Cr含量對(duì)Fe-B-C系耐磨合金堆焊層組織和硬度的影響

劉奇聰，馬振，呂鵬，劉冬梅，莊明輝

(佳木斯大學(xué)，黑龍江 佳木斯 154007)

0 前言

磨粒磨損是機(jī)械零部件磨損失效的常見(jiàn)形式，在零件表面制備一層高性能的耐磨涂層是解決該問(wèn)題的有效手段之一。表面堆焊技術(shù)因能實(shí)現(xiàn)涂層與基體的冶金結(jié)合，且具有既快速又經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)，常用于失效零部件表面的修復(fù)或強(qiáng)化[1-2]。含硼的鐵基耐磨材料由于可以形成多種高硬度和高耐磨性的硬質(zhì)相(Fe2B，M2B和M3(B,C)等)引起廣泛的關(guān)注，但是由于粗大的硬質(zhì)相具有很高的脆性，限制了含硼鐵基耐磨材料在實(shí)際工程中的應(yīng)用[3-5]。為了解決堆焊合金組織的脆性問(wèn)題，進(jìn)一步提升耐磨性，進(jìn)行了大量研究并取得了一定的成果。

Jian等人[6-7]研究了Cr添加量為0%～2.5%的Fe-3.0B-0.3C合金的耐磨性及Fe2B相的斷裂韌性。Cr主要分布在硼化物中，F(xiàn)e2B的斷裂韌性隨Cr含量的增加先升高后降低，當(dāng)Cr的含量達(dá)到2.0%時(shí)，斷裂韌性最高4.704 MPa·m1/2(提高約9.1%)。周燁等人[9]在Fe-xCr-3.5B-0.1C(x=9，12，15，20,質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)藥芯焊絲中加入不同含量的Cr，研究其對(duì)堆焊合金硼化物形貌及耐磨性能的影響。Cr促使共晶硼化物硬質(zhì)相的析出，隨著Cr含量的增加，堆焊合金的硬度和耐磨性呈現(xiàn)持續(xù)提高的趨勢(shì)。Fu等人[8]在Fe-1.0B-1.0Cr-0.3C-0.5Cu合金添加了少量的Ti，N，Ti與N形成TiN相，成為異質(zhì)形核的核心，有效細(xì)化奧氏體，促使硼化物細(xì)化。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)Fe-Cr-B-C系耐磨堆焊合金的研究成果有很多[10-13]，認(rèn)為Cr元素可以促使硬質(zhì)相Fe2B的析出，增加堆焊合金的韌性，但Cr元素添加量通常不會(huì)超過(guò)20%，大量添加Cr元素的研究報(bào)道相對(duì)較少。基于該作者采用等離子粉末堆焊的技術(shù)制備不同Cr含量的Fe-Cr-B-C系耐磨堆焊合金，研究高Cr含量的添加對(duì)高硼鐵基耐磨堆焊合金組織結(jié)構(gòu)、物相組成及硬度等方面的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用基體材料為Q235鋼板，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，堆焊前用角磨機(jī)進(jìn)行除銹處理。制備堆焊層所用合金粉體購(gòu)自中信錦州金屬股份有限公司，合金粉粒度為150 μm，化學(xué)成分見(jiàn)表1，碳化硼粉體購(gòu)自牡丹江碳化硼有限公司，化學(xué)成分見(jiàn)表2。為研究Cr元素對(duì)堆焊層組織的影響，試驗(yàn)設(shè)計(jì)等離子粉末堆焊用粉體配方見(jiàn)表3。

表1 合金粉體化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表2 碳化硼粉體的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

依據(jù)表3稱取適量合金粉，經(jīng)立式行星混料機(jī)(SFM-2，合肥科晶材料技術(shù)有限公司，合肥)，充分混合0.5 h，混合后置于遠(yuǎn)紅外焊條烘箱(ZYH-60，佛山市奧焊機(jī)械科技有限公司，佛山)中200 ℃烘干4 h后使用。采用等離子噴焊專機(jī)(PTA-BX-400A，上海本希機(jī)電科技有限公司，上海)實(shí)施堆焊，堆焊所用的送粉氣、離子氣以保護(hù)氣均為純度為99.9%氬氣，堆焊4層，每層厚度1～2 mm，堆焊工藝參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 試樣合金粉配方設(shè)計(jì)表(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

表4 堆焊工藝參數(shù)

堆焊層物相組成采用X-射線衍射儀(D8Advance，Bruker AXS，Germany)，測(cè)量參數(shù)為：CuKα，λ=0.154 06 nm，工作電壓40 kV，工作電流30 mA，步長(zhǎng)0.02°，掃描速率2 °/min，掃描范圍20°～90°；堆焊合金組織形貌的觀察，試樣采用4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行腐蝕，利用倒置金相顯微鏡(Axio Observer，德國(guó)卡爾蔡司公司，德國(guó))選取典型的金相組織區(qū)域進(jìn)行圖像收集；掃面電子顯微鏡(SEM，JSM-6360LV，JEOL，Japan)下進(jìn)一步觀察組織形貌；為研究各元素在堆焊合金組織中的分布情況，采用X-射線能譜儀(EDS；FALCON-60S，EDAX Inc.，Mahwah，NJ)進(jìn)行微區(qū)組織成分分析；試樣力學(xué)性能分析采用HR-150A型洛氏硬度計(jì)，用金剛石壓頭，加載力150 kg，加載時(shí)間為5 s，恢復(fù)時(shí)間為3 s，每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)點(diǎn)取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1物相組成分析

不同Cr添加量堆焊合金層的X射線衍射圖譜如圖1所示。由圖可知，未添加Cr元素的1號(hào)試樣物相由α-Fe,Fe2B和Fe3C相組成。加入5%的微碳鉻鐵粉后，F(xiàn)e2B相衍射峰峰強(qiáng)增強(qiáng)，并且(121)晶面衍射峰明顯增強(qiáng)，說(shuō)明有較多的Fe2B相在該晶面上參與衍射(見(jiàn)2號(hào)試樣)。當(dāng)微碳鉻鐵添加含量達(dá)到30%時(shí)，硬質(zhì)相Fe2B的衍射峰有所加強(qiáng)，同時(shí)有新相Fe1.1Cr0.9B0.9相析出，但峰強(qiáng)較弱，即堆焊合金層Fe1.1Cr0.9B0.9相體積分?jǐn)?shù)較少(見(jiàn)3號(hào)試樣)；當(dāng)微碳鉻鐵添加含量達(dá)到55%時(shí)，F(xiàn)e2B相衍射峰峰強(qiáng)降低，F(xiàn)e1.1Cr0.9B0.9相在(311)晶面和(511)晶面的衍射峰明顯增強(qiáng)。即隨著Cr元素含量的增加，F(xiàn)e1.1Cr0.9B0.9相體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。

圖1 不同Cr含量堆焊合金層X(jué)RD衍射圖譜

2.1.2顯微組織分析

不同Cr添加量堆焊合金層金相組織如圖2所示，圖2a為未添加Cr元素的Fe-B-C堆焊金相組織形貌。表5為不同Cr元素添加含量試樣的相組成及形貌尺寸不同Cr含量堆焊合金SEM形貌如圖3所示，表6為不同區(qū)域元素含量。由圖2可知，堆焊層中含有大量長(zhǎng)度約為20～50 μm淺灰色塊狀組織，其寬度約為20～30 μm，塊狀組織周圍分布有大量的菊花狀組織。結(jié)合XRD(圖1)、微區(qū)成分分析(圖3a)和Fe-B-C三元合金相圖[14]分析可知，塊狀組織成分中B元素和Fe元素含量較高，顯微硬度為1 124 HV，硬度較大，推測(cè)該塊狀組織為初晶Fe2B相；菊花狀組織在初晶Fe2B相周圍生成，微區(qū)成分顯示，該區(qū)域C,B元素含量較高。菊花狀組織與參考文獻(xiàn)[3]中典型的共晶組織Fe3(C,B)+α-Fe形貌完全相同，根據(jù)Nicholson與金子秀夫的研究結(jié)果[15]，在含硼的鐵基合金中，由于B與C的晶格常數(shù)類似，B極易與Fe3C中的C發(fā)生置換，生成Fe3(C,B)相。因此，判斷菊花狀組織為共晶組織α-Fe+Fe3(C,B)相。

表6 不同區(qū)域元素含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖2 不同Cr含量堆焊層金相圖

表5 不同Cr元素添加含量試樣的相組成及形貌尺寸

圖2b為微碳鉻鐵粉添加量為5%時(shí)的2號(hào)試樣的金相組織形貌。初晶Fe2B相的形貌向梯形和三角形的形貌轉(zhuǎn)變，長(zhǎng)度與寬度有明顯減小的趨勢(shì)(長(zhǎng)寬約為20 μm)，組織密集且數(shù)量增多，而菊花狀共晶組織幾乎沒(méi)有變化。分析認(rèn)為，由于Cr元素的添加，Cr元素與體心立方晶格Fe2B中Fe的原子尺寸相似，Cr原子部分置換Fe原子，形成了固溶體(Fe,Cr)2B相。Cr元素的添加增加了Fe2B的形核點(diǎn)，促使了硬質(zhì)相(Fe,Cr)2B的析出，(Fe,Cr)2B體積含量增多，有限的空間抑制其尺寸的增大，導(dǎo)致尺寸變細(xì)小。

圖2c為微碳鉻鐵粉添加含量為30%的3號(hào)試樣的金相組織形貌。由圖可知，塊狀(Fe,Cr)2B組織寬度明顯減小，最小約為10 μm，相對(duì)于未添加Cr元素和添加5%微碳鉻鐵粉的組織形貌，(Fe,Cr)2B相更密集，并觀察到有麥穗狀新相析出，在麥穗狀物相周圍有不規(guī)則的共晶組織出現(xiàn)。根據(jù)微區(qū)成分(見(jiàn)圖3a)，麥穗狀的新相區(qū)域B元素和Cr元素的含量較高，顯微硬度為1 225 HV，結(jié)合XRD衍射圖譜分析，推測(cè)該麥穗狀物相為Fe1.1Cr0.9B0.9相，但是含量較少，一部分Cr元素參與(Fe,Cr)2B相的生成，所得到的XRD衍射峰較少，峰強(qiáng)較低；初晶相的大量生長(zhǎng)，占據(jù)了較多的有限空間，因此菊花狀組織相對(duì)于1號(hào)試樣和2號(hào)試樣有所減少，由于微碳鉻鐵的加入，菊花狀共晶組織為α-Fe+M3(C,B)。

圖3 不同Cr含量堆焊合金SEM形貌

圖2d為微碳鉻鐵粉添加含量為55%的4號(hào)試樣的金相組織形貌。金相組織發(fā)生了明顯的變化，初晶相組織中存在極少的塊狀和細(xì)條棒狀的組織，大多為麥穗狀組織，菊花狀組織消失，共晶組織為不規(guī)則的形狀，與1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)試樣相比，F(xiàn)e1.1Cr0.9B0.9相新的衍射峰更強(qiáng)。在焊接的快速冷卻過(guò)程中，4號(hào)試樣中隨著Cr的含量持續(xù)增加，初晶相優(yōu)先生成了Fe1.1Cr0.9B0.9相，只有少量的(Fe,Cr)2B相生成，初晶Fe1.1Cr0.9B0.9相生成后，C元素在初晶相周圍富集，并且周圍B元素含量較高，在其周圍形成了α-Fe+M3(C,B)的共晶組織。

綜合以上分析，Cr元素的添加影響Fe-B-C系耐磨堆焊合金的物相組成及組織形貌。少量微碳鉻鐵粉的加入促使初晶相(Fe,Cr)2B的體積分?jǐn)?shù)的增多，且Cr有細(xì)化初晶相(Fe,Cr)2B的作用。當(dāng)微碳鉻鐵粉的添加量達(dá)到并超過(guò)30%時(shí)，堆焊合金層有新相Fe1.1Cr0.9B0.9的析出，此相的體積分?jǐn)?shù)隨著微碳鉻鐵粉添加而增加。

2.1.3顯微裂紋分析

圖2a中可以看到，在塊狀的Fe2B組織上存在大量垂直并貫穿于該組織的顯微裂紋。原因?yàn)镕e2B初晶相的生長(zhǎng)過(guò)程中，F(xiàn)e3(C,B)相在在其表面析出，并以層片狀的形式生長(zhǎng)，層片狀Fe3(C,B)相最終分布于初晶Fe2B相內(nèi)部，將其割裂。由于焊接為快速加熱和冷卻的過(guò)程，在組織內(nèi)部產(chǎn)生了巨大的殘余拉應(yīng)力，滲碳體為脆硬的薄片狀組織，導(dǎo)致在滲碳體部位發(fā)生斷裂。因此，堆焊層組織中的殘余拉應(yīng)力和板條狀Fe2B組織內(nèi)的滲碳體是引發(fā)顯微裂紋的主要原因[3,17]。隨著微碳鉻鐵的加入，這種顯微裂紋的量有明顯減少，有學(xué)者認(rèn)為Cr元素有增加初晶Fe2B相韌性的作用，當(dāng)Cr元素達(dá)到一定濃度，塊狀組織的韌性大于其斷裂的脆性，這種裂紋的數(shù)量就會(huì)減少，當(dāng)Cr達(dá)到一定含量時(shí)，這種裂紋就會(huì)消失；作者研究認(rèn)為，Cr在增加初晶Fe2B相的韌性同時(shí)，與Fe發(fā)生置換反應(yīng)，有一部分Cr與Fe2B結(jié)合生成(Fe,Cr)2B或(Fe,Cr)2(C,B)相，組織晶格發(fā)生畸變，Cr元素作為強(qiáng)碳化物，阻礙Fe3(C,B)在初晶Fe2B相中析出，F(xiàn)e3(C,B)引發(fā)的脆硬斷裂作用消失，裂紋因此消失。

2.2 硬度分析

圖4為不同Cr元素添加含量所制備堆焊層的洛氏硬度。隨著微碳鉻鐵粉添加量的不斷增加，堆焊層的洛氏硬度呈上升趨勢(shì)，添加5%微碳鉻鐵粉時(shí)洛氏硬度增加了1.3 HRC，增加幅度最大，繼續(xù)增加Cr元素的含量，洛氏硬度增加幅度逐漸減小，當(dāng)微碳鉻鐵粉添加含量達(dá)到55%時(shí)，洛氏硬度達(dá)到最大值65.5 HRC。因?yàn)樘砑游⑻笺t鐵粉末后，金相組織中生成的(Fe,Cr)2B相尺寸變細(xì)小，數(shù)目增多，共晶組織變少，(Fe,Cr)2B相為硬質(zhì)相，硬度大，共晶組織硬度小，所以硬度呈上升趨勢(shì)；當(dāng)微碳鉻鐵粉添加含量為55%時(shí)，大部分為初晶Fe1.1Cr0.9B0.9相，宏觀硬度達(dá)到最大值，說(shuō)明新生成的麥穗狀組織Fe1.1Cr0.9B0.9硬度同樣較高。

圖4 不同Cr添加含量洛氏硬度值

3 結(jié)論

(1)未添加Cr元素時(shí)，金相組織由初晶相Fe2B和共晶組織α-Fe+Fe3(C,B)組成，隨著Cr元素的添加出現(xiàn)新的初晶相Fe1.1Cr0.9B0.9。

(2)未添加Cr元素時(shí)，初晶Fe2B的尺寸為20～50 μm，并且在Fe2B組織上有垂直并貫穿于該組織的條狀裂紋，隨著Cr元素的添加，初晶(Fe,Cr)2B的體積分?jǐn)?shù)增大，尺寸減小，約為10～20 μm，該種顯微裂紋消失，因此Cr元素有促使硬質(zhì)相Fe2B析出的作用并且能有效抑制Fe2B組織上顯微裂紋的產(chǎn)生。

(3)堆焊層中未添加微碳鉻鐵粉時(shí)，洛氏硬度為63.2 HRC，堆焊層的洛氏硬度隨Cr元素的添加而增大，當(dāng)微碳鉻鐵粉添加含量為55%時(shí)，宏觀硬度達(dá)到65.5 HRC。