堆焊Mo-Cr-Fe-B合金覆層的組織及性能研究

李子豪，潘應(yīng)君，柯德慶，黃 遼，常智敏

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081)

通過表面處理技術(shù)提高機械零部件的表面性能(如耐磨性、耐蝕性)是一種經(jīng)濟有效的方法。堆焊技術(shù)能使母材表面獲得良好的耐磨、耐高溫、耐蝕、抗氧化等性能，而且在實際工藝操作上具有很大的靈活性[1]。常用堆焊合金根據(jù)合金成分及堆焊組織特點可分為鐵基[2]、鈷基[3]和鎳基[4]三大類。目前應(yīng)用最廣泛的鐵基堆焊合金材料大多利用碳與合金元素形成碳化物，以碳化物為硬質(zhì)點均勻地分布在韌性較好的基體中，從而提高堆焊層的硬度及耐磨性。硼化物系合金作為理想的覆層材料，因其優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕及耐高溫性能，且與基體結(jié)合程度好、原料成本低而備受重視[5-8]，但此類合金通過堆焊技術(shù)應(yīng)用于表面性能改善的研究很少。為此，本文采用自制的Mo-Cr-Fe-B系藥芯焊絲通過堆焊法在Q235鋼母材表面制備覆層，并分析探討了該覆層的組織、性能及其成型過程。

1 實驗

1.1 試樣的制備

借助線切割機將Q235鋼切割成尺寸為50 mm×30 mm×10 mm的長方體試樣作為基體材料。自制焊絲藥芯化學(xué)成分如表1所示，將藥芯干燥、混勻后裝入外皮經(jīng)拉拔處理后制成直徑為3.8 mm的焊絲，外皮為低碳冷軋H08A鋼帶。采用ZX7-315STG/ZX5-630型氬弧焊機及自制焊絲在基體材料表面堆焊覆層，堆焊工作電流為400 A。

表1 藥芯的化學(xué)成分(wB/%)

1.2 分析與測試

分析試樣取自堆焊所得覆層橫截面部位，在多功能ZEISS Axio plan2型光學(xué)顯微鏡(OM)下觀察試樣的金相組織；借助X’Pert PRO MPD型X射線衍射儀(XRD)對覆層進行物相分析；利用 Nova 400 Nano型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對覆層顯微組織及成分進行表征與分析；使用HX-500型顯微硬度計測定試樣顯微硬度。采用WM-2004型摩擦磨損儀在固定轉(zhuǎn)速條件下以杠桿加載方式分別對堆焊覆層、Q235鋼及硬質(zhì)合金YG8進行磨損試驗，摩擦副材料為T10鋼。

2 結(jié)果與分析

2.1 覆層金相組織分析

圖1為樣品的金相組織照片。從圖1(a)中可見，試樣的鋼基體與覆層之間存在一段組織突變區(qū)(過渡層)，覆層與鋼基體結(jié)合良好，沒有明顯的裂紋、氣孔等缺陷。這是因為在堆焊過程中會產(chǎn)生高溫，焊絲中的藥芯材料與基體的新鮮表面接觸時，基體中的Fe和焊絲中的原料粉末會發(fā)生硼化反應(yīng)，生成硬質(zhì)相，并且在液相化過程中，基體中的Fe也參與了液相的形成，又由于三元硼化物和鋼具有相近的熱膨脹系數(shù)[9-11]，所以覆層能夠與基體形成良好的冶金結(jié)合。圖1(b)表明覆層組織包括白色的鐵基黏結(jié)相、灰色的網(wǎng)狀共晶組織以及黑色的塊狀顆粒。其中灰色的網(wǎng)狀物圍繞塊狀顆粒生長，白色的黏結(jié)相包裹灰色和黑色的硬質(zhì)相。硬質(zhì)相能夠提高覆層的硬度和耐磨性，黏結(jié)相不僅可以提高覆層的韌性，還能夠很好地防止硬質(zhì)相的剝落。

(a)鋼基體-覆層界面

(b)覆層

2.2 覆層物相與能譜分析

圖2為覆層的XRD圖譜，物相分析顯示該覆層組織由Mo2FeB2、M3B2( M：Fe、Cr、Mo )、Fe2B、Fe(Cr、Mo)以及少量的CrB、MoB等相構(gòu)成。

圖3為覆層的SEM照片，在視場中選取3個典型測試點進行EDS成分分析，結(jié)果如表2所示。由于B、C等輕元素偏差較大，故未將其計算在內(nèi)。從測試結(jié)果可見，測試點1中的Mo和Fe的原子數(shù)比例略大于2，表明此處物相不是純Mo2FeB2。由于在高溫下Cr元素可替換Fe元素形成復(fù)合三元硼化物(Fe Mo Cr)3B2(M3B2)[12]，結(jié)合XRD分析可以推測，顆粒狀的陶瓷相是Mo2FeB2和M3B2的混合物;測試點2即共晶組織處的Mo元素含量遠(yuǎn)低于測試點1處的相應(yīng)值，表明形成三元硼化物硬質(zhì)相消耗了大量的Mo，剩余的Cr、B、Mo和Fe元素達(dá)到一定濃度后會形成網(wǎng)狀共晶組織，其中Mo、Cr含量極少，結(jié)合XRD圖譜可以推測共晶組織主要由Fe2B與Fe的固溶體形成；測試點3處含有大量的Fe元素和少量Mo、Cr元素，結(jié)合XRD分析可以認(rèn)定其為Fe的固溶體。

圖2 覆層XRD圖譜

圖3 覆層的SEM照片

測試點MoFeCr154.0224.5819.3929.0759.917.2535.2877.6216.02

圖4為鋼基體-覆層結(jié)合界面處的微觀形貌及界面區(qū)域Mo、Fe、Cr等元素的EDS線掃描圖。線掃描結(jié)果顯示，從鋼基體一側(cè)到覆層一側(cè)存在一個Mo、Fe、Cr元素濃度逐漸變化的過渡區(qū)域。在堆焊過程中，由于在界面兩側(cè)各元素濃度不同，在濃度梯度作用下，覆層內(nèi)高濃度狀態(tài)的Mo、Cr元素穿越液相界面層，不斷向鋼基體表面擴散并固溶在其中。鋼基體中的Fe元素和覆層中的Fe元素都參與了液化過程，在濃度梯度的作用下鋼基體中的Fe元素還會向覆層擴散參與硼化反應(yīng)。隨著熔池的冷卻，在鋼基體-覆層之間便會形成界面過渡層。

圖4 結(jié)合界面SEM照片及EDS線掃描圖譜

Fig.4SEMimageandEDSlinearscanningspectrumofthebindinginterface

2.3 覆層顯微硬度分析

圖5為樣品的顯微硬度曲線。由圖5可見，樣品顯微硬度從Q235鋼基體到覆層處的分布沒有發(fā)生突變，而是存在一個從低硬度到高硬度的漸變區(qū)，這個漸變區(qū)對應(yīng)圖1(a)中所示的過渡層。覆層的硬度最終穩(wěn)定在980HV0.5，遠(yuǎn)高于基體硬度(200HV0.5)，高硬度的覆層有利于提高表面耐磨性，其中厚度約為100 μm的過渡層起到提高覆層與基體結(jié)合強度的作用。

圖5 樣品顯微硬度曲線

2.4 覆層耐磨性能分析

圖6為Mo-Cr-Fe-B系合金堆焊覆層、Q235鋼以及硬質(zhì)合金YG8的磨損曲線。由圖6可見，隨著磨損時間的增加，三種材料的磨損量均會增加，其中覆層和YG8在磨損4 h前的磨損量非常接近，而Q235鋼的磨損量約為前兩者相應(yīng)值的13倍，表明覆層、硬質(zhì)合金YG8的耐磨性遠(yuǎn)高于Q235鋼。因此在Q235鋼基體表面堆焊Mo-Cr-Fe-B系合金覆層能有效提高基體耐磨性，其耐磨性接近硬質(zhì)合金YG8的水平。

圖6 磨損曲線

2.5 覆層組織成型過程的熱力學(xué)分析

在進行堆焊操作時，焊絲在電弧的作用下首先熔化形成一個急速升溫的熔池然后快速冷卻，熔池中會發(fā)生一系列的冶金反應(yīng)，這些反應(yīng)都是在液相中進行的。由于堆焊存在復(fù)雜的熱循環(huán)和快速的凝固過程，有些滿足熱力學(xué)條件的反應(yīng)可能并不會實際發(fā)生。因B元素更易形成硼化物而不是溶入固溶體[12]，故在熔池凝固過程中B元素優(yōu)先通過擴散方式形成硼化物，再者，Mo-Fe-B系合金中Mo2FeB2的吉布斯自由能最低[13]，故Mo2FeB2顆粒可能在高溫熔池中直接析出并在液相中穩(wěn)定存在，生成的M3B2、Mo2FeB2進一步長大時會消耗熔池中大量的Mo、B元素，通常新相顆粒形貌以及顆粒生長方式與顆粒表面能密切相關(guān)[14]。此外，由于B元素在基體金屬中的固溶度并不高，且堆焊過程極短，故B、Mo元素實際中并不能完全形成Mo2FeB2，剩余元素可能會以二元硼化物方式出現(xiàn)，理論上熔池中存在如下反應(yīng)：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能ΔGT可以判斷化學(xué)反應(yīng)進行的方向，圖7為通過HSC chemistry軟件計算的上述各反應(yīng)的ΔGT曲線圖。計算結(jié)果表明這些硼化產(chǎn)物在高溫下的吉布斯自由能均小于0，滿足其在熔池中析出的熱力學(xué)條件。

圖7 吉布斯自由能曲線

圖8 覆層堆焊成型過程示意圖

3 結(jié)論

(1)采用自制Mo-Cr-Fe-B系藥芯焊絲通過堆焊法在Q235鋼基體表面制備覆層，其主要物相組成為Mo2FeB2、M3B2、Fe2B、Fe(Mo、Cr)。

(2)覆層與Q235鋼基體結(jié)合界面處存在一層厚度約為100 μm的過渡區(qū)，過渡區(qū)的形成是元素擴散和化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，它有利于提高覆層和基體的結(jié)合性能。

(3)覆層顯微硬度最高可達(dá)980HV0.5，約為Q235 鋼基體相應(yīng)值的5倍。磨損試驗表明，覆層耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Q235鋼基體，接近硬質(zhì)合金YG8的水平。

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