响区高温区，部分断裂在堆焊层底部的熔合区，断裂位置均邻近堆焊层与母材金属的界面。堆焊层与母材的结合强度数据与图4采用的推离试验数据接近，反映了不同堆焊层金属与45钢母材的结合性能。

表2堆焊层与母材金属的结合强度

备注：均为平均值

实施例2：45钢母材尺寸同实施例1，选择水泥磨辊堆焊常用的过渡层用奥氏体钢自保护药芯焊丝，规格为Φ2.8mm，堆焊条件与实施例1相同。

将堆焊试板切割出金相试样，经过磨平抛光腐蚀后检测成分并观察微观组织，过渡层金属含Cr量较高，还有较多的Mn和Ni等元素，微观组织为枝晶状单相奥氏体，过渡层底部与母材界面处也是奥氏体。用线切割方法将堆焊试板加工出3个如图6所示的十字交叉推离试件，推离试验得到过渡层与母材的结合强度平均值为：322MPa。将断裂后的推离试件进行断裂位置分析发现，推离试样主要沿邻近熔合线45钢母材一侧的热影响区高温区断裂。

实施例3：45钢母材尺寸同实施例1，选择水泥磨辊堆焊常用的过渡层用奥氏体钢自保护药芯焊丝和耐磨层用含铌合金钢型自保护药芯焊丝，规格均为Φ2.8mm，共堆焊6层，第一层至第三层用奥氏体钢自保护药芯焊丝，第一层堆焊8道，第二层堆焊7道，第三层堆焊6道；第四层至第六层用含铌合金钢型自保护药芯焊丝，第四层堆焊5道，第五层和第六层均堆焊4道，焊后空冷。其他堆焊条件与实施例1相同。

将堆焊试板切割出金相试样，经过磨平抛光腐蚀后检测成分并观察微观组织，底部过渡层金属的成分与微观组织与实施例2中相同；上部的耐磨层金属的成分与微观组织与实施例1中相同。在加工推离试件之前，先将堆焊试板切割成小块，然后对垂直于堆焊方向的横截面进行磨平抛光腐蚀处理，确定底部过渡层与上部耐磨层金属的界面位置。再用线切割方法将堆焊试块加工出3个如图6所示的十字交叉推离试件，经推离试验得到奥氏体钢过渡层与含铌合金钢耐磨层的结合强度平均值为：304MPa。将断裂后的推离试件进行断裂位置分析发现，推离试样在邻近熔合线的含铌合金钢耐磨层一侧金属内断裂。

实施例4：45钢母材尺寸同实施例1，选择水泥磨辊堆焊常用的过渡层用奥氏体钢自保护药芯焊丝和耐磨层用过共晶高铬合金铸铁型自保护药芯焊丝，规格均为Φ2.8mm，堆焊条件与实施例3相同。

将堆焊试板切割出金相试样，经过磨平抛光腐蚀后检测成分并观察微观组织，底部过渡层金属的成分与微观组织与实施例2中相同；上部的耐磨层金属的成分与微观组织与实施例1中相同。在加工推离试件之前，先将堆焊试板切割成小块，然后对垂直于堆焊方向的横截面进行磨平抛光腐蚀处理，确定底部过渡层与上部耐磨层金属的界面位置。再用线切割方法将堆焊试块加工出3个如图6所示的十字交叉推离试件，经推离试验得到奥氏体钢过渡层与过共晶高铬合金铸铁耐磨层的结合强度平均值为：127MPa。将断裂后的推离试件进行断裂位置分析发现，推离试样在邻近界面处的过共晶高铬合金铸铁耐磨层一侧金属内断裂。

Claims (2)

1.一种测试堆焊层间及堆焊层与母材金属结合强度的推离试验方法，其特征是：

1)采用实际生产堆焊试板，或采用根据试验条件要求制备的堆焊试板，经过包括线切割在内的机械加工方法从堆焊试板上切割出十字交叉推离试件；

2)按照试验目的加工十字交叉推离试件，测量堆焊层与母材的结合性能时，将十字交叉推离试件的结合面预先设置在堆焊层与母材金属界面区域内；测量不同堆焊层之间的结合性能时，将十字交叉推离试件的结合面预先设置在待测堆焊层间的界面区域内；在加工推离试件之前，先将堆焊试板切割成小试块，然后对小试块的横截面进行磨平、抛光、腐蚀处理，确定堆焊层间及堆焊层与母材金属的界面位置，然后进行机械加工得到满足试验要求的“十字交叉推离试件”；

3)将上述十字交叉推离试件装配到专用的夹具上，然后置于压力试验装置上进行推离试验，直到十字交叉推离试件沿结合面断裂，即测得堆焊层与母材金属的结合强度或堆焊层间的结合强度；

4)同组十字交叉推离试件最少为2个，进行推离试验获得的堆焊层间及堆焊层与母材金属结合强度数据，根据采用的误差要求进行判断，超过误差要求的要做补充试验。

2.一种用于权利要求1所述的推离试验方法的试件，其特征是：

1)根据推离试验要求从实际生产或从专门设计试验制备的堆焊试板取样为十字交叉推离试件，所述十字交叉推离试件分为上下两部分，均为长方体，尺寸相同或不同，结合面的面积为上下两个长方体宽度的乘积；

2)通过从堆焊试板上切割下来的小试块的横截面进行磨平、抛光、腐蚀处理的方法确定堆焊层间及堆焊层与母材金属的界面，然后将小试块加工成十字交叉推离试件时，沿已经确定的界面作为上下两部分的结合面进行加工；

3)十字交叉推离试件上下两部分长方体的尺寸以及结合面面积应满足以下条件：进行推离试验时沿结合面分离；推离试验过程中，十字交叉推离试件的上下两部分长方体，除结合面以外其他部位不得出现塑性变形或弯曲。