蔣德兵 賀定勇 周 正 談 震 王國紅

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124；2.北京市生態(tài)環(huán)境材料及其評價(jià)工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

Fe-15Cr-3.5B-xC堆焊合金微觀組織與耐磨性的研究

蔣德兵1賀定勇1周 正1談 震1王國紅2

(1.北京工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100124；2.北京市生態(tài)環(huán)境材料及其評價(jià)工程技術(shù)研究中心,北京 100124)

采用 CO2氣體保護(hù)堆焊的方法，制備了不同碳元素含量的Fe-15Cr-3.5B-xC(x=0.1，0.5，1.0)鐵基堆焊合金。采用光學(xué)顯微鏡、XRD，SEM 等方法分析了堆焊合金的微觀組織結(jié)構(gòu)，并對堆焊合金的宏觀硬度和耐磨粒磨損性能進(jìn)行了測試。結(jié)果表明：堆焊合金組織主要由 M2B，F(xiàn)e2B，M23(B,C)6，M3(B,C) 和含有鐵素體，奧氏體，F(xiàn)e-Cr 固溶體的基體組成。隨著碳含量的增加，板條狀 M2B 型硼化物體積分?jǐn)?shù)逐漸減小。堆焊合金的宏觀硬度呈上升趨勢，但是耐磨粒磨損性能呈下降趨勢。磨粒磨損機(jī)制為塑性變形引起的犁溝，硬質(zhì)相的斷裂和脫落。

堆焊合金 顯微組織 耐磨粒磨損性能

0 序 言

材料的磨損是造成機(jī)械零部件失效的重要原因，每年給實(shí)際工程應(yīng)用造成了巨大的損失。在機(jī)械零部件表面堆焊一層或多層耐磨材料可以顯著提高其使用壽命[1-2]。因此，研究和發(fā)展新型耐磨堆焊材料具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。Fe-Cr-B系耐磨堆焊合金具有較高的硬度、良好的高溫穩(wěn)定性和抗氧化性，耐磨性較高，取材便宜，在低應(yīng)力磨料磨損工況下得到了成功應(yīng)用[3-5]。

研究發(fā)現(xiàn)，合金元素對Fe-Cr-B合金組織形貌有著非常重要的影響。增加碳含量，共晶硼化物體積分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著增加，此外，碳元素能夠溶入基體中形成固溶體，提高基體的硬度和耐磨性[6]。國內(nèi)王琦環(huán)、符寒光[7-8]對Fe-B-C，F(xiàn)e-Cr-B進(jìn)行了較為系統(tǒng)細(xì)致的研究。但是，關(guān)于高硼高鉻條件下，以板條狀M2B為主要硬質(zhì)相的Fe-Cr-B 堆焊合金，碳含量對其微觀組織和耐磨性的影響報(bào)道較少。因此，文中研究了碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.1，0.5，1.0的Fe-15Cr-3.5B-xC鐵基堆焊合金顯微組織和耐磨粒磨損性能。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 堆焊合金制備

堆焊用基體材料為Q235鋼板，尺寸為200 mm×100 mm×10 mm。采用NBC-500 型熔化極氣體保護(hù)焊機(jī)和自制的直徑1.6 mm 藥芯焊絲在基體材料上進(jìn)行堆焊，保護(hù)氣體選用100%CO2，具體堆焊工藝參數(shù)見表1。

表1 CO2氣體保護(hù)堆焊工藝參數(shù)

1.2 微觀組織分析

金相試樣經(jīng)體積分?jǐn)?shù)為4%硝酸酒精溶液腐蝕后，選用OLYMPUS-PMG3型光學(xué)顯微鏡對堆焊合金金相組織進(jìn)行觀察。采用SHIMADZU XRD-7000 型多晶衍射儀對磨拋好的試樣進(jìn)行 XRD定性定量測試，分析堆焊合金的物相組成。采用日本 HITACHI公司生產(chǎn)的S-3400N型掃描電子顯微鏡 (SEM)觀察堆焊合金磨粒磨損后表面形貌并對局部區(qū)域進(jìn)行EDS分析。

1.3 硬度及磨粒磨損試驗(yàn)

根據(jù)國標(biāo)GB 2654—2008《焊接接頭硬度試驗(yàn)方法》規(guī)定，利用HR-150A多功能數(shù)字硬度計(jì)對堆焊層進(jìn)行洛氏硬度測試，每個(gè)試樣測試5個(gè)點(diǎn)然后取平均值。測試參數(shù)為：加載載荷150 kg，加載時(shí)間5 s，恢復(fù)時(shí)間3 s，任意兩個(gè)測試點(diǎn)之間間距大于3 mm。

采用MLS-225型濕砂橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)對堆焊的表面層進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為55 mm×25 mm×10 mm。橡膠輪轉(zhuǎn)速240 r/min，橡膠輪直徑 180 mm，橡膠輪硬度60(邵爾硬度)，試驗(yàn)時(shí)加入1 000 g水，磨料選擇為212～425 μm石英砂1 000 g，載荷為100 N。稱量磨損后的失重可計(jì)算試樣的相對耐磨性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 堆焊合金的顯微組織結(jié)構(gòu)

圖1為Fe-15Cr-3.5B-xC堆焊合金顯微組織形貌。由圖1可看出，隨著C含量的增加，堆焊合金顯微組織變化明顯，硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)顯著增大。在C含量為1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的合金中，含有數(shù)量較多的不規(guī)則四邊形初生共晶M2B(M=Fe，Cr)分布密集、尺寸細(xì)小，而板條狀M2B數(shù)量較少。碳含量的增加促進(jìn)了M23(B,C)6和M3(B,C)的生成，形態(tài)分別為菊花狀和網(wǎng)狀，如圖2所示。當(dāng)C含量減少到0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，如圖1b所示，堆焊合金中不規(guī)則四邊形硼化物數(shù)量減少，板條狀的硼化物數(shù)量增多。隨著C含量減少到0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，合金中析出的硬質(zhì)相均為板條狀M2B。

堆焊合金在凝固過程中，隨著溫度的降低，開始發(fā)生共晶反應(yīng)：L→γ-Fe+Fe2B，因?yàn)?Fe 和 Cr 的原子半徑(RCr=0.185 nm，RFe=0.172 nm) 和電負(fù)性非常相近。因此，Cr原子會(huì)置換Fe2B中的Fe原子而形成板條狀M2B(M=Fe,Cr)。當(dāng)碳含量為 0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)，堆焊合金中的 Cr 元素絕大部分參與共晶反應(yīng)形成M2B，少量的 Cr 元素固溶到基體中形成 Fe-Cr 固溶體，起到固溶強(qiáng)化作用。隨著碳含量的增加，碳原子和鉻原子的親和力大于鐵原子和鉻原子，因此促進(jìn)了 M23(B,C)6和 M3(B,C) 的生成，消耗了液相中部分 Cr 含量，使得 M2B 中的Cr原子減少，形態(tài)由板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)椴灰?guī)則四邊形。

圖1 堆焊合金金相組織

圖2 堆焊合金組織局部放大圖

如圖3所示，F(xiàn)e-15Cr-3.5B-xC堆焊合金基體組織為鐵素體+奧氏體+(Fe-Cr)固溶體，C1.0合金中硬質(zhì)相包括Fe2B，M2B，M23(B,C)6以及 M3(B,C)等。當(dāng)碳含量降低到 0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，M23(B,C)6和 M3(B,C) 衍射峰有所減弱，說明堆焊合金中析出的 M23(B,C)6和 M3(B,C) 有所減少。隨著碳含量進(jìn)一步降低到 0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，M2B相衍射峰明顯增強(qiáng)，說明堆焊合金中生成的 M2B 相體積分?jǐn)?shù)顯著增大。

2.2 堆焊合金的硬度及耐磨性

對Fe-15Cr-3.5B-xC堆焊合金進(jìn)行洛氏硬度測試，圖4為不同C元素含量堆焊合金宏觀硬度值?？梢钥闯?，隨著碳含量的增加，堆焊合金表面宏觀硬度呈緩慢上升趨勢。這是由于隨著碳含量增加，堆焊合金中不規(guī)則四邊形初生共晶M2B，(Fe,Cr)3(B,C)和M3(B,C)數(shù)量增多，硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)增大使得合金宏觀硬度增加。同時(shí)C對基體的固溶強(qiáng)化作用進(jìn)一步加強(qiáng)，說明C的繼續(xù)增加能顯著提高堆焊合金硬度。

圖3 堆焊合金 X 射線衍射圖譜

圖4 堆焊合金宏觀硬度

表2為Fe-15Cr-3.5B-xC合金磨損失重量和耐磨性試驗(yàn)結(jié)果，隨著C含量的增加，合金堆焊層中的硼化物數(shù)量雖有增加趨勢，但是長條狀的M2B硬質(zhì)相比例開始減少。隨著C元素的增加，合金硬度持續(xù)提高，但是耐磨性卻顯著下降，這主要是板條狀形態(tài)分布的M2B硬質(zhì)相在低應(yīng)力磨粒磨損工況下能夠有效阻隔磨粒的切削運(yùn)動(dòng)，使得基體受磨粒的磨損減輕，失重量較少。C1.0合金中，雖然硼化物數(shù)量較多，但是磨粒容易繞過不規(guī)則四邊形的硼化物，直接作用在基體，加劇堆焊合金表面的磨損。

表2 堆焊合金磨損失重量和耐磨性

圖5為掃描電鏡下3組堆焊合金磨粒磨損后的表面形貌圖。在磨粒磨損過程中，磨粒的切削在堆焊層表面產(chǎn)生較大的應(yīng)力，使表面產(chǎn)生塑性變形。C1.0合金組織中析出硬度較高，數(shù)量較多的不規(guī)則四邊形初生共晶M2B(M=Fe,Cr)能夠抵擋部分磨粒的切削運(yùn)動(dòng)，減輕磨粒對于基體的磨損，起到耐磨骨架的作用。但是由于不規(guī)則四邊形M2B型硼化物在基體中的分布不連續(xù)，硬質(zhì)相之間存在較多的裸露基體，因此磨?？梢灾苯忧腥牖w，反復(fù)作用，產(chǎn)生較深的犁溝，如圖5c中可以明顯觀察到犁溝痕跡。隨著碳含量的降低，堆焊合金中析出的板條狀M2B硼化物逐漸增多，在基體中延長很深，割裂了基體的連續(xù)性，磨料在切削運(yùn)動(dòng)過程中遇到板條狀M2B，阻礙了磨料的進(jìn)一步切削，使得犁溝變得細(xì)小甚至消失。說明板條狀M2B型硼化物能夠有效減弱磨料的切削運(yùn)動(dòng)，與基體形成相互保護(hù)作用。

因?yàn)榕鸹锞哂休^大的脆性，磨粒的切削運(yùn)動(dòng)遇到硼化物硬質(zhì)相的阻礙作用，硬質(zhì)相與基體的變形不協(xié)調(diào)，在硬質(zhì)相處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，當(dāng)脆硬的硬質(zhì)相四周應(yīng)力超過其強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)使硬質(zhì)相發(fā)生脆性斷裂并脫落。因此，F(xiàn)e-15Cr-3.5B-xC堆焊合金的磨粒磨損機(jī)制為塑性變形引起的犁溝、硬質(zhì)相的斷裂和脫落。

圖5 堆焊合金磨粒磨損形貌圖

3 結(jié) 論

(1)Fe-15Cr-3.5B-xC堆焊合金組織主要由M2B，F(xiàn)e2B，M23(B,C)6，M3(B,C)和含有鐵素體、奧氏體及Fe-Cr固溶體的基體組成。隨著碳含量的減小板條狀M2B體積分?jǐn)?shù)逐漸增大。

(2)堆焊合金的宏觀硬度隨著碳含量的增加呈緩慢上升趨勢，耐磨粒磨損性能呈下降趨勢，板條狀M2B作為耐磨骨架相對于不規(guī)則四邊形M2B，能夠有效的與基體形成相互保護(hù)作用，顯著提高堆焊合金耐磨性。

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2016-06-21

TG442

蔣德兵，1991年出生，碩士研究生。主要從事材料表面改性技術(shù)研究。