多元合金在強(qiáng)化高鉻堆焊合金微觀組織及其耐磨性中的作用研究

董兵天，許鵬

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

以鉻元素為基本組成元素的合金，是一種熔化難度較大的合金，這是因?yàn)殂t元素的熔點(diǎn)很高，為1860℃。20世紀(jì)50年代，人們開(kāi)始對(duì)高溫材料鉻合金進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)合金中的鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到一定比例時(shí)，合金的塑性變差。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，只有加入能沉淀固溶合金元素的碳、氧、氮元素等間隙雜質(zhì)元素（也稱“凈化元素”），才能改善高鉻合金的塑性和高溫抗蠕變性能，這一過(guò)程也被稱為沉淀強(qiáng)化或彌散強(qiáng)化，這類合金被稱為沉淀強(qiáng)化合金和彌散強(qiáng)化合金。

1 多元合金強(qiáng)化機(jī)制

合金強(qiáng)化是一個(gè)相對(duì)廣泛的概念，目前還沒(méi)有具體的規(guī)范和定義。根據(jù)其原理，人們一般可以認(rèn)為是在一些金屬中加入合金元素，提升合金的塑性和形變強(qiáng)度，確切地說(shuō)，是提升金屬抗形變能力的一種有效且常用的方式。具體的過(guò)程則是，合金元素以多種形式共存于一個(gè)基體中，合金元素作為溶質(zhì)原子無(wú)序分布于固溶基體中，與溶劑原子構(gòu)成一種有序的結(jié)構(gòu)，最終形成與基體不同的彌散質(zhì)點(diǎn)，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)和成分有區(qū)別，最終的產(chǎn)物是復(fù)相混合物，而這些混合物兼具了間隙元素的一些特性，如難溶、室溫塑性好、高溫抗蠕變性能等，具體表現(xiàn)為對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有不同程度的阻礙效果，提升了合金的強(qiáng)度。也有一些通過(guò)改變基體的點(diǎn)陣類型，細(xì)化基體的晶粒大小，增大基體的淬透性，增大原子間的結(jié)合力，進(jìn)而增強(qiáng)原子的自擴(kuò)散性能，間接地提升合金的強(qiáng)度。合金主要組成元素不同，其強(qiáng)化過(guò)程和強(qiáng)化機(jī)制也會(huì)存在一些差異?？傮w而言，可分為沉淀強(qiáng)化合金機(jī)制和彌散強(qiáng)化合金機(jī)制。

1.1 沉淀強(qiáng)化合金

沉淀強(qiáng)化合金是加入了一些能沉淀固溶合金元素的間隙元素，如C、O、N等間隙雜志元素，與合金材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致合金原子的位錯(cuò)力學(xué)作用不同，而相互作用，形成位錯(cuò)滑移的障礙，最終以均勻的單相固溶體形式存在，從而改變強(qiáng)化合金原有的塑性和形變性能的過(guò)程。以合金碳化物為例，加入一定量的碳元素后，碳元素與材料中的固溶合金元素發(fā)生反應(yīng)。從微觀方面來(lái)說(shuō)，一般由于碳化物的熔點(diǎn)高，在高溫下相對(duì)穩(wěn)定，不易聚集，可以阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大，減緩?qiáng)W氏體的形成速度，對(duì)鈦合金材料的影響較為顯著。氮化物也有相同的特點(diǎn)，但是，加入的元素自身特性不同，所形成的合金具有的特性不同，鎢、鉬、鉻等元素對(duì)合金的沉淀效果就相對(duì)弱一些，對(duì)硅、鎳等的非碳化物組成元素的影響就更弱了，幾乎沒(méi)有。

1.2 彌散強(qiáng)化合金

彌散強(qiáng)化是從技術(shù)方面來(lái)講的，是利用合金中的第二相質(zhì)點(diǎn)，配合引入內(nèi)氧化和粉末燒結(jié)的方法。彌散強(qiáng)化中的質(zhì)點(diǎn)一般會(huì)利用硬度較高的氧化物、氮氧化物和鉻合金等。原理是通過(guò)合金中原子的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的不同作用效果，改變合金的形變性能。瑞典專利中披露了一種FeCrAl彌散強(qiáng)化材料，這種材料一般是由鈷、鎳、硅、錳、鋯、鈦和少量的釔以及鉿元素進(jìn)行結(jié)合，當(dāng)這種合金加熱到1050～1200℃時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熔融效果，活性變大，可以提升合金的抗蠕變強(qiáng)度，一般用于制作輻射管。瑞典又有一項(xiàng)專利提出了一種利用氣體霧化工藝來(lái)生產(chǎn)FeCrAl彌散強(qiáng)化材料的方法。在這項(xiàng)申請(qǐng)中提到的主要是生產(chǎn)含有鈦的彌散強(qiáng)化材料，TiN和TiC的小顆粒在填料時(shí)形成，部分顆粒會(huì)附著在堆焊的熔融管嘴上，形成堆焊，導(dǎo)致管口堵塞。

2 堆焊合金

堆焊是一種將金屬熔化堆在工具或機(jī)器零件上的焊接方法，具體從概念方面來(lái)講，是一種用于結(jié)合兩及以上零件或者結(jié)構(gòu)部件的工藝。常被用作修復(fù)機(jī)件磨損或崩裂的部分，常見(jiàn)方式有電焊或氣焊法。高鉻堆焊合金是一種以鉻為基體的含有多種金屬元素的合金，本研究特指一種彌散強(qiáng)化合金，其元素組成及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如下：碳（C）為小于等于0.08%，硅（Si）為小于等于0.7%，鉻（Cr）為10%～25%，鋁（Al）為1%～10%，鉬（Mo）1.5%～5%，錳（Mn）為小于等于0.4%，鐵（Fe）為平衡量即可，還有一些常見(jiàn)的雜質(zhì)。這些間隙雜質(zhì)優(yōu)先選擇鉿、鋯、氮、碳和氧。

3 多元素合金對(duì)堆焊組織的耐磨性能和抗裂變性能的影響

在高溫1200℃下，元素鉻Cr和碳C可以形成（Cr，F(xiàn)e）7C3和（Cr，F(xiàn)e）23C6碳化物硬質(zhì)相。當(dāng)磨料與材料表面接觸時(shí)，一般會(huì)出現(xiàn)犁溝和微觀切削兩種材料去除過(guò)程。犁溝是由于材料受到磨料的擠壓而向兩側(cè)蔓延形成的隆起，置于其間的擠壓痕，這種操作會(huì)形成二次切屑。微觀切削是材料在磨料的作用下發(fā)生如刨削一樣的切削現(xiàn)象，這樣的操作會(huì)形成一次切屑。由于各元素與碳元素發(fā)生反應(yīng)所形成的碳化物都是以硬質(zhì)相存在于堆焊層組織中的，這樣會(huì)導(dǎo)致堆焊層硬度變大，阻礙了磨料在材料亞表層的滑動(dòng)。從微觀上講，也是一種位錯(cuò)力學(xué)的作用，這樣就有效地抑制了犁溝及微觀切削現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到了增強(qiáng)堆焊層耐磨性能的效果。

4 具體的多合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)調(diào)整

針對(duì)獲得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以考慮從以下角度有針對(duì)性地改善高鉻合金在堆焊組織中的相關(guān)性能。

4.1 增加碳元素的含量

鉻基于其本身的耐腐蝕性和抗氧化性，可以有效提升合金的相應(yīng)性能，但是，由于其耐高溫和硬度大等特點(diǎn)，塑形性較差。加入足量的碳元素，會(huì)使得高鉻合金的堆焊層組織率先出現(xiàn)碳化物——含鉻滲碳體（Cr，F(xiàn)e）3C，然后出現(xiàn)碳化鉻（Cr，F(xiàn)e）7C3，最終出現(xiàn)（Cr，F(xiàn)e）23C6。這些碳化物的硬質(zhì)相本質(zhì)對(duì)提升合金的抗磨損性能起著重要作用。

4.2 調(diào)整鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使之與碳含量相匹配

鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不是越高越好，基于其固溶強(qiáng)化作用，會(huì)使合金中的鐵素體組織增加，奧氏體組織減少，堆焊層的硬度和耐磨性能也不可避免地增加，但可塑性變差，脆性變大。因此，只有加入的鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)與所需的碳含量控制在一定的配比范圍內(nèi)，才能基于碳的間隙凈化性能沉淀產(chǎn)生的殘余奧氏體與硬質(zhì)相基體組織結(jié)合，獲得良好的韌性和硬度調(diào)控效果，進(jìn)而獲得良好的耐磨性能。根據(jù)劉政軍等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在11%～25%范圍內(nèi)時(shí)，隨著鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，試樣堆焊層的平均硬度呈直線趨勢(shì)從HRC47.8增加到HRC56.2。分析其原因，是在進(jìn)行堆焊實(shí)驗(yàn)時(shí)，碳元素在高溫作用下，呈現(xiàn)出良好的活性和親和力，特別是對(duì)合金元素Cr的親和力較好。在高溫熔池中，鉻元素與C形成了Cr73和Cr23C6等硬質(zhì)相。隨著Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，硬質(zhì)相Cr7C3和Cr23C6的比例也會(huì)逐漸增加，這些硬質(zhì)相具有較大的硬度，所以堆焊層的硬度也增加了，堆焊層耐磨性也有了顯著提高。實(shí)驗(yàn)給出的結(jié)論是當(dāng)鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%時(shí)，堆焊層中Cr7C3的含量很多，形狀、分布都很均勻，在這一范圍下，堆焊層的硬度和耐磨性能處于最佳值。當(dāng)鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)25%時(shí)，碳化物的含量已經(jīng)相對(duì)固定，不再增加。繼續(xù)增大鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)，反而會(huì)使得生產(chǎn)成本增加，而對(duì)應(yīng)的耐磨性則沒(méi)有明顯變化。

4.3 適當(dāng)增加硅、鋁、硼、鎢、氮等其他元素，與鉻和碳元素形成多元合金

根據(jù)劉政軍等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，鉻、硼、鎳、鎢、釩、碳等多合金元素配比是相對(duì)理想的多元合金組合，這樣研制出的堆焊合金除了具有優(yōu)異的抗磨損性能外，其脆性還會(huì)減弱，韌性增強(qiáng)，獲得良好的抗裂性能及優(yōu)異的硬化性能。多元合金的優(yōu)勢(shì)較為明顯。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)多元合金機(jī)制進(jìn)行探究，分析了沉淀強(qiáng)化機(jī)制和彌散強(qiáng)化機(jī)制，大致探索出多元合金對(duì)高鉻堆焊層組織的耐磨性能的優(yōu)化影響，從增加碳元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、研究最優(yōu)鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，增加硅、鋁、硼、鎢、氮等其他元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾個(gè)方面，得出碳元素等親和性較好的間隙元素在加入了高鉻堆焊合金后，能有效提升高鉻合金堆焊層的硬度、韌性、耐磨性和抗蠕變性能。