宗 琳，劉政軍，李樂(lè)成

（1沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110142；2沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110178）

等離子原位合成Fe－Cr－V－C堆焊合金的耐磨性

宗 琳1，2，劉政軍2，李樂(lè)成2

（1沈陽(yáng)化工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng)110142；2沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110178）

在礦山開采、重型冶金等領(lǐng)域的許多零部件長(zhǎng)期工作在嚴(yán)峻的工況條件下，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損。為提高材料耐磨性，延長(zhǎng)零件的使用壽命，堆焊作為材料表面改性的一種經(jīng)濟(jì)而快速的工藝方法，已經(jīng)獲得越來(lái)越廣泛的應(yīng)用［1－3］。

堆焊層需要具有高硬度來(lái)獲得較好的耐磨性，因此，堆焊材料中加入大量的碳和碳化物形成元素來(lái)提高堆焊合金的硬度和耐磨性［4－6］。Cr和V作為碳化物形成元素已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在堆焊合金中形成硬質(zhì)相M7C3和 VC［7，8］。這些硬質(zhì)相分布在基體中，具有規(guī)則的外形，較高的硬度和熔點(diǎn)，能夠強(qiáng)化基體從而提高耐磨性。堆焊合金的耐磨性取決于所含硬質(zhì)相和基體組織的尺寸、形態(tài)和分布［9］。堆焊層中Cr，V，C比例的不同將引起硬質(zhì)相和基體數(shù)量、尺寸以及形態(tài)的差異，從而導(dǎo)致耐磨性的差異。鑒于以上因素，本工作研究設(shè)計(jì)了5種不同Cr含量的Fe－Cr－V－C堆焊合金，通過(guò)堆焊層中形成硬質(zhì)相M7C3和VC來(lái)強(qiáng)化鐵基熔覆層，并研究了Cr含量對(duì)硬質(zhì)相M7C3和VC的數(shù)量與形態(tài)的影響，進(jìn)而探討其對(duì)耐磨性的影響機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)方法

堆焊實(shí)驗(yàn)的基體金屬采用20G，試板尺寸為100mm×80mm×12mm，基體表面堆焊前經(jīng)打磨并用丙酮清洗。堆焊合金粉末采用高碳鉻鐵（66.7%Cr，4%C，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）、釩鐵（50%V），鐵粉（純度為99%，200目）和石墨（純度為99.5%）。將合金粉末按含Cr量13.6%，17.70%，20.4%，24.5%，27.2%分別制備5組合金系統(tǒng)，其中C含量按Cr，V形成碳化物和焊接過(guò)程中燒損所需量添加，堆焊前采用水玻璃作黏結(jié)劑預(yù)置在試板表面，厚度約為3mm，試板在室溫下放置24h后經(jīng)50℃保溫10min，100℃保溫10min，200℃保溫1h。

采用LU500－4型粉末等離子堆焊設(shè)備進(jìn)行堆焊實(shí)驗(yàn)，堆焊工藝參數(shù)如下：空載電壓90V，電弧電壓30V，焊接電流140～160A，電弧縱向移動(dòng)速率3～15cm/min，電弧橫向擺動(dòng)頻率21次/min，電弧橫向擺動(dòng)寬度2.0cm，電弧距工件3mm。

制作金相試樣，試樣經(jīng)研磨拋光后采用10%硝酸酒精腐蝕，依次用水和酒精清洗、吹干，利用JSM－6360LV型掃描電鏡對(duì)堆焊層組織進(jìn)行觀察，并采用其附屬能譜儀對(duì)堆焊層組織成分進(jìn)行分析。利用HRC－150型洛氏硬度計(jì)測(cè)試合金表面硬度。利用布魯克D8型衍射儀對(duì)堆焊層進(jìn)行物相鑒定。

耐磨性實(shí)驗(yàn)采用濕砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：膠輪轉(zhuǎn)速240r/min，膠輪直徑150mm，膠輪表面壓力1.5MPa，20～50目的石英砂，用砂量1.5kg。將試樣銑成56mm×27mm×11mm的標(biāo)準(zhǔn)試樣后，用分度值0.1mg的TG328A型分析天平稱重得到G0。磨損3min后，烘干，稱重得到G1。磨損失重ΔG＝G0－G1。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，將試樣表面沖洗吹干，觀察表面磨損形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆焊層組織分析

圖1為Cr含量27.2%堆焊合金的XRD譜。由此可知，合金基體組織為F＋A，而硬質(zhì)相則由 M7C3＋VC組成。M7C3的衍射峰非常明顯，未見(jiàn)FeV衍射峰的出現(xiàn)，證明高碳鉻鐵、釩鐵在等離子弧的照射下發(fā)生了分解和再析出，同時(shí)由于石墨的加入，在熔覆層中生成了新相M7C3和VC。

圖1 堆焊合金X射線衍射結(jié)果Fig.1 XRD spectra of hardfacing alloys

為進(jìn)一步探究Fe－Cr－V－C堆焊合金碳化物的組織，采用電子能譜儀對(duì)含Cr量為27.2%的合金中六邊形組織A點(diǎn)及球狀組織B點(diǎn)進(jìn)行成分分析，如圖2所示，結(jié)果表明A點(diǎn)成分如下：C 19.53%（摩爾分?jǐn)?shù)，下同），V 11.21%，Cr 30.89%，F(xiàn)e 38.37%。由此結(jié)果可以看出六邊形組織的主要成分為Fe，Cr，V和C，證明 M7C3型初生碳化物為（Fe，Cr，V）7C3。B點(diǎn)成分如下：C 23.80%，V 59.96%，Cr 11.34%，F(xiàn)e 4.90%，因此圖2中黑色球狀組織主要由V和C兩種元素及少量的Cr，F(xiàn)e元素構(gòu)成。此結(jié)果表明，熔覆層中的VC并不是純二元碳化物，其組成中還含有一定量的合金元素Cr和Fe。陸金生等人［10］的研究表明，合金元素（如Cr，Mo，Ni等）不能單獨(dú)形成 MC相，但可以置換的方式固溶于MC型間隙相之中。經(jīng)置換后的MC相在XRD下仍表現(xiàn)為MC的衍射特征。綜合本實(shí)驗(yàn)結(jié)果和陸金生的研究結(jié)果可以看出，原位生成熔覆層組織中的VC不是純二元碳化物，而是固溶有一定數(shù)量Cr，F(xiàn)e等合金元素的VC。

可以看出，當(dāng)Cr含量為13.6%時(shí)（圖3（a）），基體為針狀馬氏體，VC多呈開花狀，少量M7C3復(fù)合物以斷續(xù)網(wǎng)狀形態(tài)分布在晶界。由于Cr是鐵素體化元素，因而隨著Cr含量的提高，針狀馬氏體組織逐漸減少，鐵素體組織逐漸增多。從圖3中還可以看出，隨著Cr含量的提高，VC的數(shù)量變化不大，但當(dāng)Cr含量超過(guò)20.4%以后，M7C3復(fù)合物的數(shù)量明顯增多，越來(lái)越多M7C3復(fù)合物的形成釋放大量相變潛熱，使得熔體過(guò)冷度減小，降低了VC生長(zhǎng)過(guò)程中V，C原子擴(kuò)散的各向異性及VC擇優(yōu)生長(zhǎng)方向的長(zhǎng)大速率，使VC形態(tài)逐漸由開花狀向團(tuán)球狀轉(zhuǎn)變（圖3（d））。M7C3復(fù)合物的形態(tài)隨著Cr含量的增加由斷續(xù)網(wǎng)狀向六邊形轉(zhuǎn)變，這是因?yàn)楫?dāng)Cr含量較低時(shí)，不能夠直接析出M7C3碳化物，只能在先析出奧氏體相后，在剩余的液體中達(dá)到過(guò)飽和濃度，從而在奧氏體晶界處析出M7C3碳化物，因而呈現(xiàn)斷續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)；隨著Cr含量的提高，當(dāng)達(dá)到一定值后才能從熔體中直接析出六邊形M7C3碳化物。斷續(xù)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)相比六邊形組織硬度低，且割裂基體的連續(xù)性，對(duì)提高合金的耐磨性不利。當(dāng)Cr含量為27.2%時(shí)，熔覆層中析出大量六邊形M7C3復(fù)合物，大量高硬度六邊形M7C3復(fù)合物結(jié)合少量VC顆粒均勻彌散分布在鐵素體及奧氏體基體中，基體比碳化物硬度低但是韌性相對(duì)較高，這種相結(jié)構(gòu)使得該堆焊合金具有最佳的耐磨性。

2.2 磨料磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖4 Cr含量對(duì)熔覆層耐磨性的影響Fig.4 Effects of Cr contents on the wear resistance

磨料磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖4?？梢钥闯?，隨著Cr含量的提高，磨損失重逐漸增大，當(dāng)Cr含量達(dá)到20.4%時(shí)，磨損失重達(dá)到最大值0.9896g，硬度降至最低（HRC 50.3）。隨后繼續(xù)增加Cr含量，磨損失重呈下降趨勢(shì)，當(dāng)Cr含量達(dá)到27.2%時(shí)，磨損失重大幅度下降至0.3129g，硬度高達(dá) HRC 62.2，說(shuō)明該合金具有最佳的耐磨粒磨損性能。

圖5為Cr含量20.4%和27.2%磨損試樣表面磨痕形貌?？梢钥闯龊t20.4%耐磨堆焊合金磨損表面存在較深的犁溝，其磨損機(jī)制主要以塑性變形為主（包括犁溝和切削）。而含鉻27.2%合金的磨損表面劃痕較淺，試樣的磨損表面只能觀察到較淺的犁溝，高硬度的VC與M7C3共同作用，有效阻止磨料的顯微切削和塑性變形作用。

圖5 Fe－Cr－V－C堆焊合金磨損形貌（a）Cr含量20.4%；（b）Cr含量27.2%Fig.5 Worn morphology of Fe－Cr－V－C hardfacing alloys （a）20.4%Cr；（b）27.2%Cr

2.3 耐磨機(jī)理討論

從磨粒磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，耐磨堆焊合金在低應(yīng)力磨粒磨損條件下，磨損機(jī)制主要是塑性變形（包括犁溝和顯微切削）。堆焊合金的Cr含量影響其碳化物的形成種類、數(shù)量和形態(tài)，從而改變耐磨性。從圖4可以看出，當(dāng)Cr含量低于20.4%時(shí)，隨著Cr含量的提高，磨損失重逐漸增大。這是由于隨著Cr含量的提高，熔覆層中開花狀VC和斷續(xù)網(wǎng)狀M7C3硬質(zhì)相的數(shù)量變化不大（見(jiàn)圖3（a），（b），（c）），因而抗磨骨架的作用變化不明顯；而Cr含量13.6%合金基體為針狀馬氏體，具有較高的硬度和一定的韌性，能夠?qū)τ操|(zhì)相起到較好的支撐作用，因而表現(xiàn)出相對(duì)較好的耐磨性。Cr含量17.7%和20.4%合金中針狀馬氏體基體逐漸減少，鐵素體組織逐漸增多，基體的支撐作用逐漸減弱，開花狀VC和斷續(xù)網(wǎng)狀M7C3硬質(zhì)相的數(shù)量較少，抗磨骨架作用較弱，且開花狀VC與基體結(jié)合不充分，耐磨性逐漸降低。含鉻20.4%堆焊合金磨損形貌顯示（圖5（a））數(shù)量較多的犁溝和凹坑，凹坑產(chǎn)生于磨粒的碾壓作用，磨屑剝落后形成。由圖3（d），（e）可以看出，當(dāng)Cr含量超過(guò)20.4%以后，M7C3數(shù)量顯著增加，VC形態(tài)由開花狀向球狀轉(zhuǎn)變從而減弱了應(yīng)力集中傾向，改善了基體與碳化物之間的相互保護(hù)作用，以上因素使得硬質(zhì)相的抗磨骨架作用增強(qiáng)，因而堆焊合金的磨損失重顯著降低。當(dāng)Cr含量達(dá)到27.2%時(shí)，熔覆層中M7C3的數(shù)量達(dá)到最高值，大量高硬度六邊形M7C3復(fù)合物（約 HV1200）結(jié)合一定量VC（約 HV 1600）顆粒構(gòu)成堅(jiān)實(shí)的耐磨骨架，起到了良好的保護(hù)作用。此外，Cr含量的提高使得基體的固溶強(qiáng)化機(jī)制被加強(qiáng)，提高了基體的顯微硬度。基體組織具有良好的韌性和硬度的匹配，在提高抗裂紋形成和擴(kuò)張能力的同時(shí)，對(duì)硬質(zhì)相還起到可靠的支撐作用，因而堆焊合金表現(xiàn)出最佳的耐磨性，磨損形貌顯示磨痕較淺且犁溝較少（圖5（b））。

以上結(jié)果表明，硬質(zhì)相和基體的良好匹配能夠阻礙磨粒的切削，從而獲得高的耐磨性能。從材料的磨損去除機(jī)制上看，合金的去除機(jī)制既有塑性變形引起的材料磨損機(jī)制，也有脆性材料的剝落形成凹坑而導(dǎo)致的材料去除機(jī)制，是兩種機(jī)制共同作用的結(jié)果。

3 結(jié)論

（1）Fe－Cr－V－C堆焊合金中隨著 Cr含量的提高，針狀馬氏體基體組織減少，鐵素體基體組織增多；VC數(shù)量變化不大，而M7C3數(shù)量逐漸增多且形態(tài)由斷續(xù)網(wǎng)狀向六邊形轉(zhuǎn)變。當(dāng)Cr含量為27.2%時(shí)，硬質(zhì)相數(shù)量達(dá)到最高值。

（2）堆焊合金的耐磨性隨著Cr含量的提高先降低后增大，當(dāng)Cr含量為27.2%時(shí)，合金具有最佳的耐磨性。

（3）合金的耐磨性取決于硬質(zhì)相與基體的良好匹配。當(dāng)Cr含量為27.2%時(shí)，熔覆層中大量高硬度六邊形M7C3復(fù)合物結(jié)合一定量VC顆粒彌散分布在具有較好強(qiáng)韌性的鐵素體和奧氏體基體中，使得堆焊合金具有最佳的耐磨性。

［1］孫希泰.材料表面強(qiáng)化技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［2］HYUNG J K，BYOUNG H Y，CHANG H L.Wear performance of the Fe－based alloy coatings produced by plasma transferred arc weld－surfacing process［J］.Wear，2001，249（10－11）：846－852.

［3］WANG X H，HAN F，QU S Y，et al.Microstructure of the Febased hardfacing layers reinforced by TiC－VC－Mo2C particles［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2008，202（8）：1502－1509.

［4］龔建勛，李煌，肖逸鋒，等.Fe－C－Cr－V－B系高鉻堆焊合金的顯微組織及耐磨性［J］.材料工程，2009，（5）：22－25.

［5］DUNLOP G L，CARLAAON C J，F(xiàn)RIMODIG G.Precipitation of VC in ferrite and pearlite during direct transformation of a medium carbon microalloyed steel［J］.Metallurgical Transactions A，1978，9：261－266.

［6］孫海勤，晁明舉，敬曉定，等.原位生成VC顆粒增強(qiáng)鎳基激光熔覆層研究［J］.激光雜志，2008，29（5）：69－71.

［7］龔建勛，肖逸鋒，張清輝，等.Fe－Cr－V－C高鉻堆焊合金的 M7C3型碳化物及耐磨性［J］.焊接學(xué)報(bào)，2010，31（1）：33－36.

［8］BERNS H，F(xiàn)ISHER A.Microstructure of Fe－Cr－C hardfacing alloys with additions of Nb，Ti and B［J］.Metallography，1987，20（4）：401－429.

［9］BUCHELY M F，GUTIERREZ J C，LEON L M，et al.The effect of microstructure on abrasive wear of hardfacing alloys［J］.Wear，2005，259（1）：52－61.

［10］陸金生，王彪，姚影澄，等.鋼和合金中常見(jiàn)相X射線鑒定手冊(cè)［M］.北京：鋼鐵工業(yè)協(xié)會(huì)，1990.

Wear Resistance ofIn－situFe－Cr－V－C Hardfacing Alloys Fabricated by Plasma Transferred Arc Weld－surfacing Process

ZONG Lin1，2，LIU Zheng－jun2，LI Le－cheng2
（1School of Mechanical Engineering，Shenyang University of Chemical Technology，Shenyang 110142，China；2School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110178，China）

采用等離子堆焊技術(shù)制備了不同Cr含量的Fe－Cr－V－C堆焊合金，借助掃描電鏡和X射線衍射等分析手段研究了碳化物形貌及合金物相組成。同時(shí)研究了Cr含量對(duì)合金硬度和耐磨性的影響，并探討了磨損機(jī)理。結(jié)果表明：堆焊合金組織由馬氏體、鐵素體、奧氏體、M7C3及VC組成。合金中隨著Cr含量的提高，由于硬質(zhì)相M7C3和VC的數(shù)量及形態(tài)變化不大，而具有高硬度的針狀馬氏體基體組織的減少使得合金的耐磨性先降低，當(dāng)達(dá)到一定值后繼續(xù)增加Cr含量，M7C3的數(shù)量逐漸增多，因而耐磨性隨后增大；當(dāng)Cr含量達(dá)到27.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)，大量高硬度六邊形M7C3復(fù)合物（約HV1200）結(jié)合一定量VC（約HV1600）顆粒構(gòu)成堅(jiān)實(shí)的耐磨骨架，使得合金具有最佳的耐磨性。

Fe－Cr－V－C合金；組織；耐磨性；碳化物；硬度

Fe－Cr－V－C hardfacing alloys with different Cr contents were prepared under plasma transferred arc（PTA）.The phases constitution，carbide morphology were investigated by means of scanning electron microscopy（SEM）and X－ray diffraction（XRD）.The effect of Cr contents on the wear resistance of hardfacing alloys was detected by using Rockwell hardometer and wear testing machine.In addition，the abrasion wear mechanism was discussed.The results show that the microstructure consists of martensite，ferrite and austenite，carbides such as primary M7C3，VC.As the Cr contents increase，the wear resistance first decreases because of the little changes of content and morphology for M7C3and VC hard phases and the decrease of acicular martensite with high hardness，afterwards，the wear resistance increases when Cr content reaches a particular value as a result of the increase of M7C3contents.When Cr mass fraction is 27.2%，a high volume fraction of hexagonal（Fe，Cr，V）7C3complex carbides and a small amount globular VC particles in the microstructure form a substantial wear resistant structure，which leads to an excellent wear resistance.

Fe－Cr－V－C alloy；microstructure；wear resistance；carbide；hardness

TB331

A

1001－4381（2012）05－0020－04

遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究資助項(xiàng)目（L2010433）

2011－03－02；

2011－11－11

宗琳（1979－），女，博士生，講師，主要從事材料表面改性及其應(yīng)用的研究和金屬基復(fù)合材料的制備，聯(lián)系地址：遼寧省沈陽(yáng)市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)11號(hào)街沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（110142），E－mail：zl＿3981@126.com