等離子原位合成Fe－Cr－V－C堆焊合金的耐磨性

宗 琳，劉政軍，李樂成

（1沈陽化工大學 機械工程學院，沈陽110142；2沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽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，李樂成2

（1沈陽化工大學 機械工程學院，沈陽110142；2沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽110178）

在礦山開采、重型冶金等領域的許多零部件長期工作在嚴峻的工況條件下，從而導致嚴重的磨損。為提高材料耐磨性，延長零件的使用壽命，堆焊作為材料表面改性的一種經濟而快速的工藝方法，已經獲得越來越廣泛的應用［1－3］。

堆焊層需要具有高硬度來獲得較好的耐磨性，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被廣泛應用在堆焊合金中形成硬質相M7C3和 VC［7，8］。這些硬質相分布在基體中，具有規則的外形，較高的硬度和熔點，能夠強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相和基體組織的尺寸、形態和分布［9］。堆焊層中Cr，V，C比例的不同將引起硬質相和基體數量、尺寸以及形態的差異，從而導致耐磨性的差異。鑒于以上因素，本工作研究設計了5種不同Cr含量的Fe－Cr－V－C堆焊合金，通過堆焊層中形成硬質相M7C3和VC來強化鐵基熔覆層，并研究了Cr含量對硬質相M7C3和VC的數量與形態的影響，進而探討其對耐磨性的影響機理。

1 實驗方法

堆焊實驗的基體金屬采用20G，試板尺寸為100mm×80mm×12mm，基體表面堆焊前經打磨并用丙酮清洗。堆焊合金粉末采用高碳鉻鐵（66.7%Cr，4%C，質量分數，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，其中C含量按Cr，V形成碳化物和焊接過程中燒損所需量添加，堆焊前采用水玻璃作黏結劑預置在試板表面，厚度約為3mm，試板在室溫下放置24h后經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備進行堆焊實驗，堆焊工藝參數如下：空載電壓90V，電弧電壓30V，焊接電流140～160A，電弧縱向移動速率3～15cm/min，電弧橫向擺動頻率21次/min，電弧橫向擺動寬度2.0cm，電弧距工件3mm。

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

耐磨性實驗采用濕砂橡膠輪式磨損試驗機。實驗參數如下：膠輪轉速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的標準試樣后，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。實驗結束后，將試樣表面沖洗吹干，觀察表面磨損形貌。

2 結果與討論

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，而硬質相則由 M7C3＋VC組成。M7C3的衍射峰非常明顯，未見FeV衍射峰的出現，證明高碳鉻鐵、釩鐵在等離子弧的照射下發生了分解和再析出，同時由于石墨的加入，在熔覆層中生成了新相M7C3和VC。

圖1 堆焊合金X射線衍射結果Fig.1 XRD spectra of hardfacing alloys

為進一步探究Fe－Cr－V－C堆焊合金碳化物的組織，采用電子能譜儀對含Cr量為27.2%的合金中六邊形組織A點及球狀組織B點進行成分分析，如圖2所示，結果表明A點成分如下：C 19.53%（摩爾分數，下同），V 11.21%，Cr 30.89%，Fe 38.37%。由此結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點成分如下：C 23.80%，V 59.96%，Cr 11.34%，Fe 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，Fe元素構成。此結果表明，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）不能單獨形成 MC相，但可以置換的方式固溶于MC型間隙相之中。經置換后的MC相在XRD下仍表現為MC的衍射特征。綜合本實驗結果和陸金生的研究結果可以看出，原位生成熔覆層組織中的VC不是純二元碳化物，而是固溶有一定數量Cr，Fe等合金元素的VC。

可以看出，當Cr含量為13.6%時（圖3（a）），基體為針狀馬氏體，VC多呈開花狀，少量M7C3復合物以斷續網狀形態分布在晶界。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的數量變化不大，但當Cr含量超過20.4%以后，M7C3復合物的數量明顯增多，越來越多M7C3復合物的形成釋放大量相變潛熱，使得熔體過冷度減小，降低了VC生長過程中V，C原子擴散的各向異性及VC擇優生長方向的長大速率，使VC形態逐漸由開花狀向團球狀轉變（圖3（d））。M7C3復合物的形態隨著Cr含量的增加由斷續網狀向六邊形轉變，這是因為當Cr含量較低時，不能夠直接析出M7C3碳化物，只能在先析出奧氏體相后，在剩余的液體中達到過飽和濃度，從而在奧氏體晶界處析出M7C3碳化物，因而呈現斷續網狀結構；隨著Cr含量的提高，當達到一定值后才能從熔體中直接析出六邊形M7C3碳化物。斷續網狀結構相比六邊形組織硬度低，且割裂基體的連續性，對提高合金的耐磨性不利。當Cr含量為27.2%時，熔覆層中析出大量六邊形M7C3復合物，大量高硬度六邊形M7C3復合物結合少量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較高，這種相結構使得該堆焊合金具有最佳的耐磨性。

2.2 磨料磨損實驗結果

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

磨料磨損實驗結果示于圖4。可以看出，隨著Cr含量的提高，磨損失重逐漸增大，當Cr含量達到20.4%時，磨損失重達到最大值0.9896g，硬度降至最低（HRC 50.3）。隨后繼續增加Cr含量，磨損失重呈下降趨勢，當Cr含量達到27.2%時，磨損失重大幅度下降至0.3129g，硬度高達 HRC 62.2，說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。可以看出含鉻20.4%耐磨堆焊合金磨損表面存在較深的犁溝，其磨損機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 耐磨機理討論

從磨粒磨損實驗結果可以看出，耐磨堆焊合金在低應力磨粒磨損條件下，磨損機制主要是塑性變形（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、數量和形態，從而改變耐磨性。從圖4可以看出，當Cr含量低于20.4%時，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和斷續網狀M7C3硬質相的數量變化不大（見圖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，能夠對硬質相起到較好的支撐作用，因而表現出相對較好的耐磨性。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和斷續網狀M7C3硬質相的數量較少，抗磨骨架作用較弱，且開花狀VC與基體結合不充分，耐磨性逐漸降低。含鉻20.4%堆焊合金磨損形貌顯示（圖5（a））數量較多的犁溝和凹坑，凹坑產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Cr含量超過20.4%以后，M7C3數量顯著增加，VC形態由開花狀向球狀轉變從而減弱了應力集中傾向，改善了基體與碳化物之間的相互保護作用，以上因素使得硬質相的抗磨骨架作用增強，因而堆焊合金的磨損失重顯著降低。當Cr含量達到27.2%時，熔覆層中M7C3的數量達到最高值，大量高硬度六邊形M7C3復合物（約 HV1200）結合一定量VC（約 HV 1600）顆粒構成堅實的耐磨骨架，起到了良好的保護作用。此外，Cr含量的提高使得基體的固溶強化機制被加強，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張能力的同時，對硬質相還起到可靠的支撐作用，因而堆焊合金表現出最佳的耐磨性，磨損形貌顯示磨痕較淺且犁溝較少（圖5（b））。

以上結果表明，硬質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制上看，合金的去除機制既有塑性變形引起的材料磨損機制，也有脆性材料的剝落形成凹坑而導致的材料去除機制，是兩種機制共同作用的結果。

3 結論

（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數量變化不大，而M7C3數量逐漸增多且形態由斷續網狀向六邊形轉變。當Cr含量為27.2%時，硬質相數量達到最高值。

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

（3）合金的耐磨性取決于硬質相與基體的良好匹配。當Cr含量為27.2%時，熔覆層中大量高硬度六邊形M7C3復合物結合一定量VC顆粒彌散分布在具有較好強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。

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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。同時研究了Cr含量對合金硬度和耐磨性的影響，并探討了磨損機理。結果表明：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，由于硬質相M7C3和VC的數量及形態變化不大，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，當達到一定值后繼續增加Cr含量，M7C3的數量逐漸增多，因而耐磨性隨后增大；當Cr含量達到27.2%（質量分數）時，大量高硬度六邊形M7C3復合物（約HV1200）結合一定量VC（約HV1600）顆粒構成堅實的耐磨骨架，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

遼寧省教育廳科學技術研究資助項目（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用的研究和金屬基復合材料的制備，聯系地址：遼寧省沈陽市經濟技術開發區11號街沈陽化工大學機械工程學院（110142），E－mail：zl＿3981@126.com