鐵基堆焊耐磨合金的研究現狀

劉 躍，張國賞，魏世忠

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學 河南省耐磨材料工程技術研究中心，河南 洛陽 471003)

鐵基堆焊耐磨合金的研究現狀

劉 躍1，張國賞1，魏世忠2

(1.河南科技大學 材料科學與工程學院，河南 洛陽 471003；2.河南科技大學 河南省耐磨材料工程技術研究中心，河南 洛陽 471003)

概述耐磨堆焊材料、方法的分類及堆焊層合金元素的性質和堆焊層中碳化物形成特點；對鐵基堆焊耐磨合金的固溶強化、第二相強化(彌散強化和析出強化)、晶界強化、熱處理和定向凝固等強化方法進行了論述。分析合金元素在堆焊層中的作用、磨料磨損的形貌以及鐵基耐磨合金的耐磨機理。鐵基堆焊具有成本低、品種多，且易于改變堆焊層強度、韌性、耐磨性、抗沖擊性等優點。鐵基堆焊耐磨合金是當前研究的重要方向之一，應用前景廣闊。

鐵基堆焊合金；強化機理；耐磨性

0 前言

鐵基堆焊金屬焊接性能好，抗沖擊能力強，易于機械加工，變形和開裂傾向小，抗疲勞性優良，韌性與耐磨性配合好，能滿足多方面要求。鐵基合金不僅價格低廉，品種多，而且經過成分、組織的調整，可以在很大范圍內改變堆焊層的強度、韌性、耐磨性、耐蝕性、耐熱性和抗沖擊性[1-2]，所以是應用最廣的堆焊合金之一。

堆焊是利用火焰、電弧、等離子弧等熱源將堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆覆一層或多層耐磨、耐熱、耐腐蝕的涂層，使堆焊層與母材形成冶金結合的工藝方法。最初的堆焊只是對損壞的工件表面進行修復，使其恢復到原始形狀尺寸，并使其表面性能得到一定程度的強化。堆焊發展到現在，已具有修復工件和增強表面性能的兩大功能[3]。世界各國生產及制造業和相關學術領域對堆焊技術的發展非常重視，同時也為堆焊技術的發展提供了很大的支持。近年來堆焊技術在水泥、冶金、鋼鐵、采礦、航空航天、電力、軍事、汽車制造等行業廣泛應用，創造了巨大的經濟效益和社會效益，這充分說明了堆焊技術是最有發展前途的表面工程技術之一。

堆焊熔敷金屬的種類很多，具體可分為：鐵基堆焊金屬，鈷基堆焊金屬，鎳基堆焊金屬，銅基堆焊金屬，碳化鎢基堆焊金屬。堆焊層合金元素的性質。如表1所示[4]。

表1 合金元素的性質Tab.1 Property of compound metals

1 堆焊方法與堆焊層碳化物的形成及特性

1.1 堆焊方法分類

堆焊的工藝方法有焊條電弧堆焊、氧-乙炔焰堆焊、手工電弧堆焊、鎢極氬弧堆焊、熔化極氣體保護電弧堆焊、埋弧堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、高效電弧堆焊(多絲焊、寬帶極堆焊)、高能束(激光，聚焦光束)粉末堆焊[5]。因此可根據不同的工件材質和施工條件選擇合適的堆焊方法，從而得到理想的堆焊層，提高工件的使用壽命。

1.2 碳化物形成規律

由元素周期表可知，碳化物形成元素(Ti、V、Cr、Mn、Zr、Nb、W、Mo等)都位于Fe的左側，而非碳化物形成元素(Ni、Si、Co、Al、Cu等)均位于周期表的右側。一般分析認為Ni和Co也可以形成單獨的碳化物，但是由于其穩定性太差(比Fe3C還小)，在堆焊層中不會出現，所以通常被當作非碳化物形成元素看待。Mn是碳化物的形成元素，但Mn極易溶入滲碳體中，因此堆焊層中也不會出現Mn的獨立碳化物[6]。

按照碳化物晶格類型的不同，碳化物可分為兩類：

(1)當rC／rM＞0.59時(其中rC為碳原子半徑，rM為合金元素的原子半徑)，碳與合金元素形成一種復雜點陣結構的碳化物。Cr、Mn、Fe屬于這類元素，它們能形成Cr23C6、Cr7C3、Fe3C等碳化物。

(2)當rC／rM＜0.59時，形成簡單點陣的碳化物(間隙相)。Mo、W、V、Ti、Nb、Ta、Zr等均屬于此類元素，它們形成的碳化物是：MC型——WC、VC、TiC、NbC、TaC、ZrC；M2C型——W2C、Mo2C。

1.3 碳化物的特性

常見的一些碳化物的熔點和硬度如表2所示。由表2可知，碳化物的強化能力很高。形成碳化物傾向性越強的元素，其碳化物硬度越高。

表2 純金屬與常見碳化物的熔點及硬度Tab.2 Melting point and hardness of pure metal and the common carbide

2 鐵基堆焊合金中元素的作用及強化機理

2.1 合金元素作用

碳是堆焊合金的基礎元素。堆焊層中含碳量的多少直接影響初生碳化物的數量、性質、尺寸、分布狀態和基體組織性能[7]。對于鐵基合金來說，在抗磨粒磨損過程中，特別是低應力磨損中，碳含量起重要的決定作用。碳能夠深入基體的間隙中形成固溶體，造成晶格畸變，增大了位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高堆焊層合金的強度和硬度。碳還能與多種元素形成高硬度的碳化物硬質相，是提高堆焊層耐磨性的關鍵因素。

合金中Cr含量不同，所形成的碳化物也不同。隨著w(Cr)／w(C)的增加，共晶碳化物的形貌經歷了由連續網狀→片狀→桿狀連續程度減小的過程，共晶碳化物晶體類型經歷由 M3C→M3C+M7C3→M7C3→M23C6的變化過程，其硬度值變化為小→大→小的過程[8]。因此選擇合適的w(Cr)／w(C)(一般為3.5～4.0)形成的碳化物以M7C3型為主，其耐磨性和硬度值都比較高，同時提高堆焊層硬度和耐磨性。

有實驗研究表明[9-12]，工業應用較為成熟的低鉻鑄鐵w(Cr)＝2%～5%，所形成的碳化物為(Cr，Fe)3C。在w(Cr)＞7%時，已經有碳化物從(Cr，Fe)3C轉變成為(Cr，Fe)7C3；在w(Cr)＞12%以及w(Cr)／w(C)＞3.5時，鑄件中的碳化物以不連續的塊狀、棒狀分布(Cr，Fe)7C3型碳化物為主；從微區成分上看，當碳化物微區鉻含量達到38%后會形成(Cr，Fe)7C3型碳化物，當碳化物中鉻含量大于60%時，會形成(Cr，Fe)23C6型碳化物。

在鐵基TiC合金中[13]，TiC顆粒呈圓鈍外形，無尖角。表面拋光后，摩擦系數低，有自潤滑功能，TiC的硬度在MC系碳化物中最高(可達到HV3 200，比WC高25%)，因此耐磨性較好。

鈮的加入使基體的顯微硬度有所提高，細化基體組織晶粒，從而提高韌度。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，硬質相和基體的良好匹配能夠阻礙磨粒的切削，從而獲得較高的耐磨性能。

合金中加入硼，可溶入碳化物或置換碳化物中的碳原子，形成硬質硼化物或復合硼碳化合物相，也可形成過共晶碳化物，最終增加硬質相數量或硬度值，顯著提高硬化效果。

焊層中加入一定量的釩形成釩基碳化物，即形成了高硬的彌散分布的第二相粒子，對基體起到彌散強化或沉淀強化作用。第二相質點數量越多，直徑越小，彌散度越大，則其強化效果越明顯[14]。

2.2 強化機理

堆焊合金強化的方法主要是合金強化和工藝強化。合金強化主要是往堆焊層中添加合金元素，與碳元素生成碳化物硬質相；包括固溶強化、第二相強化(彌散強化和析出強化)和晶界強化[15]。工藝強化主要是對堆焊層進行熱處理和定向凝固。

固溶強化是合金元素溶于高溫鐵基奧氏體，通常溶入基體的間隙中造成晶格畸變。晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高堆焊層合金的強度和硬度。但是其溶解度是有限的，所以固溶強化效果并不明顯[16]。

在堆焊層中存在的碳化物主要有連續網狀和彌散狀兩種類型。呈連續網狀分布的碳化物是從奧氏體中析出，在固化的金屬中橫截面形成連續的網狀結構。這種碳化物相非常硬且脆(耐沖擊性低)，適用于低應力刮削磨損中，顯現出較高的表面耐磨性。在高應力磨損中，若碳化物硬度高于磨粒硬度也能起作用；反之，磨損比較嚴重，則耐磨性差。彌散碳化物被粘接金屬基相包裹，堆焊層中含有比例相當高的碳化物，同時仍有足夠的韌性和強度。因此，彌散碳化物也可以改善所有類型的碳化物的耐磨性。

晶界強化是一種常采用的強化方法。對于鐵基合金，大角度晶界是一種晶體的面缺陷，焊層的硬度與晶粒尺寸的平方根呈反比。細化晶粒可以阻礙位錯運動的進行，改善合金的強度，減少晶界變脆現象(即溶質原子偏析或微粒析出使達到晶界開裂所需的臨界應力下降)，對提高焊件的耐磨性有利[17]。

大量研究表明[18-21]，在達到相同硬度水平的前提下，采用多元合金系統比大量單一元素合金系統更有利于提高堆焊金屬韌性和抗裂性。所以堆焊合金應采用多元合金系，其中碳是必有的元素，它能明顯改變堆焊金屬的硬度和耐磨性，合金元素則需要合理配比，以達到硬度、耐磨性與韌性、抗裂性的最佳配合。

堆焊層熱處理工藝包括：退火、正火、淬火和回火。一般常用正火和回火兩種工藝。正火是將已堆焊工件加熱至奧氏體區溫度并保溫一段時間，然后將工件拉出爐外空冷至常溫。由于冷卻速度快，堆焊晶粒比較細，使得奧氏體能在較低的溫度下發生共析轉變，因而得到分散的珠光體(即索氏體)，顯著提高堆焊層基體的韌性。回火一般是降低堆焊層殘余應力，使其組織均勻化，并提高塑性和耐蝕性[22]。

材料定向凝固可使堆焊層得到單一方向的柱狀晶，冷卻條件和散熱方向能夠有效地控制堆焊層初生碳化物的生長方向，采用基板背面水冷卻的方法可以使初生碳化物趨向垂直于耐磨堆焊層表面生長。強迫水冷的條件下，初生碳化物幾乎全部與外表面垂直，而在與其相垂直的橫向截面上，柱狀初生碳化物顯現出棱柱的側面即白色的長條。柱狀初生碳化物的橫截面與縱截面硬度不同，橫截面平均硬度約為1600HV，縱截面硬度約為1 180 HV，相關的研究表明在切削型磨損的情況下，磨損面與碳化物柱狀相垂直時，工件的耐磨性最高[23]。

3 堆焊層的磨損性能

材料的耐磨性[24-25]是磨損條件和材料性能的綜合反映。通常用堆焊層的硬度(Hu)和磨料的硬度(Ha)的比值(Hu／Ha)來判斷堆焊層的耐磨料磨損性能。如果磨料硬度比堆焊層硬度高得多，則發生快速磨損；反之，則磨損率較低。也可采用相對耐磨性ε來表示

然而，僅用硬度的大小來評價材料的耐磨性是不準確的。也就是說，高硬度的堆焊層不一定具有優良的耐磨性，還受其顯微組織的影響，主要表現在初始碳化物和硬質相的數量、性質、尺寸、分布狀態、基體組織性能以及硬質相與基體的結合方式。

觀察試樣磨損后的表面形貌發現：耐磨性差的堆焊層合金磨損表面是較深的犁溝和經反復磨損后外延的基體，大片碳化物的脆性折斷，基體中的空穴明顯是硬質相在磨損過程中脫落留下的，基體的耐磨性較差，而且基體與硬質相沒有很好的結合；耐磨性較好的堆焊層耐磨合金的磨損表面是深淺不均的犁溝和一定量的塑性變形，磨料犁入基體形成劃痕，在磨損和沖擊過程中伴隨著碳化物硬質相的脆性斷裂，在碳化物硬質相處劃痕較淺，硬質相有效保護了基體。

通過分析堆焊層組織和磨損形貌可以發現，韌性基體+顆粒碳化物與固溶體基體間界面(C／S界面)的結構對堆焊層性能影響極大。堆焊層耐磨性、抗疲勞性的高低很大程度上取決于C／S界面狀態。韌性基體+顆粒碳化物組織的堆焊層在保證高的硬度值和抗裂性的同時，良好的C／S界面結合防止了碳化物的脫落，顯著提高了堆焊層的耐磨性和抗疲勞性。

4 展望

自20世紀50年代以來，鐵基堆焊具有成本低、品種多、且易于改變堆焊層強度、韌性、耐磨性、抗沖擊性等優點，得到了迅猛的發展。鐵基堆焊合金是現代制造、焊接修復領域應用范圍最廣的合金，隨著研究技術和科研設備越來越先進[26-27]，同時自動化、智能化焊接設備廣泛使用，將大大提高鐵基堆焊合金的應用空間。先進科學技術在鐵基堆焊領域的應用不僅提高鐵基堆焊層的硬度、抗裂性、耐磨性和抗疲勞性，更為鐵基堆焊合金在耐磨合金方面開辟了新領域。

[1]唐景富.堆焊技術及實例[M].北京：機械工業出版社，2010.

[2]高忠民.實用電焊技術[M].北京：金盾出版社，2003.

[3]傅迎慶.Cr-B-W-V系多元復合強化鐵基高溫耐磨堆焊合金的優化設計[D].沈陽：沈陽工業大學，2003.

[4]陳 勇.Fe-Ti-Cr-Mo耐磨堆焊合金研究[D].北京：北京工業大學，2009.

[5]史耀武.焊接技術手冊[M].福州：福建科學出版社，2004.

[6]李亞江.焊接組織性能與質量控制[M].北京：化學工業出版社，2005.

[7]王 勇，韓培德.碳含量對多元合金系堆焊焊條堆焊層硬度的影響[J].山西科技，2002(03)：37-38.

[8]夏立明.Fe-Cr-Nb-C系耐磨堆焊組織與性能研究[D].北京：北京工業大學，2009.

[9]郝石堅.現代鑄鐵學[M].北京：冶金工業出版社，2004.

[10]王久彬.高鉻鑄鐵軋輥的材質組織及力學性能[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，1992.

[11]吳海宏，鄧鵬輝.Fe基Ni-Cr-B-C系耐磨合金軋輥堆焊的表面耐磨性研究[J].鄭州紡織工學院學報，1998，9(02)：64-71.

[12]楊 威.超高碳高鉻耐磨堆焊合金微觀組織研究[D].鄭州：機械科學研究總院鄭州機械研究所，2007.

[13]Xin-hong Wang，Fang Han，Shiyao Qu，et al.Microstructure of the Fe-based hardfacing layers reinforced by TiC-VC-Mo2C particles[J].Surface＆Coatings Technology，2008(208)：1502-1509.

[14]劉政軍，池佩利，羅 君，等.抗沖擊磨損堆焊合金的組織與性能[J].表面技術，2006，35(02)：38-40.

[15]陸文華，李隆盛，黃良余.鑄造合金及其熔煉[M].北京：機械工業出版社，2010.

[16]石德珂.材料科學基礎[M].北京：機械工業出版社，2007.

[17]宋小波.Fe-Cr-Nb-B-C耐磨堆焊層性能的研究[D].北京：北京工業大學，2010.

[18]M Kirchganer，E Badisch.Behaviour of iron-based hardfacing alloys under abrasion and impact[J].Wear，2008(265)：772-779.

[19]王 勇，張漢謙，王 寶，等.碳對多元合金系堆焊層硬度和組織的影響[J].太原理工大學學報，2002，33(04)：386-392.

[20]Xinhong Wang，Fang Han，Xuemei Liu，et al.Microstructure and wear properties of the Fe-Ti-V-Mo-C hardfacing alloy[J].Wear，2008(265)：583-589.

[21]劉政軍，李永奎，陳宏等.鐵基高溫耐磨堆焊焊條的設計[J].沈陽工業大學學報，2004，26(4)：382-384.

[22]崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京：機械工業出版社，2007.

[23]王智慧，賀定勇等.Fe-Cr-C耐磨堆焊合金磨粒磨損行為[J].焊接學報，2010，31(11)：73-76.

[24]潘春旭，陳 俐.耐磨堆焊層顯微組織特征及其與耐磨性關系的研究[J].兵器材料科學與工程，2000，23(02)：8-17.

[25]文九巴.材料科學與工程[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2007.

[26]王元良，陳 輝.藥芯焊絲焊接材料的發展[J].電焊機，2008，38(7)：1-8.

[27]Masayuki NAGAMI，Tetsuya HASHIMOTO.氣保焊用藥芯焊絲的發展趨勢[J].電焊機，2007，37(6)：11-18.

Present situation in research on iron-based hardfacing alloy

LIU Yue1，ZHANG Guo-shang1，WEI Shi-zhong2
(1.College of Material Science＆Engineering，He'nan University of Science＆Technology，Luoyang 471003，China；2.He'nan Engineering Research Center for Wear of Material，Luoyang 471003，China)

The classification and method of hardfacing material，the nature of alloying elements and the formation characteristics of carbide of surfacing layer are summarized in this paper.Strengthening mechanism of iron-based hardfacing alloy，alloying elements in the role of surfacing layer and the morphology of abrasive wear were discussed in the meantime.Later wear resistant mechanisms of the iron-based hardfacing alloy was analyzed.Iron-based hardfacing alloy has a lot of advantages such as low cost，varieties，the intensity，the toughness，the abrasive resistance and impact resistance of surfacing layer are easily to be transformed.Iron-based hardfacing alloy has a good application prospect，and are becoming one of the most important aspects in current researches.

iron-based hardfacing alloy；strengthening mechanism；abrasive resistance

TG455

A

1001-2303(2012)05-0058-04

2011-12-18

河南省科技攻關項目(50972039)

劉 躍(1986—)，男，河南周口人，在讀碩士，主要從事耐磨材料的研究。