Fe-Cr-C-Nb藥芯焊絲堆焊合金組織與耐磨性能研究

周 威,朱協彬*,程敬卿

(1.安徽工程大學 機械與汽車工程學院,安徽 蕪湖 241000；2.安徽鼎恒再制造產業技術研究院,安徽 蕪湖 241000)

隨著我國工業生產中機械自動化的進程不斷加快[1]，由于磨損造成的零件失效、設備損壞、資源浪費等已經成為不可忽視的問題。有資料統計,在工業發達的國家,由于各種形式的磨損而造成的能源損耗達到全部消耗的30%左右。在一些條件較為惡劣的行業,如冶金鑄造、電力與采礦、橋梁與建筑等行業,磨損造成的經濟損失更加驚人[2]。而堆焊作為表面強化的工藝方法,因其價格低廉,工作效率高,越來越多地被用于工業生產中各種零件的再制造與修復中[3]。

Fe-Cr-C-Nb系耐磨堆焊材料的抗磨損能力主要來源于其中的M7C3、M3C、M23C6、NbC等相的強化作用[4-6],其中M代表Fe、Cr等元素。由于硬質相含量、形態、種類的不同,堆焊合金的硬度與耐磨性能會存在很大的區別[7-9]。在M3C、M7C3、M23C6、NbC四種碳化物中,M7C3型碳化物的維氏硬度在1 300～2 000之間。對于初生M7C3型碳化物來說,該碳化物的結構為長條六方棱柱型[10],孤立存在于基體金屬內部,可以提供優異的耐磨性能[11-14]。通過改變Fe-Cr-C-Nb藥芯焊絲的配方,提高其合金組織中M7C3型碳化物的含量,改善耐磨性能,并分析不同元素含量對合金微觀組織形態、硬度及抗磨損性能的影響。

1 實驗材料及方法

1.1 堆焊合金的制備

采用藥芯焊絲明弧堆焊方法,在大小為100 mm×150 mm×20 mm的Q235金屬板上制備堆焊層。焊絲的粉末填充率設定在46%左右。所有藥粉在通過60目篩后均勻混合,首先用CXJ8-160藥芯焊絲成型機將焊絲軋成直徑為3.2 mm的焊絲,然后依次減徑0.2 mm,逐漸減小到2.8 mm。焊接工藝參數為：電流大小150～160 A,焊接電壓30～33 V,焊接速度160 mm/min,堆焊6層。堆焊合金成分由焊絲不同配方所得，合金的成分及含量如表1所示。

1.2 堆焊合金的金相組織及相結構分析

堆焊后,線切割制備出10 mm×10 mm×10 mm的金相樣品。對樣品表面進行拋光腐蝕,腐蝕劑為4%硝酸酒精溶液,腐蝕時間8 s。腐蝕后,將樣品置于金相顯微鏡下觀察堆焊合金的微觀結構,并使用X射線衍射儀進行XRD分析。在掃描電子顯微鏡上觀察樣品的微觀結構,并用能譜儀分析微區成分組成。

表1 堆焊合金成分及含量(質量分數%)

1.3 堆焊合金硬度與耐磨性能測試

使用HVS-1000B數字顯微硬度測試儀測試堆焊合金的硬度,負載30 kg,加載時間20 s。取40 mm×20 mm×10 mm試樣,每個測量樣品的表面均勻地選擇10個點測量,去除最大值和最小值之后取平均值。隨后,在CFW-1M磨料磨損試驗機上進行磨料磨損試驗,摩擦副轉速100 r/min,附加載荷350 g。從平均摩擦系數圖中,以相同的間隔取10個數據點,并將其平均值作為樣品的平均摩擦系數。文中的所有試驗均在實驗室正常環境中進行。

2 實驗結果及分析

2.1 堆焊合金組織XRD分析

圖1 堆焊合金的XRD圖譜

Fe-Cr-C-Nb藥芯焊絲表面合金的XRD圖譜如圖1所示。由圖1可以看出,Fe-Cr-C-Nb堆焊合金存在的相有γ-Fe + M7C3+ Fe-Cr合金+ NbC+Fe3C。其中,γ-Fe、M7C3、Fe-Cr合金具有最高的衍射峰,說明合金主要組織為γ-Fe、M7C3和Fe-Cr合金,其中γ-Fe與Fe-Cr合金作為基體組織,M7C3作為碳化物增強相；而NbC與Fe3C(滲碳體)的衍射峰強度較低,說明堆焊金屬中存在NbC與滲碳體相,但是含量較少。對比圖1中的兩組試樣可以看出，1號試樣的γ-Fe、M7C3、Fe-Cr合金、Fe3C相的衍射強度較高,而4號試樣的NbC相的衍射強度高。

2.2 堆焊合金微觀組織分析

堆焊制備的合金金相組織如圖2所示,結合圖1可知,1號與2號試樣的組織都為γ-Fe+M7C3+Fe-Cr組織+NbC+Fe3C,但是金相的組織形態大不相同。1號試樣的組織太過細小分辨不清,2號試樣可以清晰分辨其組織與晶界。其中2號試樣的白色組織為M7C3相,黑色組織應為γ-Fe+ Fe-Cr合金混合組成的基體組織,其中Cr可以置換Fe3C中的Fe原子形成Fe-Cr復合組織。

圖2 堆焊合金金相照片

堆焊合金掃描電子顯微鏡圖片如圖3所示。堆焊合金微區的化學成分如表2所示。由圖3及表2可知,1號試樣的大部分組織由共晶碳化物M7C3+Fe-Cr基體組成,其中圖3b所標示點為大量細小碳化物顆粒；1號試樣的共晶碳化物在光學顯微鏡下分辨不清,但在掃描電鏡下可以看到其形貌為蠕蟲狀,如圖3a所示。

圖2b中的2號試樣的金相組織為初生M7C3碳化物+共晶M7C3碳化物+基體。初生(Cr,Fe)7C3碳化物的主要形貌是六邊形長棱柱狀,內部存在空洞,在金相觀察的方向不同時,觀察到的金相橫截面可以為六邊形、長條形、不規則條形或條狀的多邊形，如圖3c中C點所示。從圖3c、圖3d中還可以觀察到,2號樣品的共晶碳化物含量較少,且大都分布于初生碳化物周圍,如圖3d中D點所示。因此,當堆焊金屬中的C含量為3%時,初生 M7C3碳化物的尺寸較小,共晶 MC3+Fe-Cr基體作為1號試樣堆焊金屬的主要相存在,初生(Cr,Fe)7C3碳化物僅少量存在,且晶粒尺寸細小；在2號試樣中,C的含量增加到5%時,其碳化物的尺寸粗大并且體積分數大大增加。堆焊合金中的共晶M7C3相和Fe-Cr基體逐漸轉變為初生M7C3碳化物,使得初生碳化物的含量大大增加。因此,2號樣品的主相為初生M7C3碳化物+共晶M7C3碳化物+ Fe-Cr基體,其中初生碳化物結構特征最為明顯。

圖3 堆焊合金掃描電子顯微鏡圖片

編號FeCrCNbA37.3128.8833.690.12B62.9428.278.750.04C43.7527.0729.180.00D59.3722.8517.780.00E0.000.0054.4445.56

兩種堆焊合金試樣掃描電子圖片如圖4所示。由表2及圖4可以看出,圖4b中E點所指的非六邊形的白色相,其C與Nb含量較高,原子比例為1∶1,無其他元素存在,可以判斷該相為NbC硬質相。另外從圖4b可以發現，NbC與M7C3碳化物的形狀有較大不同,NbC形態以多邊形為主,多分布于M7C3組織之間或者鑲嵌在M7C3碳化物中。其中，圖4b中E點所標示的NbC硬質相就鑲嵌在M7C3碳化物中，圖4a中白色發亮的組織為分布在碳化物周圍的NbC硬質相；在低倍數的電子顯微鏡下可以看到，NbC硬質相彌散分布在堆焊金屬中,并且大部分都附著在碳化物上。這是因為在1號試樣中,其主要結構共晶M7C3組織晶粒過于細小,NbC很難鑲嵌在其中,只能附著在碳化物上；當組織中的Nb與C的含量較少時,無法形成尺寸較大、形態規整的NbC顆粒,細小的NbC顆粒會產生偏聚現象,互相吸引聚集在晶界間或者依附在碳化物上,其中NbC偏聚長大會使其形態發生變化,變為不規則形狀。

圖4 堆焊合金掃描電子顯微鏡圖片

2.3 堆焊合金的硬度和耐磨性

在本次實驗中,使用明弧堆焊的方法制備堆焊層,在Q235堆焊基體上堆焊4層,并在室溫下冷卻,取堆焊層表面的金屬進行硬度和摩擦磨損試驗,并測量每組試樣磨損前后的絕對失重量。

堆焊合金的硬度與耐磨性能如表3所示。由表3可知,本次試驗中兩組試樣的平均硬度都超過55 HRC,并且2號試樣的洛氏硬度為60 HRC,達到實際生產使用水平；堆焊合金的均值摩擦系數如圖5所示。由表2及圖5可知,對比兩組試樣,2號試樣在硬度與耐磨性方面要優于1號。其主要原因是1號試樣的強化相是共晶M7C3碳化物與NbC硬質相；2號試樣的強化相為初生M7C3碳化物+共晶M7C3碳化物+NbC硬質相,并且初生碳化物作為主要組織存在。由于初生碳化物為六角長棱柱型,可以深入到基體內部,大量的初生碳化物組成一種抗磨損的“骨架”結構,并且γ-Fe與Fe-Cr合金混合形成層片狀珠光體組織,作為支撐結構包裹初生碳化物。作為抗磨損“骨架”的初生 M7C3碳化物可以保護硬度較低的基體,減少外力對基體組織的擠壓與割裂,提高合金的耐磨損能力。而韌性較好的基體又支撐碳化物骨架,防止碳化物在外力作用下破碎斷裂,提高合金的抗沖擊韌性。因此,在2號試樣中,初生碳化物與Fe-Cr基體相互配合、相互支撐的結構,有效改善了堆焊金屬的耐磨性能。

表3 堆焊合金的硬度與耐磨性能

圖5 堆焊合金的均值摩擦系數

此外,NbC硬質相也起著很重要的作用,有一部分的 NbC硬質相以鑲嵌在初生碳化物中的方式存在,這進一步增強了初生M7C3碳化物的硬度。并且在晶界之間分布的NbC硬相還可以有效地減少在基體結構的支撐下,外部磨粒對組織的損害。它還阻礙了NbC硬相在磨損時的斷裂脫落。因此,NbC硬質相與初生碳化物和Fe-Cr復合基體的共同配合進一步改善了堆焊合金的硬度和耐磨性。

3 結論

(1)該堆焊合金組織都為馬氏體+奧氏體+M7C3型碳化物+NbC硬質相。

(2)配方元素含量為C 3%、Cr 12%、Nb 4%時,堆焊組織為共晶組織,由共晶 M7C3碳化物+Fe-Cr復合基體組成,其硬度為55 HRC,摩擦系數是0.35；當配方元素含量調整為C 5%、Cr 12%、Nb 6%時,其堆焊組織為亞共晶組織,由初生M7C3碳化物+共晶 M7C3碳化物+Fe-Cr復合基體組成,其硬度提高到60 HRC,而摩擦系數降低到0.29。

(3)Fe-Cr-C-Nb系堆焊金屬中的初生碳化物與Fe-Cr基體以及NBC硬質相之間的良好匹配可以使堆焊金屬的硬度從55 HRC提高到60 HRC,均值摩擦系數從0.35降低到0.29,力學性能明顯提高。