Fe/C配比對等離子堆焊Fe-Cr-C合金組織及性能的影響

魏 煒，黃智泉，楊 威，張海燕

1.鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450001

2.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000

0 前言

大型機(jī)械裝備常因磨損、腐蝕或磨蝕而失效報廢，造成巨大浪費(fèi)［1］。因此，為了提高裝備服役周期，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對其耗損部件進(jìn)行修復(fù)迫在眉睫。堆焊制造與再制造技術(shù)逐步成為一種快速便捷的工藝修復(fù)途徑［2］。

等離子堆焊是利用焊槍內(nèi)部的鎢極（電流負(fù)極）以及基體（電流正極）之間產(chǎn)生的等離子體作為熱源，將熱量轉(zhuǎn)移至工件表面，并向該熱能區(qū)域送入焊接粉末，使其熔化后沉積在工件表面，從而實(shí)現(xiàn)零件表面強(qiáng)化和硬化的堆焊工藝。相比于選區(qū)激光熔化技術(shù)，等離子弧堆焊層致密度高、冶金缺陷少，在合適工藝條件下可獲得無缺陷、成形良好的熔敷涂層［3］，是一種能廣泛適應(yīng)各種高合金、高性能材料如Co、Cr、W等堆焊要求的弧焊方法［4］，具有較高的熔敷效率和低稀釋率，符合綠色制造的發(fā)展趨勢，在制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

Fe-Cr-C耐磨堆焊合金是典型的自生碳化物強(qiáng)化的復(fù)合材料，堆焊層基體組織是初生碳化物+殘余奧氏體+共晶碳化物+少量馬氏體，具有成本低、硬度高、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于材料表面強(qiáng)化領(lǐng)域，但堆焊層韌性差，易產(chǎn)生裂紋和脆斷等缺陷［5-7］。鄧德偉等人［8-10］利用等離子堆焊技術(shù)在304L不銹鋼表面堆焊Fe90自熔性合金粉末，研究發(fā)現(xiàn)堆焊層組織由馬氏體、（Cr，F(xiàn)e）7C3、CrFeB、CrB與Fe3Si組成，硬度是基材的3.5～5.2倍，磨損量下降80%～85%；堆焊電流為130 A時，堆焊層的硬度最高，耐磨性最佳。

本文采用等離子堆焊和鋪粉技術(shù)，研究了粉體中Fe/C配比對堆焊合金組織及耐磨性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)用基材為尺寸200 mm×350 mm×25 mm的Q235鋼板，4組試樣的w（Cr）/w（C）比為5∶1，調(diào)整Fe/C配比分別為10∶1、8∶1、4∶1和0。按表1所示比例進(jìn)行混合后加入5%的高錳酸鉀溶液，以鋪粉的方式在Q235鋼板表面壓制成厚3 mm的粉塊，隨后采用PTA-400E3-2000LM等離子焊機(jī)（見圖1）將壓制成形的粉塊熔焊到Q235鋼板表面。焊接工藝參數(shù)為：焊接電流150 A，離子氣流速5 L/min，焊接速度150 mm/min，擺幅10 mm，擺速1 400 mm/min。

圖1 等離子堆焊設(shè)備Fig.1 Plasma hardfacing equipment

表1 合金粉塊化學(xué)成分配比（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition ratio of alloy powder blocks（wt.%）

采用電火花線切割制備用于顯微分析的試件（尺寸15 mm×15 mm×12 mm）和用于耐磨性測試的試件（尺寸25 mm×25 mm×12 mm）。采用蔡司Scope1型金相顯微鏡觀察堆焊層的微觀組織形貌。采用Ther-mofisher ARL3460型光譜儀對試樣堆焊層進(jìn)行成分檢測，采用飛納X1型掃描電鏡觀察試樣微觀組織形貌。通過二值法對堆焊合金中硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行計(jì)算。采用T700型硬度儀測試試樣硬度，每組試樣測試5次，結(jié)果取平均值。每種耐磨試件切取3個，依據(jù)ASTM G99—04《銷盤式摩擦試驗(yàn)測試方法》對堆焊合金進(jìn)行耐磨試驗(yàn)，摩擦副為直徑9.5 mm的氧化鋯陶瓷球，載荷為100 N，轉(zhuǎn)速為60 r/min，連續(xù)磨損60 min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 焊道表面成形

4種等離子堆焊試樣焊后表面成形形貌如圖2所示。不含F(xiàn)e的試樣4#的焊道成形最差，焊接過程中電弧吹力以及保護(hù)氣都會將尚未與基體形成冶金結(jié)合的粉塊吹開，焊道虛焊、咬邊現(xiàn)象明顯，難以成形。當(dāng)粉塊中的Fe/C配比上升時，焊道成形趨好，其中試樣1#、2#焊道存在咬邊且焊道鋪展性差，特別是起、收弧位置處缺陷明顯，試樣3#熔池流動性和焊道成形最好，起、收弧位置堆焊合金飽滿，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

圖2 等離子堆焊試樣焊道成形情況Fig.2 Bead formation of plasma hardfacing layer

不同F(xiàn)e/C配比導(dǎo)致焊道成形差異的主要原因是：Fe的熔點(diǎn)為1 538℃，Cr的熔點(diǎn)高達(dá)1 857℃，堆焊過程中Fe能夠起到助熔作用，有利于熔池的流動性，從而獲得成形良好的焊道；當(dāng)無Fe時，等離子弧熱輸入無法將粉塊完全熔化，導(dǎo)致堆焊飛濺大、焊道不成形。而當(dāng)Fe/C配比增加至8∶1甚至10∶1時，大量Fe在試驗(yàn)條件下快速熔化，而較強(qiáng)的等離子弧吹力作用將熔池吹開形成弧坑，導(dǎo)致焊道成形不美觀，部分堆焊層出現(xiàn)弧坑。

2.2 顯微組織及堆焊合金層成分分析

堆焊合金層化學(xué)成分如表2所示，試樣3#堆焊層化學(xué)成分變化較大，雖然其Cr、C元素含量較試樣1#、2#更高，但其燒損也更嚴(yán)重。對比表1可知，試樣1#的Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低了21.7%，試樣2#的降低了30%，試樣3#的降低了41.4%。試樣4#焊道不成形，不具備實(shí)際工程應(yīng)用價值，不再進(jìn)行后續(xù)分析。

表2 堆焊合金層成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Elements of hardfacing layer（wt.%）

堆焊合金層微觀組織如圖3所示。結(jié)合表1分析可知，3組試樣堆焊合金組織均以馬氏體基體表面分布碳化鉻硬質(zhì)相為主，其中試樣1#的碳化鉻晶粒尺寸較小，晶粒分布存在偏析，試樣2#晶體組織粗大，且分布不均勻，而試樣3#晶粒尺寸大小均勻，彌散分布。

圖3 堆焊合金層金相組織Fig.3 Microstructure of hardfacing layer

3組試樣均為過共晶組織，白色的碳化物硬質(zhì)相彌散分布在馬氏體基體表面。Cr作為易形成碳化物元素，在冷卻過程中與C結(jié)合首先形成碳化鉻硬質(zhì)相。試樣1#中Fe/C配比在3組試樣中最大，C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低，導(dǎo)致堆焊合金中硬質(zhì)相缺碳，從而變成M23C6型碳化物；隨著Fe/C配比的降低，試樣2#中C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，堆焊合金中形成了大量粗大的M7C3型碳化物，能夠有效提高材料整體硬度；繼續(xù)降低Fe/C配比，導(dǎo)致C元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，由于3組試樣的w（Cr）/w（C）值基本相同，所以試樣3#中Cr元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之增加。隨著Cr、C元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的提高，堆焊合金中碳化物形核質(zhì)點(diǎn)明顯增加，因此試樣3#堆焊合金顯微組織中出現(xiàn)彌散分布、尺寸均勻細(xì)密的M7C3型碳化物。

堆焊合金硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)及硬度測試結(jié)果如表3所示。Fe元素能有效提高熔池流動性，減少合金元素?zé)龘p。當(dāng)Fe/C配比高時，試樣合金元素含量較低，F(xiàn)e質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加也導(dǎo)致堆焊合金中硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)減少，因此Fe/C配比最高的試樣1#的硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)和硬度值均為3組試樣中最低，分別為44.5%和52.5 HRC。隨著Fe/C配比降低，試樣2#中Cr、C含量明顯提高，堆焊合金中硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)增加，硬度明顯上升。隨著Fe/C配比進(jìn)一步降低，熔池流動性也進(jìn)一步降低，起、收弧位置無弧坑形成，合金燒損率超過40%，但是由于Fe含量降低，添加的合金元素更多，試樣3#中Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，堆焊合金中硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)進(jìn)一步上升，超過55%，硬度相較于碳化物晶粒尺寸更大的試樣2#有所降低。

表3 堆焊合金硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)及硬度Table 3 Hardness and volume fraction of hard phase of hardfacing alloy

2.3 耐磨性分析

3組試樣的磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示，隨著Fe/C配比的降低，材料耐磨性逐漸提高。結(jié)合表4發(fā)現(xiàn)，堆焊合金耐磨性與顯微組織中硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)相關(guān)，隨著硬質(zhì)相體積分?jǐn)?shù)的提高，硬質(zhì)相釘扎作用顯著，減緩了磨料對合金的切削磨損，提高了堆焊合金整體耐磨性，而合金硬度變化與耐磨性無明顯相關(guān)性。

圖4 耐磨實(shí)驗(yàn)Fig.4 Wear resistant experiment

選取耐磨性最差的1#試樣和耐磨性最好的3#試樣進(jìn)行磨痕形貌分析，分別如圖5、圖6所示。兩組試樣磨損形式都是磨粒磨損，試樣1#的最大磨損深度為14.53 μm，磨損寬度為1 008 μm，試樣3#的最大磨損深度為10.37μm，最大磨損寬度為963μm。由于試樣3#的顯微組織為彌散分布在馬氏體基體表面且晶粒細(xì)小均勻的M7C3型碳化物，在磨損過程中起到釘扎作用，結(jié)合陰影理論，這種彌散分布的碳化物能夠有效降低磨粒磨損對基體的磨耗，從而減小磨損深度及寬度。而試樣1#中的硬質(zhì)相主要為M23C6，硬度低于M7C3，抵抗磨粒磨損的作用不如M7C3，導(dǎo)致硬質(zhì)相與基體同時磨損，因此試樣1#的磨損深度及寬度比試樣3#更高。

圖5 試樣1#磨痕形貌Fig.5 Wear shape of specimen 1#

圖6 試樣3#磨痕形貌Fig.6 Wear shape of specimen 3#

3 結(jié)論及展望

針對等離子鋪粉電弧熔敷Fe基耐磨堆焊合金組織及耐磨性能進(jìn)行了研究，重點(diǎn)關(guān)注了Fe/C配比對堆焊合金組織特征和耐磨性能的影響，主要觀點(diǎn)如下：

（1）Fe元素在等離子堆焊過程中起到增強(qiáng)熔池流動性，提高粉末與基材冶金結(jié)合的作用，當(dāng)Fe/C配比為4∶1時，焊道成形最好，起、收弧端焊道飽滿，沒有弧坑等外觀缺陷。

（2）Fe/C配比的提高有助于降低堆焊合金的元素?zé)龘p，當(dāng)Fe/C配比為10∶1時Cr元素?zé)龘p率為21.7%，F(xiàn)e/C配比為8∶1時燒損率為30%，F(xiàn)e/C配比為4∶1時燒損率達(dá)到了41.4%。

（3）等離子堆焊合金中硬質(zhì)相以M7C3和M23C6型碳化物為主，硬質(zhì)相體積占比隨著Fe/C配比的降低而逐漸升高，最高達(dá)到55.8%，硬質(zhì)相的釘扎作用顯著，減緩了磨料的切削磨損，提高了堆焊合金整體耐磨性。

綜上可知，等離子鋪粉電弧熔敷Fe基耐磨堆焊合金是一種非常有效的耐磨堆焊成形工藝，其具有熱輸入小，熔敷效率高的特點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價值。但目前仍有很多問題亟待解決，如等離子鋪粉電弧燃燒過程及熔池狀態(tài)分析、基于圖像的電弧穩(wěn)定性研究等，需要更多學(xué)者和工程技術(shù)人員投入到相關(guān)研究中去。