藥芯焊絲明弧堆焊Fe-Cr-C-B合金組織及耐磨性*

賈 華，李 萌，劉政軍

(1.大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 大連 116300；2.沈陽工業大學 材料科學與工程學院，沈陽 110870)

近年來，在多種堆焊材料中藥芯焊絲作為第四代焊接材料其發展較為迅速[1].根據合金體系不同，藥芯焊絲可以分為鐵基合金系、鈷基合金系和鎳基合金系等.鐵基合金價格低廉且成分容易調整，能夠滿足許多不同工況要求.采用價格低廉且性能穩定的B元素作為合金中的主要添加元素引起了國內外科研工作者的廣泛關注[2-4].在Fe-Cr-C合金中加入B元素，能夠形成硬度和熱穩定性都高于碳化物的硼化物或硼碳化物，從而使堆焊合金的硬度和耐磨性大幅度提高[5-6].目前關于硼的研究多集中在鑄造硼合金和氣體保護耐磨堆焊等方向[7-9]，而關于采用合金元素自保護藥芯焊絲制備鐵基耐磨堆焊合金的研究較少.因此，本文制備了Fe-Cr-C-B自保護耐磨堆焊藥芯焊絲，采用明弧堆焊方法在基體金屬表面制備耐磨堆焊合金，研究了硼含量對Fe-Cr-C-B堆焊合金組織和性能的影響，研究結果對基礎研究和工程化應用具有一定意義.

1 試驗方法

采用藥芯焊絲成型設備制備直徑為2.8 mm、包粉率為45%的藥芯焊絲，選用尺寸為16 mm×0.3 mm的H08A碳鋼鋼帶.藥粉由高碳鉻鐵(w(Cr)=60.6%，w(C)=8.24%)、硼鐵(w(B)=18%)、石墨(純度為99.5%)和鐵粉(純度大于99%)等粉末組成，并添加少量CaF2、CaO、Al2O3和Al粉末作為造渣劑.在試驗過程中藥芯焊絲藥粉中鉻、碳和造渣劑的質量分數分別為35%、10%和4%，硼的添加量分別為0%、1%、2%、3%和4%，余量為還原鐵粉.

采用MZC-1250型埋弧焊機在尺寸為100 mm×80 mm×12 mm的Q235鋼表面進行明弧堆焊試驗，堆焊層數為三層.堆焊工藝參數為：電弧電壓25～30 V，焊接電流200 A，焊接速度10 mm/s，焊絲干伸長15 mm.堆焊結束后，將堆焊試板表面打磨平整，在焊縫中間部位垂直于焊縫表面切取試樣進行檢測分析.

利用硝酸酒精溶液腐蝕金相試樣后，分別采用OMLPUS BX-6型金相顯微鏡和S3400N型掃描電鏡對堆焊層的顯微組織進行觀察.采用布魯克D8型X射線衍射儀對堆焊層的物相進行分析.采用HRC-150型洛氏硬度計進行宏觀硬度測定.采用HV-1000型維氏硬度計測量堆焊層組織的顯微硬度，試驗加載時間為10 s，施加載荷為0.1 kg，進行多點測量并取平均值作為最終結果.采用橡膠輪式濕砂磨料磨損試驗機進行磨損試驗，磨料為石英砂，磨損試驗參數為：膠輪轉速240 r/min，膠輪直徑150 mm，膠輪表面壓力1.5 MPa，磨損時間3 min.磨損前后分別采用分度值為0.1 mg的TG328A型分析天平測量試樣質量，并計算出試樣的磨損質量.完成磨損試驗后，采用酒精溶液對磨損試樣表面進行清理，然后利用S3400N型掃描電鏡觀察其磨損表面形貌.

2 試驗結果及分析

2.1 堆焊層的顯微組織分析

圖1為當硼添加量為3%時堆焊層的XRD圖譜.由圖1可見，堆焊層的基體組織主要由馬氏體和少量殘余奧氏體組成，硬質相由M3(C，B)、M23(C，B)6和M7(C，B)3碳硼化物組成，其中M代表Fe和/或Cr元素.

圖1 硼添加量為3%時堆焊層的XRD圖譜

圖2為不同硼添加量下堆焊層的金相組織形貌.表1為堆焊層的實際化學成分.結合圖2和表1可以看出，該堆焊合金屬于典型亞共晶組織，其顯微組織主要由呈樹枝狀分布的奧氏體初生相(γ-Fe)和共晶硬質相(M3(C，B)、M23(C，B)6、M7(C，B)3)組成，且共晶硬質相呈連續網狀分布在奧氏體初生相周圍.當不添加硼時，奧氏體初生相較多，共晶硬質相較少(見圖2a).隨著硼添加量的不斷增加，奧氏體初生相逐漸減少，共晶硬質相不斷增加(見圖2b～d).當硼的添加量為4%時，奧氏體初生相最少，晶粒最細小，而共晶硬質相最多(見圖2e).在凝固過程中具有亞共晶成分的堆焊合金在液相中將首先析出奧氏體初生相，隨著溫度的不斷下降，奧氏體初生相將逐漸長大.當溫度下降到1 148 ℃時，殘余液相會發生共晶轉變并生成共晶硬質相.當不添加硼時，堆焊層中只有碳能與鉻或鐵元素反應生成共晶硬質相，由于碳含量有限，所以生成的共晶硬質相碳化物較少.隨著硼的加入，硼在鐵中的溶解度(α-Fe中溶解度小于0.000 4%，γ-Fe中溶解度小于0.02%)很小[10]，促使大部分硼都被遷移到初生奧氏體周圍液相中并參與共晶反應，所以生成的共晶硬質相碳硼化物增多.當碳含量一定時，碳硼化物的體積分數符合指數曲線y=7.078e0.822x的變化趨勢，即隨著硼添加量的增加，碳硼化物也隨之增多[7].

圖2 不同硼添加量下堆焊層的金相組織形貌

表1 堆焊層的化學成分(w)

圖3為不同硼添加量下堆焊層的掃描組織形貌.由圖3可見，隨著硼添加量的增多，碳硼化物硬質相逐漸增多，且形態也發生了變化.當硼的添加量為1%時，共晶組織大部分呈魚骨狀和蜂窩狀，少量呈菊花狀(見圖3b).當硼的添加量為2%時，共晶組織中魚骨狀和蜂窩狀組織有所減少，出現了菊花狀組織(見圖3c).隨著硼添加量的繼續增多，堆焊層中的菊花狀和層片狀組織不斷增多，且還出現了塊狀組織(見圖3d).當硼的添加量為4%時，堆焊層中的菊花狀、層片狀和塊狀組織最多(見圖3e).另外，由圖3還可以看出，隨著硼添加量的增多，呈樹枝晶狀分布的初生奧氏體晶粒尺寸和數量逐漸減小，且晶粒中還有針狀馬氏體生成.這是由于當硼添加量較少時，未參加反應的鉻元素固溶在初生奧氏體中，增加了初生奧氏體的穩定性，由于初生奧氏體在冷卻過程中不發生相轉變，因而堆焊層基體組織中殘余奧氏體的含量較高.隨著硼添加量的增多，硼和碳可以與鐵或鉻形成大量的碳硼化物，一方面降低了基體組織的含量，另一方面由于鉻參加反應導致奧氏體的組織穩定性變差，使其在焊接快速冷卻過程中轉變為馬氏體.另外，硼也可促進基體組織轉變為馬氏體.

采用電子能譜儀對硼添加量為3%時堆焊層組織中的a～d點進行相成分分析(見圖4)，同時采用HV-1000型維氏硬度計測定各點組織的顯微硬度.結果表明，a點主要元素C、B、Cr和Fe的原子分數分別為10.38%、10.93%、10.20%和68.49%，測定其顯微硬度為1 059.1 HV，由此結果可以推斷出該菊花狀組織中(Cr+Fe)∶(C+B)≈23∶6，證明該組織為M23(C，B)6型碳硼化物.b點主要元素C、B、Cr和Fe的原子分數分別為10.61%、10.80%、10.45%和68.14%，測定其顯微硬度為1 035.2 HV，由此結果可以看出該層片狀組織中(Cr+Fe)∶(C+B)≈23∶6，證明該組織也為M23(C，B)6型碳硼化物.a點組織呈菊花狀，而b點組織呈層片狀，其形態不同，但經過檢測它們都屬于M23(C，B)6型碳硼化物.在層片狀區域硼化物首先以非均勻形核方式長大并吸收周圍的Cr、B和C等元素，同時促進了奧氏體的形成和長大，兩相相互促進，交替形核，最終形成層片狀形貌.在菊花狀區域由于合金液相溫度高于共晶溫度，使得基體組織具有較高的過冷度，具有粗糙界面的固溶體生長超前于具有平滑界面的硼化物而任意長大，因而形成菊花狀共晶組織.c點主要元素C、B、Cr和Fe的原子分數分別為17.61%，14.76%、16.11%和51.52%，測定其顯微硬度為1 238.6 HV，由此結果可以看出該塊狀組織中(Cr+Fe)∶(C+B)≈7∶3，證明該組織為M7(C，B)3型碳硼化物.d點主要元素C、B、Cr和Fe的原子分數分別為6.75%、7.31%、3.7%和82.24%，測定其顯微硬度為561.7 HV，由此結果可知該處組織為固溶了少量C、Cr和B元素的基體組織.在堆焊合金中由于硼的原子半徑與碳相近，鉻的原子半徑與鐵相近，當堆焊合金結晶形成碳化物時，硼能夠取代碳原子的位置固溶在碳化物中，而鉻原子可以置換部分鐵原子，所以形成了M3(C，B)、M23(C，B)6和M7(C，B)3多元復合碳硼化物.在共晶碳化物中鉻原子的置換和硼原子的固溶促使共晶碳化物產生了晶格畸變，因而組織的硬度和強度均得以提高.因此，M3(C，B)、M23(C，B)6和M7(C，B)3多元復合碳硼化物的生成有利于改善堆焊合金的耐磨性.

圖3 不同硼添加量下堆焊層的SEM形貌

圖4 硼添加量為3%時堆焊層的EDS分析

2.2 堆焊層的耐磨性分析

圖5為不同硼添加量下堆焊層的硬度和磨損量曲線.由圖5可見，當不添加硼時，堆焊層硬度最低，磨損量最大.隨著硼的加入，堆焊層硬度增加，磨損量先減少后增加.當硼的添加量達到3%時，堆焊層的磨損量達到最小值0.362 9 g，此時其硬度為61.5 HRC.繼續增加硼的添加量到4%時，堆焊層硬度達到最高值64 HRC，但磨損量與硼添加量3%時相比，卻出現了增加趨勢.這是由于隨著硼添加量的增大，堆焊層中共晶硬質相增多，基體組織和晶粒尺寸減小，初生奧氏體相逐步轉變為馬氏體，碳硼化物增多，因而可以促使堆焊層硬度增加[11].堆焊層硬度增加后，磨料很難楔入并進行犁削，促使其耐磨性增加.但是，隨著硼添加量的不斷增大，當基體組織減少并轉變為針狀馬氏體后，則不能為大量共晶硬質相提供良好的韌性支撐，導致共晶硬質相在與磨料相互作用時容易成塊脫落，而且脫落的硬質相還會成為堅硬的磨料，因而堆焊層的耐磨性下降.由此可見，硼的最佳添加量為3%.

圖5 不同硼添加量下堆焊層的硬度和磨損量曲線

3 結 論

通過以上分析可以得到如下結論：

1)Fe-Cr-C-B堆焊合金的基體組織由馬氏體和少量殘余奧氏體組成，硬質相由M3(C，B)、M23(C，B)6和M7(C，B)3相組成.隨著硼添加量的增多，基體組織轉變為馬氏體，且菊花狀、層片狀和塊狀硬質相增多.

2)M23(C，B)6和M7(C，B)3相硬度較高，當其在組織呈均勻彌散分布時，能夠有效阻礙磨料的楔入與犁削作用，進而可以提高堆焊合金的耐磨性.

3)當硼的添加量為3%時，基體組織與共晶硬質相之間達到最佳匹配，堆焊層硬度為61.5 HRC，磨損量為0.362 9 g，此時堆焊層耐磨性最佳.