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）

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.

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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