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      Fe-Cr-C-B系藥芯焊絲的顯微組織與耐磨性*

      2016-12-10 01:49:03劉政軍蘇允海
      關(guān)鍵詞:硼化物耐磨性硬質(zhì)

      劉政軍,勾 健,賈 華,蘇允海

      (沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870)

      Fe-Cr-C-B系藥芯焊絲的顯微組織與耐磨性*

      劉政軍,勾 健,賈 華,蘇允海

      (沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng) 110870)

      為了研究藥芯焊絲中Cr和B含量對(duì)堆焊層組織與性能的影響規(guī)律,采用自保護(hù)明弧堆焊法制備了 Fe-Cr-C-B系耐磨藥芯焊絲.利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀,對(duì)堆焊層的顯微組織和耐磨性進(jìn)行了分析.結(jié)果表明,適量的Cr、B可使堆焊層的性能更為優(yōu)異.隨著B元素的加入,堆焊層的顯微組織由M23C6相向 M23(C,B)6相轉(zhuǎn)變,彌散分布的硼化物可呈層片狀、菊花狀等.硼化物顯著改善了 Fe-Cr-C-B系堆焊合金的耐磨性,且其耐磨性與硼化物的數(shù)量、致密度和尺寸有關(guān),并最終確定了 Cr和B元素的最佳質(zhì)量分?jǐn)?shù).

      藥芯焊絲;明?。欢押?;顯微組織;堆焊層;硼化物;彌散;耐磨性

      資源的短缺是當(dāng)今社會(huì)人們所面臨的主要問題之一,因此,提高材料的質(zhì)量和使用壽命對(duì)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有至關(guān)重要的作用.機(jī)械零件失效的一般形式為磨損[1-2].藥芯焊絲作為一種現(xiàn)代材料產(chǎn)品,其發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)逐漸適應(yīng)了高質(zhì)量、高效率和低成本的生產(chǎn)趨勢(shì)要求,可以提高并改善材料的耐磨性能,從而提高材料的使用壽命[3].

      在Fe-Cr-C-B合金體系中,若Fe、Cr和 C元素配比合理,可以形成M7C3、M23C6等硬質(zhì)相,這些硬質(zhì)相對(duì)堆焊層力學(xué)性能、硬度和耐磨性的提高具有重要意義[4].很多研究者[5-6]通過在堆焊合金中加入合金元素,使合金中產(chǎn)生了大量原位生成的合金碳化物,形成了復(fù)雜金屬間化合物、共晶化合物等,從而對(duì)堆焊層的性能進(jìn)行了強(qiáng)化,合金元素的加入還可以起到改變硬質(zhì)相尺寸和分布形態(tài)的作用.文獻(xiàn)[7-8]指出,與外加硬質(zhì)相顆粒與基體的結(jié)合強(qiáng)度相比,合金中析出的硬質(zhì)相強(qiáng)度更高,從而大大降低了耐磨合金剝落磨損失效的幾率.當(dāng)B作為添加元素時(shí),焊絲表現(xiàn)出良好的耐磨性能.在 Fe-Cr-C-B系堆焊合金中,本文通過調(diào)節(jié) Cr元素含量,對(duì)堆焊層的性能進(jìn)行了優(yōu)化,并研究了 Cr和B含量對(duì)堆焊層顯微組織與耐磨性的影響.

      1 材料與方法

      藥芯焊絲由藥粉和鋼帶組成.鋼帶材料為H08A,藥粉由高碳鉻鐵(68%Cr、4%C)、硼鐵(18%B)、銀片狀石墨(碳含量高于98%)、還原鐵粉等原料組成.利用100目篩過濾粉末,并通過烘干去除水分.將粉末混合并攪拌均勻后,利用藥芯焊絲成型機(jī)軋制得到焊絲.藥芯焊絲的具體生產(chǎn)流程為:藥粉的準(zhǔn)備、軋制 U型鋼帶、藥粉填充、合縫軋制成型、精拔減徑,以及裝桶或呈繞.初次軋制成型的焊絲直徑為3.2mm,焊絲每次減徑0.2mm,直至將焊絲拉拔至直徑為2.8mm.生產(chǎn)的焊絲為O型搭接,包粉率設(shè)定為45%.所得焊絲表面較為清潔.

      在試驗(yàn)過程中,堆焊工藝參數(shù)如表1所示.完成堆焊后,需要進(jìn)行空冷,焊渣可以自動(dòng)脫落,焊縫表面光潔、無(wú)粘渣.堆焊合金的成分為w(C)=1.0%~3.0%,w(Cr)=10% ~25%,w(B)=0.5%~2%,w(Al)=0.8%~1%,余量為Fe.

      表1 堆焊工藝參數(shù)Tab.1 Technological parameters for hard facing

      利用砂輪將明弧堆焊試樣表面打平,采用HR-150洛式硬度計(jì)測(cè)試試樣的硬度.隨機(jī)選取3點(diǎn),每點(diǎn)測(cè)量5次,取其平均值作為試樣的硬度值.采用線切割方式切取尺寸為10mm×10mm× 15mm的金相試樣,利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察其顯微組織.利用X射線衍射儀對(duì)金相試樣表面進(jìn)行相組成分析.

      利用MLS-23型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn).在試驗(yàn)過程中,橡膠輪轉(zhuǎn)速為240 r/m in;橡膠輪直徑為150 mm;磨損時(shí)間為25min;試驗(yàn)砂漿成分為1 000 g水+1 500 g磨料.

      2 結(jié)果與討論

      2.1 堆焊層的硬度和耐磨性能

      圖1為不添加 B元素與添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的B元素條件下,不同Cr含量對(duì)堆焊層硬度的影響曲線.由圖1可見,當(dāng)Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)介于10%~25%時(shí),兩組試樣堆焊層的硬度均隨著 Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大而增大.當(dāng)不添加 B元素,且 Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于25%時(shí),堆焊層硬度逐漸下降.這是因?yàn)榇藭r(shí)堆焊層中 C元素的含量有限,Cr元素的含量已經(jīng)飽和,導(dǎo)致 C和Cr元素的結(jié)合趨勢(shì)降低,因而鉻碳化合物硬質(zhì)相的含量減少,使得堆焊層硬度降低.當(dāng)合金中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的B元素且Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于25%時(shí),堆焊層硬度繼續(xù)增加,且當(dāng)Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%時(shí),堆焊層的硬度約為63 HRC.由此可見,B元素的添加可以顯著提高堆焊層的硬度.這是因?yàn)榧尤氲腂元素可以代替一部分 C元素,因而形成了數(shù)量更多且硬度更高的硼化物硬質(zhì)相,因此,堆焊層硬度隨著 Cr元素含量的增加而增大.

      圖1 Cr添加量與堆焊層硬度的關(guān)系Fig.1 Relationship between addition amount of Cr and hardness of surfacing layer

      圖2為不添加 B元素與添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的B元素條件下,不同Cr添加量對(duì)堆焊層磨損量變化的影響曲線.由圖2可見,對(duì)于添加了B元素的合金而言,當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),堆焊層磨損量達(dá)到最低值0.032 7 g;當(dāng)Cr元素含量介于10%~25%時(shí),隨著 Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,堆焊層磨損量隨之下降.這是由于Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加形成了更多的硬質(zhì)相,因而可增大硬質(zhì)相與基體的接觸面積,從而提高了堆焊層的耐磨性能.此外,由圖2可以觀察到,當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于25%時(shí),對(duì)于未添加與添加 B元素的合金而言,其堆焊層磨損量均隨之上升.這種試驗(yàn)現(xiàn)象可以歸結(jié)于兩方面原因:一方面是處于飽和狀態(tài)的Cr元素導(dǎo)致碳鉻化合物硬質(zhì)相的含量降低;另一方面是過量的Cr元素促使硼化物等硬質(zhì)相發(fā)生了剝落和脆性斷裂,而脆性材料的剝落形成的凹坑致使堆焊層的磨損量增加.綜上所述,當(dāng)B元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%且 Cr元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),堆焊層的耐磨性能最佳.

      圖2 Cr添加量與堆焊層磨損量的關(guān)系Fig.2 Relationship between addition amount of Cr and wear loss of surfacing layer

      2.2 堆焊層的顯微組織

      圖3為當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),不同B元素含量下堆焊層的顯微組織.由圖3a可見,當(dāng)未添加 B元素時(shí),在堆焊層中觀察到了連續(xù)的網(wǎng)狀組織,該網(wǎng)狀組織呈均勻分布但較為稀疏.由圖3b可見,當(dāng)B元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),堆焊層的顯微組織呈樹枝狀,這些樹枝狀組織致密度較高,且與基體的結(jié)合面積較大,因而可以提高堆焊層的結(jié)合強(qiáng)度.堆焊合金的耐磨性取決于硼化物的大小、形態(tài)、分布狀態(tài)和化學(xué)成分[9].在磨損過程中,圖3b中的硼化物更不容易脫落,因而有效地增大了磨粒的切削阻力.可見,顯微組織的尺寸、致密度和數(shù)量均能顯著影響堆焊層的硬度和耐磨性,尺寸效應(yīng)十分顯著.

      圖4為當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí),不同B元素添加量下堆焊層的SEM圖像.由圖4a可見,當(dāng)未添加B元素時(shí),合金堆焊層由共晶組織和初生相構(gòu)成.大量的鉻碳化合物硬質(zhì)相在晶界附近偏聚,致使網(wǎng)格邊界組織發(fā)生了較為明顯的粗化,且基體組織被共晶體以網(wǎng)狀形態(tài)圍繞.由圖4b可見,當(dāng)B元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),合金堆焊層中出現(xiàn)了由硼化物等硬質(zhì)相構(gòu)成的共晶組織.這是由于隨著 B元素的加入,共晶點(diǎn)明顯左移,使得堆焊層在正常凝固條件下容易產(chǎn)生更多共晶組織的緣故.

      圖3 不同B元素添加量下堆焊層的顯微組織Fig.3 Micro structures of surfacing layer with different addition amounts of B element

      圖4 不同B元素添加量下堆焊層的SEM圖像Fig.4 SEM images of surfacing layer w ith different addition am ounts of B element

      此外,當(dāng)B元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),共晶組織的形態(tài)逐漸向?qū)悠瑺?、菊花狀等形態(tài)轉(zhuǎn)變,且尺寸顯著增大.在層片狀區(qū)域中,Cr、B、C等元素被硼化物以非均勻形核的方式吸收,同時(shí)伴隨著晶體的不斷形核與長(zhǎng)大,最終形成了層片狀共晶組織[10].當(dāng)共晶溫度低于合金液相線溫度時(shí),基體產(chǎn)生了很大的過冷度,具有光滑界面的硼化物的生長(zhǎng)落后于具有粗糙界面的固溶體,各向異性導(dǎo)致滯后生長(zhǎng)的硼化物在剩余空間內(nèi)發(fā)生了枝化,從而產(chǎn)生了菊花狀組織.堆焊層中含有大量的碳、硼化物等硬質(zhì)相,一方面,這些硬質(zhì)相呈彌散分布,減少了較軟的基體和磨粒的接觸面積,因而可對(duì)擠壓、犁溝、切斷機(jī)制起到抵制作用;另一方面,這些硬質(zhì)相可以起到抗磨耐磨骨架的作用,導(dǎo)致顯微切削運(yùn)動(dòng)受到了硬質(zhì)相顆粒的阻礙作用,且硬質(zhì)相越密集,阻力越大,因而硬質(zhì)相的存在可以顯著提高堆焊層的耐磨性.

      2.3 堆焊層的物相分析

      為了確定堆焊層顯微組織中硬質(zhì)相的元素組成,利用能譜儀對(duì)堆焊層中的典型層片狀組織進(jìn)行了能譜測(cè)定,初步確定了該組織中各元素的成分和含量.層片狀組織中硬質(zhì)相能譜分析結(jié)果如圖5、表2所示.由圖5和表2可知,層片狀組織主要由Fe、Cr、C和B元素組成,可以認(rèn)為層片狀組織為M23(C,B)6型碳硼化物.共晶組織由多相混合而成,其中 Fe元素的含量最高,而在堆焊層顯微組織的其他部位未曾檢測(cè)到 B元素,表明 B元素僅以層片狀形式存在于基體中.

      圖5 硬質(zhì)相能譜分析Fig.5 EDS analysis for hard phase

      表2 硬質(zhì)相能譜分析結(jié)果Tab.2 EDS analysis results for hard phase %

      圖6為不同B添加量下堆焊層的XRD圖譜.由圖6可見,當(dāng)不添加 B元素時(shí),堆焊層主要由α-Fe、M23C6相組成.當(dāng)添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的 B元素時(shí),堆焊層主要由M23(C,B)6、α-Fe和M23C6相組成.由圖6還可以觀察到,M23C6相的衍射峰強(qiáng)度較高,表明其在堆焊層中的含量較高. M23(C,B)6相可與基體緊密地聯(lián)系在一起,因而可以降低堆焊層的磨損量.兩種堆焊層中的α-Fe衍射峰均呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),這是由于基體組織逐漸被更多的共晶體環(huán)繞的緣故.硼化物的出現(xiàn)改善了堆焊層碳化物的分布形態(tài),提高了碳化物的韌性,從而使得彌散分布在基體中的碳化物可以起到釘扎骨架的作用,因而能很好地抵抗磨粒磨損.此外,不同形態(tài)的M23(C,B)6、M23C6硬質(zhì)相可以起到聯(lián)合強(qiáng)化作用,進(jìn)而大幅度提高了堆焊層的耐磨性能.

      圖6 不同B添加量下堆焊層的XRD圖譜Fig.6 XRD spectra of surfacing layer with different addition amounts of B element

      3 結(jié) 論

      通過以上試驗(yàn)分析可以得到如下結(jié)論:

      1)當(dāng)Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%、B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí),堆焊層失重為0.032 7 g,耐磨性能較好.

      2)Fe-Cr-C-B系堆焊合金中析出的硼化物呈彌散分布.硼化物可改善堆焊層的基體組織,且其致密度和數(shù)量顯著影響堆焊層的硬度和耐磨性.

      3)當(dāng)堆焊合金中加入B元素后,堆焊層的顯微組織由M23C6相向 M23(C,B)6相轉(zhuǎn)變.

      ):

      [1]劉政軍,李樂成,武小娟,等.磁控狀態(tài)下 Fe90堆焊層顯微組織對(duì)力學(xué)性能的影響[J].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,35(1):31-35.(LIU Zheng-jun,LI Le-cheng,WU Xiao-juan,et al. Effect of micro structure on mechanical properties of Fe90 surfacing layer at magnetic control state[J]. Journal of Shenyang University of Technology,2013,35(1):31-35.)

      [2]趙梓淳,蘇允海,黃宏軍.鉻碳化合物對(duì)Fe-Cr-C堆焊層組織耐磨性影響的研究[J].熱加工工藝,2015,44(15):60-62.(ZHAO Zi-chun,SU Yun-hai,HUANG Hong-jun. Research on effect of chromium-carbon compounds on abrasion resistance of Fe-Cr-C surfacing layer[J]. Hot Working Technology,2015,44(15):60-62.)

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      (責(zé)任編輯:尹淑英 英文審校:尹淑英)

      Microstructures and wear resistance of Fe-Cr-C-B series flux-cored w ire

      LIU Zheng-jun,GOU Jian,JIA Hua,SU Yun-hai
      (School of Materials Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

      In order to clarify the influence of Cr and B contents in the flux-cored w ire on the micro structures and properties of surfacing layer,the Fe-Cr-C-B series flux-cored w ire with wear resistance was prepared with self-shield open arc hard facing method.In addition,the micro structures and wear resistance of surfacing layer were investigated with optical microscope(OM),scanning electron microscope(SEM)and X ray diffractometer(XRD).The results show that the appropriate amount of Cr and B elements can make the properties of surfacing layer more excellent.With the addition of B element,the micro structure of surfacing layer changes from M23C6phase into M23(C,B)6phase.The dispersed borides can be amellar-like and chrysanthemum-like shape.The borides significantly improve the wear resistance of Fe-Cr-C-B series hard facing alloy,and the wear resistance is related to the quantity,tightness and size of borides.The optimal mass fraction of Cr and B elements are eventually determined.

      flux-cored w ire;open arc;hard facing;micro structure;surfacing layer;boride;dispersion;wear resistance

      TG 406

      A

      1000-1646(2016)06-0618-05

      10.7688/j.issn.1000-1646.2016.06.04

      2016-03-16.

      遼寧省博士啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目(20131079).

      劉政軍(1961-),男,黑龍江訥河人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事焊接冶金、特種焊接材料和表面強(qiáng)化等方面的研究.

      09-07 16∶06在中國(guó)知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

      http:∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T. 20160907.1606.014.htm l

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