Mo含量對(duì)亞共晶高碳高鉻合金組織及性能的影響

熊 中，徐 強(qiáng)，何 芹，王 艷

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610039）

Mo含量對(duì)亞共晶高碳高鉻合金組織及性能的影響

熊 中，徐 強(qiáng)，何 芹，王 艷

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都610039）

將鉬鐵按一定比例加入焊條藥皮并均勻涂覆于H08A焊芯，制成焊條，熔覆于低碳鋼板。取試樣進(jìn)行金相組織觀察、硬度實(shí)驗(yàn)、XRD衍射分析、磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，研究Mo含量對(duì)堆焊層組織及耐磨性的影響。結(jié)果表明，Mo的加入能夠形成MoC、Mo2C等碳化物；置換M7C3碳化物中的金屬原子，形成復(fù)雜碳化物；溶入基體，提高堆焊層硬度，并能夠使共晶碳化物由菊瓣?duì)钷D(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀，適量的Mo能夠改善堆焊層耐磨性。

Mo；亞共晶；高碳高鉻；耐磨性

0 前言

Fe-Cr-C系列耐磨合金因其良好的耐磨、耐蝕性且易于制取，常常被用于材料表面的處理。目前，已經(jīng)有許多研究人員[1-3]試圖在Fe-Cr-C系列耐磨合金中加入其他元素，從而改變其組織和耐磨性能，并且獲得了良好效果。但是，研究大多側(cè)重于過共晶合金，很少有學(xué)者對(duì)亞共晶合金進(jìn)行系統(tǒng)研究。在此主要研究Fe-Cr-C系列的亞共晶合金，并且在其中加入一定梯度變化的鉬鐵，探究不同含量的鉬對(duì)亞共晶合金組織形貌及耐磨性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

將鉬鐵按一定比例加入由大理石、螢石、高鉻、石墨等組成的藥皮，并將其均勻涂覆于直徑為4 mm的H08A焊芯，制成焊條，經(jīng)晾干和烘干后進(jìn)行堆焊。施焊前，將焊條置于烘干爐內(nèi)進(jìn)行250℃×2 h的烘干作業(yè)。采用ZX7-400IGBT型電弧焊機(jī)，直流反接，

電流140～170 A，在Q235鋼上進(jìn)行3層交叉堆焊實(shí)驗(yàn)。利用DKM280AZ型數(shù)控電火花線切割機(jī)切取金相及耐磨試樣。堆焊層經(jīng)FeCl3-HCl溶液腐蝕后，用型號(hào)為L(zhǎng)Y-WN-HP SUPER CCD的萬能視頻成像裝置對(duì)其組織拍照。采用HVS-1000型數(shù)字式顯微硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)載荷0.98kN，加載時(shí)間20 s。采用D/MAX-2500/PCX射線衍射儀對(duì)堆焊層進(jìn)行物相分析。在MLG-130型干式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行耐磨性能測(cè)試，載荷45 N，磨損介質(zhì)為石英砂。將試樣預(yù)磨600 r后，利用JA2003型電子天平稱重，再進(jìn)行正式測(cè)試1 200 r，再次稱重，兩次質(zhì)量之差即為磨損量，從而研究耐磨性能。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

堆焊合金化學(xué)成分如表1所示。

表1 堆焊合金化學(xué)成分Tab.1Chemical composition of the deposited metals％

堆焊合金中w（C）=2.15％～2.23％，w（Cr）=10.32％ ～15.74％，根據(jù)Fe-Cr-C系三元合金相圖（見圖1），可以發(fā)現(xiàn)本次堆焊合金屬于亞共晶組織范疇。

圖1 Fe-Cr-C三元系合金的液相面投影Fig.1Ternary liquid surface projection of Fe-Cr-C alloy

2.1 堆焊層組織與相分析

堆焊合金組織如圖2所示。

圖2 堆焊合金組織Fig.2Microstructure of the deposited metals

根據(jù)金相照片及亞共晶特征，在大量初生固溶體中間存在著共晶組織，合金凝固過程中，溶液中首先析出初生奧氏體，當(dāng)合金達(dá)到共晶成分時(shí)，便形成奧氏體和M7C3碳化物共晶組織[4]。結(jié)合對(duì)合金中w（Mo）=1.51％的堆焊層X射線衍射分析（見圖3），發(fā)現(xiàn)其中含有奧氏體和馬氏體以及（Cr，F(xiàn)e）7C3碳化物，

因而認(rèn)為堆焊合金基體為奧氏體與馬氏體，而共晶組織由奧氏體與馬氏體和（Cr，F(xiàn)e）7C3組成。由圖2可知，當(dāng)未加Mo時(shí)，共晶組織較多，且呈現(xiàn)典型的菊瓣?duì)睿划?dāng)Mo含量逐漸增加時(shí)，共晶組織由菊瓣?duì)钕驐l狀演變，最終呈網(wǎng)狀分布；即基體含量不斷增加，共晶組織逐漸減少。原因在于Mo能夠溶于奧氏體及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，推遲奧氏體轉(zhuǎn)變，使連續(xù)冷卻曲線右移，擴(kuò)大α相，提高材料淬硬性[4-5]。同時(shí)，X射線衍射分析也驗(yàn)證了Mo的加入能夠與C形成MoC、Mo2C等碳化物，該種碳化物能夠有效抵御磨料的浸蝕，提高堆焊合金耐磨性。

圖3 X射線衍射分析Fig.3X-ray diffraction analysis

2.2 硬度分析

硬度是材料抵抗硬物壓入其表面的能力。對(duì)堆焊金屬進(jìn)行五點(diǎn)硬度測(cè)試，并取其平均值，如表2所示。

表2 堆焊合金硬度Tab.2Microhardness of the deposited metals

由表2可知，合金顯微硬度隨著Mo含量的增加而增加。究其原因，Mo加入合金中：①溶于奧氏體及其產(chǎn)物，提高材料淬透性；②形成碳化物MoC、Mo2C等；③溶入M7C3型碳化物，取代其中部分原子，形成復(fù)雜碳化物[4-6]；故而Mo的加入在提高基體硬度的同時(shí)也能增加碳化物的含量，進(jìn)而提高堆焊層硬度。隨著Mo的增加，碳化物總量也在增加，所以其硬度也不斷增加。

2.3 磨損性能

合金磨損量如表3所示。堆焊合金在金相顯微鏡下的磨損形貌如圖4所示。

表3 堆焊合金的磨損量Tab.3Wear loss of the deposited metals

綜合磨損量及磨損形貌可以發(fā)現(xiàn)，隨著Mo含量的增加（圖4a～圖4c），磨損量減少，試樣表面犁溝在減輕；但當(dāng)Mo超過一定含量后（圖4d、圖4e），犁溝逐漸加深并且伴隨著剝落現(xiàn)象。原因在于Mo的加入能夠溶入基體，提高基體硬度；形成MoC、Mo2C等碳化物；置換形成（Cr2.5Fe4.3Mo0.1)C3等特殊碳化物，這些碳化物硬度高，抗切削性能好，在磨損過程中對(duì)基體有很好的保護(hù)作用；基體韌性較好，可以防止裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，對(duì)碳化物有支撐作用，防止碳化物在磨損過程中被剝落。但是當(dāng)Mo含量超過一定值后，雖然可以形成更多的碳化物，提高材料硬度，但在磨粒磨損過程中，過多的碳化物受到擠壓而容易發(fā)生脫落，一旦碳化物脫落，磨料將直接作用于裸露的基體上，使得磨損量增加；同時(shí)，堆焊合金中碳含量有限，可能導(dǎo)致Mo含量過剩，而過剩的Mo則會(huì)偏析于晶界，導(dǎo)致堆焊層形成微裂紋而開裂[7]；堆焊合金中共晶碳化物含量不斷降低，逐漸呈網(wǎng)狀分布，難以與基體相互支撐，這也會(huì)導(dǎo)致合金耐磨性降低。綜合硬度與耐磨性分析，硬度與耐磨性不成線性關(guān)系。本實(shí)驗(yàn)中，Mo含量為1.51％時(shí)其耐磨性最佳。

3 結(jié)論

（1）堆焊合金為亞共晶組織，基體為奧氏體與馬氏體，共晶組織由奧氏體、馬氏體和（Cr，F(xiàn)e）7C3組成。

（2）隨著Mo含量的增加，共晶組織由菊瓣?duì)钕蚓W(wǎng)狀演變，且Mo溶于基體、形成碳化物、置換M7C3碳化物中金屬原子，形成復(fù)雜碳化物，使得堆焊合金硬度不斷升高。

（3）在一定范圍內(nèi)，隨著Mo含量的增加，硬質(zhì)

相與韌性基體合理配合，合金磨損量逐漸減小；但超過該范圍后，形成過多碳化物，當(dāng)其受到擠壓時(shí)易發(fā)生脫落，使得磨料直接作用于裸露的基體上，增加磨損量。堆焊合金硬度與磨損量不成線性關(guān)系。

圖4 堆焊合金磨損形貌Fig.4Wear morphology of the deposited metals

[1]袁有錄，李鑄國(guó).高體積分?jǐn)?shù)（Cr，F(xiàn)e）7C3增強(qiáng)Fe基涂層的組織及耐磨性研究[J]．摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2013，33（1）：79-84．

[2]王智慧，賀定勇．硼對(duì)Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織的影響[J]．材料工程，2001（10）：18-20．

[3]王智慧，賀定勇．NbC增強(qiáng)Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織與磨粒磨損性能[J]．焊接學(xué)報(bào)，2007，28（2）：55-58．

[4]郝石堅(jiān)．鉻白口鑄鐵及其生產(chǎn)技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2011．

[5]李訓(xùn)華．堆焊焊條性能的研究[J]．焊接技術(shù)，2002，31（2）：44-45．

[6]Chung R J，Tang X，Li D Y，et al．Effects of titanium addition on microstructure and wear resistance of hypereutectic high chromium cast iron Fe-25wt.％Cr-4wt.％C[J]．Wear，2009，267（1）：356-361.

[7]王智慧，王寶清．Fe-Cr-C耐磨堆焊合金中碳化物生長(zhǎng)方向的控制[J]．焊接學(xué)報(bào)，2004，25（1）：103-106．

Influence of Mo content on the microstructure and properties of hypoeutectic high carbon high chromium deposited metals

XIONG Zhong，XU Qiang，HE Qin，WANG Yan
（School of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

In this experiment，certain proportions of molybdenum iron was added to coverings and then coated to H08A welding core，deposited tolowcarbon steel.With the aid ofmetallographic microscope，X ray diffraction，Vivtorinox hardness tester，abrasive wear testing machine，themicrostructureand wearpropertieswereanalyzed and tested in thestateofdifferentproportionsofMo.Theresultsshowthat with the addition ofMo，carbides such as MoC、Mo2Ccan be formed;in place ofmetal atoms in M7C3，complexcarbide can be formed，dissolve into substrate，improve the hardness of deposited metals，and make the eutectic carbides by chrysanthemum petals into a mesh，a appropriate proportion ofMocan improve the wear resistance ofdeposited metals.

Mo；hypoeutectic；high carbon high chromium；wear resistanc

TG406

A

1001－2303（2016）09－0059-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.14

2016-04-23；

2016-07-06

四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（13ZA0030）；汽車高性能材料及成形技術(shù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金（szjj2015-090）、2015省級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃（201510623002）和西華大學(xué)2016研究生創(chuàng)新基金（ycjj2016140）

熊中（1989—），男，四川巴中人，在讀碩士，主要從事耐磨材料及材料耐磨性能的研究。