氮合金化堆焊硬面合金的抗沖蝕磨損性能研究

楊 可，包曄峰

（河海大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 常州 213022）

在水力機(jī)械中，不銹鋼材料被廣泛應(yīng)用于制造水輪機(jī)的葉片等水力設(shè)備動(dòng)力裝置，這些水力裝置常受到水流泥沙的沖蝕，易受到嚴(yán)重磨蝕［1－3］。通過使用表面堆焊技術(shù)在磨損后的水力裝置部件表面熔敷一層硬面合金，可使這些磨損部件現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)，并使其恢復(fù)甚至超過其原有抗磨損能力［4，5］。

目前硬面合金材料普遍采用碳合金化提高使用硬度，使基體中分布大量碳化物質(zhì)點(diǎn)增強(qiáng)耐磨性能。但此類硬面合金材料具有：（1）碳當(dāng)量高，抗焊接裂紋性能差；（2）碳化物易沿晶界呈網(wǎng)狀析出，耐蝕性能一般；（3）塑性較低，承受高應(yīng)力易剝落等三方面明顯的缺點(diǎn)［6，7］。Lee K.Y.等研究結(jié)果表明［8，9］，增強(qiáng)或改善材料耐磨性的有效途徑是提供材料的表面硬度和強(qiáng)韌性，較為理想的組織結(jié)構(gòu)為堅(jiān)韌、連續(xù)的基體上均勻分布硬度高、穩(wěn)定性好的質(zhì)點(diǎn)。Hertzman S.等［10，11］研究認(rèn)為氮與碳均為間隙溶質(zhì)原子，并都能與鈮、鈦等合金元素形成彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)，并且氮對(duì)焊接性能影響較小，在焊接過程中不會(huì)出現(xiàn)裂紋。在堆焊硬面合金中以氮代替碳，可提高抗焊接熱裂性能；同時(shí)添加固氮合金元素形成碳氮化物粒子，通過細(xì)化晶粒和第二相質(zhì)點(diǎn)彌散析出來增強(qiáng)硬面合金的強(qiáng)度和韌性［12，13］。因此，本工作在馬氏體不銹鋼硬面材料中以氮代替部分碳，通過鈮、釩、鈦固氮進(jìn)行合金化，形成氮合金化堆焊馬氏體不銹鋼硬面合金，進(jìn)行了小角度30°的抗沖蝕性能實(shí)驗(yàn)，研究其抗沖蝕磨損機(jī)理，為水力機(jī)械抗沖蝕材料的開發(fā)和應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料有H08A鋼帶，低碳鉻鐵、錳鐵、硅鐵、鈮鐵及氮合金等合金粉。合金粉混合均勻，利用藥芯焊絲設(shè)備制備直徑為3.2mm的兩種埋弧硬面藥芯焊絲，其中一種焊絲有氮作為合金化元素，并采用鈮、鈦鐵合金固氮。用逆變自動(dòng)焊機(jī)進(jìn)行埋弧堆焊，配用焊劑為自制的馬氏體不銹鋼燒結(jié)焊劑，堿度為1.8～2.0。焊接工藝參數(shù)如下：焊接電壓為30～32V，焊接電流為400～450A，焊絲伸出長(zhǎng)度為15～20mm，焊接速率為18～23m／h。在碳鋼鋼板上堆焊6層以上，保證堆焊層金屬厚度在15mm以上，堆焊層與母材結(jié)合良好，沒有出現(xiàn)裂紋等缺陷。在垂直于堆焊層表面分別制備3個(gè)尺寸為20mm×10mm×5mm試樣，之后將試樣進(jìn)行550℃熱處理并保溫1h隨爐冷卻至300℃取出空冷，以便第二相析出和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變，進(jìn)而獲得二次硬化的馬氏體組織。堆焊硬面合金試樣主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)／%）為S1：0.06～0.15C，11～14 Cr，1.2Nb，V，Ti，1.2～1.8Ni，0.3～0.6Mo，0.12 N，其余為Fe；S2：0.16～0.25C，11～14Cr，1.2～1.8 Ni，0.3～0.6Mo，其余為Fe。兩種堆焊硬面合金試樣均為馬氏體不銹鋼，其中S1試樣具有足量的N，沒有發(fā)生氣孔。

將試樣的沖蝕表面用砂紙打磨，沖蝕實(shí)驗(yàn)在沖蝕磨蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖蝕粒子采用26～40目不規(guī)則多角形的石英砂，砂粒被水流加速?zèng)_蝕試樣表面，水流速度為2 5m／s，含砂量為5 0kg／m3，沖蝕試樣面積為20mm×10mm，為了考察沖蝕粒子對(duì)硬面合金沖擊與磨損的綜合作用，選擇低角度沖蝕角30°［1，14］，沖蝕時(shí)間為45min，其工作原理示意圖如圖1所示。試樣磨損試驗(yàn)前后在精度為1mg的電子天平上稱重，磨損率為試樣磨損失重與沖蝕面積的比值。用洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)量試樣的平均硬度。用光學(xué)顯微鏡和Quanta 200型掃描電鏡（SEM）觀測(cè)試樣顯微組織和表面磨損后的形貌。

圖1 沖蝕磨損示意圖Fig.1 Schematic diagram of erosion wear test

2 結(jié)果與討論

兩種堆焊硬面合金試樣經(jīng)過沖蝕磨損，得到的S1的磨損率為0.21mg／mm2，S2試樣的磨損率為0.56 mg／mm2。兩種試樣的磨損率都小于0.6mg／mm2，其中S1試樣的沖蝕磨蝕率明顯小于S2，約為S2試樣的三分之一，表明S1試樣具有更優(yōu)的抗沖蝕磨損性能。

堆焊硬面合金的顯微組織主要為板條馬氏體和第二相析出物，如圖2所示。其中S1試樣的顯微組織為板條馬氏體和大量的細(xì)小析出物，這些析出物為MX（M：Nb，V，Ti；X：C，N）復(fù)合碳氮化物，沿板條馬氏體基體和晶界彌散分布（圖2（a））［15］；S2試樣的顯微組織主要為沿晶界呈網(wǎng)狀分布的富Cr碳化物（圖2（b））。此外，S1試樣馬氏體束晶區(qū)明顯小于S2試樣，S1試樣晶區(qū)內(nèi)馬氏體板條尺寸大小要比S2小。可見，通過堆焊硬面合金氮合金化，可起到明顯細(xì)化晶粒作用［16，17］。

圖2 試樣顯微組織形貌 （a）S1；（b）S2Fig.2 Microstructures of two samples （a）S1；（b）S2

測(cè)得試樣S1和S2的洛氏硬度值（HRC）分別為42.8和35.5，S1試樣的硬度值明顯高于S2試樣，表明氮合金化堆焊硬面合金具有更高的使用硬度。因此，氮合金化堆焊硬面合金中復(fù)合碳氮化物沿板條馬氏體基體和晶界彌散析出，能有效強(qiáng)化基體增強(qiáng)硬度。

兩種堆焊硬面合金試樣的磨損形貌如圖3所示，其磨損形貌為明顯的切削與犁溝剝落。其中S1試樣犁溝前方的塑性堆積呈現(xiàn)出明顯的圓弧狀，堆積物相對(duì)較多，而S2試樣則表現(xiàn)較為平直，堆積物較少，如圖3中箭頭所示。

圖3 試樣的磨損形貌 （a）S1；（b）S2Fig.3 Worn morphologies of two samples （a）S1；（b）S2

沖蝕磨損的水流沖擊角度為30°，高流速砂粒對(duì)堆焊硬面合金沖蝕面產(chǎn)生的沖擊運(yùn)動(dòng)，可分解為平行沖蝕面的切向運(yùn)動(dòng)和垂直沖蝕面的法向運(yùn)動(dòng)，砂粒的切向運(yùn)動(dòng)將產(chǎn)生“刀具”切削運(yùn)動(dòng)。當(dāng)尖銳砂粒與沖蝕表面形成有利的切削角度時(shí)，產(chǎn)生微切削，切出一定數(shù)量的微體積材料，在堆焊硬面合金表面留下明顯的切削痕；而當(dāng)砂粒不夠尖銳或即使尖銳但與沖蝕面不能形成有利于切削的角度時(shí)，不會(huì)對(duì)沖蝕面造成直接的切削，而在堆焊硬面合金表面形成犁溝，在沖擊速度方向的前方或兩側(cè)形成塑性堆積物。砂粒的法向運(yùn)動(dòng)使砂粒壓入沖蝕面，壓入點(diǎn)的材料被擠出并在后來粒子的不斷沖擊作用下剝落，從而加大沖蝕磨損質(zhì)量損失。從圖3中可知，S1試樣犁溝前方的塑性堆積物明顯多余S2試樣，這表明S1試樣在沖蝕粒子的作用下能具有更好的強(qiáng)韌性，使得犁溝剝落質(zhì)量損失更少，從而減少磨損質(zhì)量損失進(jìn)而降低磨損率。

已有的研究結(jié)果表明［14，18］，材料的耐磨性的不僅與硬度有關(guān)，而且與材料的組織有關(guān)。復(fù)合碳氮化物的彌散析出起到更好的強(qiáng)化效果，使得堆焊硬面合金形成具有板條馬氏體基體＋分布均勻碳氮化物硬質(zhì)點(diǎn)的組織形態(tài)。圖4為磨損表面更大放大倍數(shù)的掃描電鏡照片，由于細(xì)小碳氮化物的彌散強(qiáng)化作用，S1試樣的硬度明顯高于S2試樣，使得切削粒子的壓入深度明顯降低，表現(xiàn)為窄淺塑性切削和犁溝痕；此時(shí)由于材料基體逐漸被去除、下凹，凸起的碳氮化物顆粒則承受沖蝕粒子的主要沖擊和切削，在隨后的沖擊下撞落下來，出現(xiàn)明顯的塊狀剝落，如圖4（a）中箭頭所示，而處在碳氮化物顆粒保護(hù)作用的基體材料遭受沖擊和切削的幾率變小、程度減輕，使得基體材料磨損大大減小，因而堆焊硬面合金的抗沖蝕性能得到提高。

圖4 試樣的磨損形貌 （a）S1；（b）S2Fig.4 Worn morphologies of two samples （a）S1；（b）S2

綜上所述，堆焊硬面合金的沖蝕磨損由切削和犁 溝剝落形成。氮合金化堆焊硬面合金中復(fù)合碳氮化物的彌散析出，起到明顯的細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用，使得板條馬氏體既具有較高的強(qiáng)度，又保持良好的韌性，既能增強(qiáng)抗高速含砂水流沖擊作用，同時(shí)又能有效抵御沖蝕粒子的高速切削，從而減少?zèng)_蝕磨損質(zhì)量損失降低磨損率，提高堆焊硬面合金的抗沖蝕磨損性能。

3 結(jié)論

（1）堆焊硬面合金的沖蝕磨損由切削和犁溝剝落形成，其磨損機(jī)制主要為微切削。

（2）氮合金化堆焊硬面合金中析出物彌散分布，尺寸細(xì)小，起到了明顯的細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用，既能增強(qiáng)抗高速含砂水流沖擊作用，同時(shí)又能有效抵御沖蝕粒子的高速切削，從而減少?zèng)_蝕磨損質(zhì)量損失降低磨損率，提高堆焊硬面合金的抗沖蝕磨損性能。

（3）氮合金化堆焊硬面合金的沖蝕磨損特征表現(xiàn)為沖蝕粒子沖擊后留下的切削、犁溝以及碳氮化物處造成的塊狀剝離。

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