Fe-Cr-C-B系藥芯焊絲的顯微組織與耐磨性*

劉政軍，勾 健，賈 華，蘇允海

（沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870）

Fe-Cr-C-B系藥芯焊絲的顯微組織與耐磨性*

劉政軍，勾 健，賈 華，蘇允海

（沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870）

為了研究藥芯焊絲中Cr和B含量對堆焊層組織與性能的影響規律，采用自保護明弧堆焊法制備了 Fe-Cr-C-B系耐磨藥芯焊絲.利用光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀，對堆焊層的顯微組織和耐磨性進行了分析.結果表明，適量的Cr、B可使堆焊層的性能更為優異.隨著B元素的加入，堆焊層的顯微組織由M23C6相向 M23（C，B）6相轉變，彌散分布的硼化物可呈層片狀、菊花狀等.硼化物顯著改善了 Fe-Cr-C-B系堆焊合金的耐磨性，且其耐磨性與硼化物的數量、致密度和尺寸有關，并最終確定了 Cr和B元素的最佳質量分數.

藥芯焊絲；明弧；堆焊；顯微組織；堆焊層；硼化物；彌散；耐磨性

資源的短缺是當今社會人們所面臨的主要問題之一，因此，提高材料的質量和使用壽命對社會和經濟的發展具有至關重要的作用.機械零件失效的一般形式為磨損［1－2］.藥芯焊絲作為一種現代材料產品，其發展和應用已經逐漸適應了高質量、高效率和低成本的生產趨勢要求，可以提高并改善材料的耐磨性能，從而提高材料的使用壽命［3］.

在Fe-Cr-C-B合金體系中，若Fe、Cr和 C元素配比合理，可以形成M7C3、M23C6等硬質相，這些硬質相對堆焊層力學性能、硬度和耐磨性的提高具有重要意義［4］.很多研究者［5－6］通過在堆焊合金中加入合金元素，使合金中產生了大量原位生成的合金碳化物，形成了復雜金屬間化合物、共晶化合物等，從而對堆焊層的性能進行了強化，合金元素的加入還可以起到改變硬質相尺寸和分布形態的作用.文獻［7－8］指出，與外加硬質相顆粒與基體的結合強度相比，合金中析出的硬質相強度更高，從而大大降低了耐磨合金剝落磨損失效的幾率.當B作為添加元素時，焊絲表現出良好的耐磨性能.在 Fe-Cr-C-B系堆焊合金中，本文通過調節 Cr元素含量，對堆焊層的性能進行了優化，并研究了 Cr和B含量對堆焊層顯微組織與耐磨性的影響.

1 材料與方法

藥芯焊絲由藥粉和鋼帶組成.鋼帶材料為H08A，藥粉由高碳鉻鐵（68%Cr、4%C）、硼鐵（18%B）、銀片狀石墨（碳含量高于98%）、還原鐵粉等原料組成.利用100目篩過濾粉末，并通過烘干去除水分.將粉末混合并攪拌均勻后，利用藥芯焊絲成型機軋制得到焊絲.藥芯焊絲的具體生產流程為：藥粉的準備、軋制 U型鋼帶、藥粉填充、合縫軋制成型、精拔減徑，以及裝桶或呈繞.初次軋制成型的焊絲直徑為3.2mm，焊絲每次減徑0.2mm，直至將焊絲拉拔至直徑為2.8mm.生產的焊絲為O型搭接，包粉率設定為45%.所得焊絲表面較為清潔.

在試驗過程中，堆焊工藝參數如表1所示.完成堆焊后，需要進行空冷，焊渣可以自動脫落，焊縫表面光潔、無粘渣.堆焊合金的成分為w（C）＝1.0%～3.0%，w（Cr）＝10% ～25%，w（B）＝0.5%～2%，w（Al）＝0.8%～1%，余量為Fe.

表1 堆焊工藝參數Tab.1 Technological parameters for hard facing

利用砂輪將明弧堆焊試樣表面打平，采用HR-150洛式硬度計測試試樣的硬度.隨機選取3點，每點測量5次，取其平均值作為試樣的硬度值.采用線切割方式切取尺寸為10mm×10mm× 15mm的金相試樣，利用光學顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察其顯微組織.利用X射線衍射儀對金相試樣表面進行相組成分析.

利用MLS-23型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗機進行磨損試驗.在試驗過程中，橡膠輪轉速為240 r／m in；橡膠輪直徑為150 mm；磨損時間為25min；試驗砂漿成分為1 000 g水＋1 500 g磨料.

2 結果與討論

2.1 堆焊層的硬度和耐磨性能

圖1為不添加 B元素與添加質量分數為0.5%的B元素條件下，不同Cr含量對堆焊層硬度的影響曲線.由圖1可見，當Cr元素的質量分數介于10%～25%時，兩組試樣堆焊層的硬度均隨著 Cr質量分數的增大而增大.當不添加 B元素，且 Cr的質量分數高于25%時，堆焊層硬度逐漸下降.這是因為此時堆焊層中 C元素的含量有限，Cr元素的含量已經飽和，導致 C和Cr元素的結合趨勢降低，因而鉻碳化合物硬質相的含量減少，使得堆焊層硬度降低.當合金中添加質量分數為0.5%的B元素且Cr的質量分數高于25%時，堆焊層硬度繼續增加，且當Cr元素的質量分數為30%時，堆焊層的硬度約為63 HRC.由此可見，B元素的添加可以顯著提高堆焊層的硬度.這是因為加入的B元素可以代替一部分 C元素，因而形成了數量更多且硬度更高的硼化物硬質相，因此，堆焊層硬度隨著 Cr元素含量的增加而增大.

圖1 Cr添加量與堆焊層硬度的關系Fig.1 Relationship between addition amount of Cr and hardness of surfacing layer

圖2為不添加 B元素與添加質量分數為0.5%的B元素條件下，不同Cr添加量對堆焊層磨損量變化的影響曲線.由圖2可見，對于添加了B元素的合金而言，當Cr的質量分數為25%時，堆焊層磨損量達到最低值0.032 7 g；當Cr元素含量介于10%～25%時，隨著 Cr元素質量分數的增加，堆焊層磨損量隨之下降.這是由于Cr元素質量分數的增加形成了更多的硬質相，因而可增大硬質相與基體的接觸面積，從而提高了堆焊層的耐磨性能.此外，由圖2可以觀察到，當Cr的質量分數高于25%時，對于未添加與添加 B元素的合金而言，其堆焊層磨損量均隨之上升.這種試驗現象可以歸結于兩方面原因：一方面是處于飽和狀態的Cr元素導致碳鉻化合物硬質相的含量降低；另一方面是過量的Cr元素促使硼化物等硬質相發生了剝落和脆性斷裂，而脆性材料的剝落形成的凹坑致使堆焊層的磨損量增加.綜上所述，當B元素的質量分數為0.5%且 Cr元素的質量分數為25%時，堆焊層的耐磨性能最佳.

圖2 Cr添加量與堆焊層磨損量的關系Fig.2 Relationship between addition amount of Cr and wear loss of surfacing layer

2.2 堆焊層的顯微組織

圖3為當Cr的質量分數為25%時，不同B元素含量下堆焊層的顯微組織.由圖3a可見，當未添加 B元素時，在堆焊層中觀察到了連續的網狀組織，該網狀組織呈均勻分布但較為稀疏.由圖3b可見，當B元素的質量分數為0.5%時，堆焊層的顯微組織呈樹枝狀，這些樹枝狀組織致密度較高，且與基體的結合面積較大，因而可以提高堆焊層的結合強度.堆焊合金的耐磨性取決于硼化物的大小、形態、分布狀態和化學成分［9］.在磨損過程中，圖3b中的硼化物更不容易脫落，因而有效地增大了磨粒的切削阻力.可見，顯微組織的尺寸、致密度和數量均能顯著影響堆焊層的硬度和耐磨性，尺寸效應十分顯著.

圖4為當Cr的質量分數為25%時，不同B元素添加量下堆焊層的SEM圖像.由圖4a可見，當未添加B元素時，合金堆焊層由共晶組織和初生相構成.大量的鉻碳化合物硬質相在晶界附近偏聚，致使網格邊界組織發生了較為明顯的粗化，且基體組織被共晶體以網狀形態圍繞.由圖4b可見，當B元素的質量分數為0.5%時，合金堆焊層中出現了由硼化物等硬質相構成的共晶組織.這是由于隨著 B元素的加入，共晶點明顯左移，使得堆焊層在正常凝固條件下容易產生更多共晶組織的緣故.

圖3 不同B元素添加量下堆焊層的顯微組織Fig.3 Micro structures of surfacing layer with different addition amounts of B element

圖4 不同B元素添加量下堆焊層的SEM圖像Fig.4 SEM images of surfacing layer w ith different addition am ounts of B element

此外，當B元素的質量分數為0.5%時，共晶組織的形態逐漸向層片狀、菊花狀等形態轉變，且尺寸顯著增大.在層片狀區域中，Cr、B、C等元素被硼化物以非均勻形核的方式吸收，同時伴隨著晶體的不斷形核與長大，最終形成了層片狀共晶組織［10］.當共晶溫度低于合金液相線溫度時，基體產生了很大的過冷度，具有光滑界面的硼化物的生長落后于具有粗糙界面的固溶體，各向異性導致滯后生長的硼化物在剩余空間內發生了枝化，從而產生了菊花狀組織.堆焊層中含有大量的碳、硼化物等硬質相，一方面，這些硬質相呈彌散分布，減少了較軟的基體和磨粒的接觸面積，因而可對擠壓、犁溝、切斷機制起到抵制作用；另一方面，這些硬質相可以起到抗磨耐磨骨架的作用，導致顯微切削運動受到了硬質相顆粒的阻礙作用，且硬質相越密集，阻力越大，因而硬質相的存在可以顯著提高堆焊層的耐磨性.

2.3 堆焊層的物相分析

為了確定堆焊層顯微組織中硬質相的元素組成，利用能譜儀對堆焊層中的典型層片狀組織進行了能譜測定，初步確定了該組織中各元素的成分和含量.層片狀組織中硬質相能譜分析結果如圖5、表2所示.由圖5和表2可知，層片狀組織主要由Fe、Cr、C和B元素組成，可以認為層片狀組織為M23（C，B）6型碳硼化物.共晶組織由多相混合而成，其中 Fe元素的含量最高，而在堆焊層顯微組織的其他部位未曾檢測到 B元素，表明 B元素僅以層片狀形式存在于基體中.

圖5 硬質相能譜分析Fig.5 EDS analysis for hard phase

表2 硬質相能譜分析結果Tab.2 EDS analysis results for hard phase %

圖6為不同B添加量下堆焊層的XRD圖譜.由圖6可見，當不添加 B元素時，堆焊層主要由α-Fe、M23C6相組成.當添加質量分數為0.5%的 B元素時，堆焊層主要由M23（C，B）6、α-Fe和M23C6相組成.由圖6還可以觀察到，M23C6相的衍射峰強度較高，表明其在堆焊層中的含量較高. M23（C，B）6相可與基體緊密地聯系在一起，因而可以降低堆焊層的磨損量.兩種堆焊層中的α-Fe衍射峰均呈現逐漸下降的趨勢，這是由于基體組織逐漸被更多的共晶體環繞的緣故.硼化物的出現改善了堆焊層碳化物的分布形態，提高了碳化物的韌性，從而使得彌散分布在基體中的碳化物可以起到釘扎骨架的作用，因而能很好地抵抗磨粒磨損.此外，不同形態的M23（C，B）6、M23C6硬質相可以起到聯合強化作用，進而大幅度提高了堆焊層的耐磨性能.

圖6 不同B添加量下堆焊層的XRD圖譜Fig.6 XRD spectra of surfacing layer with different addition amounts of B element

3 結 論

通過以上試驗分析可以得到如下結論：

1）當Cr的質量分數為25%、B的質量分數為0.5%時，堆焊層失重為0.032 7 g，耐磨性能較好.

2）Fe-Cr-C-B系堆焊合金中析出的硼化物呈彌散分布.硼化物可改善堆焊層的基體組織，且其致密度和數量顯著影響堆焊層的硬度和耐磨性.

3）當堆焊合金中加入B元素后，堆焊層的顯微組織由M23C6相向 M23（C，B）6相轉變.

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）：

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（責任編輯：尹淑英 英文審校：尹淑英）

Microstructures and wear resistance of Fe-Cr-C-B series flux-cored w ire

LIU Zheng-jun，GOU Jian，JIA Hua，SU Yun-hai
（School of Materials Science and Engineering，Shenyang University of Technology，Shenyang 110870，China）

In order to clarify the influence of Cr and B contents in the flux-cored w ire on the micro structures and properties of surfacing layer，the Fe-Cr-C-B series flux-cored w ire with wear resistance was prepared with self-shield open arc hard facing method.In addition，the micro structures and wear resistance of surfacing layer were investigated with optical microscope（OM），scanning electron microscope（SEM）and X ray diffractometer（XRD）.The results show that the appropriate amount of Cr and B elements can make the properties of surfacing layer more excellent.With the addition of B element，the micro structure of surfacing layer changes from M23C6phase into M23（C，B）6phase.The dispersed borides can be amellar-like and chrysanthemum-like shape.The borides significantly improve the wear resistance of Fe-Cr-C-B series hard facing alloy，and the wear resistance is related to the quantity，tightness and size of borides.The optimal mass fraction of Cr and B elements are eventually determined.

flux-cored w ire；open arc；hard facing；micro structure；surfacing layer；boride；dispersion；wear resistance

TG 406

A

1000－1646（2016）06－0618－05

10.7688／j.issn.1000－1646.2016.06.04

2016－03－16.

遼寧省博士啟動基金資助項目（20131079）.

劉政軍（1961－），男，黑龍江訥河人，教授，博士生導師，主要從事焊接冶金、特種焊接材料和表面強化等方面的研究.

09－07 16∶06在中國知網優先數字出版.

http：∥www.cnki.net／kcms／detail／21.1189.T. 20160907.1606.014.htm l