稀土元素Y對鐵基耐磨堆焊層組織和性能的影響

劉治宇，馮宇軒，劉政軍，劉 崢，王振宇

1.沈陽市市場監管事務服務中心（沈陽市檢驗檢測中心） 沈陽計量測試院，遼寧 沈陽 110027

2.沈陽工業大學 材料科學與工程學院，遼寧 沈陽 110870

0 前言

在制造業發展飛速的時代，工業生產對材料耐磨性能的要求越來越嚴格，開發新型耐磨材料勢在必行［1-3］。Fe-Cr-C-B 系合金作為高鉻鑄鐵基本合金體系，因其廣泛的應用范圍和良好的力學性能得到學者們的廣泛關注［4-8］。一些學者［9-12］將各種合金元素加入此合金體系中，使堆焊層組織中大量地產生原位生成的合金碳化物，形成了復雜共晶化合物和金屬間化合物等，同時還使硬質相尺寸和分布形態發生良性轉變，從而顯著提高堆焊層的耐磨性能，但同時也產生了B元素帶來的硬質相脫落問題。近年來，中外許多研究人員［13-15］發現，在堆焊層中添加稀土元素能夠使材料的性能發生良性轉變，優化合金組織，細化焊料基體中的金屬間化合物尺寸，從而大幅提升硬度及耐磨性。但目前中外學者對Y元素對堆焊層組織性能的影響研究較少。

本文采用Q235 鋼作為母材，在Fe-Cr-C-B 合金系中加入稀土元素Y制備藥芯焊絲，采用熔化極氣體保護焊技術制備耐磨堆焊合金。研究稀土元素Y 的添加對堆焊層耐磨性能產生影響的機理及規律，并確定其堆焊層最佳性能時的Y 元素含量。研究結果對于延長材料的服役時間、提高材料性能、擴大材料適用范圍具有正面作用，同時對基礎研究和工程化應用具有一定意義。

1 試驗材料及方法

1.1 堆焊合金制備

首先制備不同Y 元素含量（0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%）的Fe-Cr-C-B-Y合金粉末，因為藥粉極易吸收水分而產生氣孔、裂紋等缺陷，所以需要將其放入烘干爐，150 ℃烘干保溫1 h，隨爐冷卻后，稱重并混合均勻待用。選用連軋法制備藥芯焊絲，將制成的金屬粉末放入清洗干凈的H08A 鋼帶，藥粉填充率為35%，鋼帶成分見表1，經過多次輥壓拉拔，將填有藥粉的U 型鋼帶接口逐級封閉，最終形成直徑2.4 mm全封閉O型截面藥芯焊絲。

表1 H08A化學成分（質量分數，%）Table 1 Chemical composition of H08A （wt.%）

試驗采用尺寸為180 mm×150 mm×20 mm 的Q235低碳鋼板作為母材，因其廣泛的應用范圍而具有代表性和研究價值。母材在進行堆焊前應采用機械打磨去除氧化皮，并用無水乙醇清洗，采用熔化極氣體保護焊，將藥芯焊絲堆焊到母材表面，工藝參數見表2。

表2 堆焊工藝參數Table 2 Surfacing parameters

1.2 試驗方法

采用線切割的方法從堆焊合金上切取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣。使用200～2 000目砂紙，依次遞增打磨使試樣表面光滑平整。使用3.5 粒徑的水溶性金剛石研磨膏對完成細磨的試件在拋光機上進行拋光，直至在100 倍顯微鏡下無明顯劃痕，拋光結束后使用無水乙醇清洗。使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試件，直至表面變成銀灰色停止腐蝕。腐蝕完成后再次使用無水乙醇清洗。

采用XRD-7000 X射線衍射儀分析堆焊層的物相組成，具體參數為：純Cu 靶材，管電壓40 kV，電流30 mA，步長4 degree/min，掃描范圍20o～100o。采用配備能譜儀的S-3400N 掃描電子顯微鏡觀察堆焊層及磨損后試樣的微觀組織形貌，放大倍數為1 000倍。使用HR-150A洛氏硬度計對堆焊層進行宏觀硬度測試，載荷15 kg，加載時間10～15 s。采用MLS-23 型濕砂橡膠輪式磨損測試機進行磨損測試，沖擊角30 ℃，石英砂250 μm，砂漿濃度70%，轉速240 r/min，試驗時間5 min，磨損試件尺寸56 mm×27 mm×10 mm，采用BL410F 電子天平（1 mg）對試樣磨損前后質量進行對比計算磨損量。

2 結果與分析

2.1 Y元素對相結構的影響

堆焊試樣X 射線衍射圖譜如圖1 所示，Y 元素含量的添加并沒有改變堆焊合金的物相種類，但各相比例發生了變化。在衍射圖譜中，通過對比標準PDF 卡片可以看出，奧氏體、鐵素體、M7（C，B）3、M2B具有最高的衍射峰，說明它們是構成堆焊層組織的主要相，M 代表Fe、Cr 元素。其中奧氏體衍射峰強度最大，說明其為堆焊層基體，同時堆焊層中C、B原子固溶到碳化物中，形成了復合的硼碳化合物作為硬質相，如M7（C，B）3、M2B 等。未加入Y 元素的Fe-Cr-C-B 堆焊層XRD 圖譜中，碳硼化物的衍射峰比較多，情況比較復雜，而加入Y元素后，衍射峰強度有所增加，面積略有降低，碳硼化合物的衍射峰稍有簡化，說明組織晶粒進一步細化，同時Y元素的添加促進了碳硼化合物在晶界處生成。

圖1 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層X射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

2.2 Y元素對顯微組織的影響

不同Y 含量的Fe-Cr-C-B-Y 堆焊層掃描電子顯微鏡組織如圖2所示。堆焊層組織呈典型的枝晶結構，與未添加Y元素時相比，Y元素的添加使晶粒尺寸明顯減小，同時使硬質相分布更為均勻，致使堆焊合金的耐磨性顯著提高。這是因為Y 元素具有較高的表面活性，可以作為形核核心，促進晶粒形核，同時析出相起到釘扎原奧氏體晶界的作用，阻礙晶界遷移。隨著Y元素含量的增加，由碳硼化物硬質相構成的共晶組織逐漸增多，且從連續層片狀向多邊形轉變，但在添加量達到1.6%以后不再發生明顯變化。

圖2 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層掃描電子顯微組織Fig.2 Scanning electron microstructure of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

為進一步明確堆焊層各相的結構類型，對Y含量為1.6%的試樣取四點進行成分分析，取點位置及能譜圖像如圖3所示，結果如表3所示。可以看出A點各元素成分中Fe 占據絕大部分，還有少部分Cr、C、B固溶到其中，可以確定A點各元素成分中（Fe+Cr）∶（C+B）=7∶3，該多邊形組織是M7（C，B）3；B 點是奧氏體基體；C點各元素成分中（Fe+Cr）∶B=2∶1，可以確定該菊花形狀組織是M2B；而黑色區域D 被灰色碳硼化合物包裹著，說明添加的Y2O3可能作為初生M7（C，B）3碳硼化合物的異質形核核心。

圖3 1.6%Y的堆焊層能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of 1.6% Y surfacing layer

表3 1.6%Y的堆焊層EDS分析（原子分數，%）Table 3 EDS analysis of 1.6% Y surfacing layer （at.%）

從堆焊層性能的角度分析，因為共晶碳硼化物呈連續網狀形態分布，所以硬度低，對基體還有割裂作用。但若基體組織與共晶硬質相在數量和分布形態等方面有良好配合，即在基體組織中固溶一定量的C、Cr和B原子時，可以起到第二相強化的作用，能夠在提高硬度的同時，保持良好的韌性，使之與周圍的共晶硬質相通過互相作用共同抵抗磨粒的磨削，則能大幅度提高堆焊層的硬度與耐磨性。而Y 元素的添加進一步使Fe-Cr-C-B 堆焊合金的組織細化，改善了原合金共晶硬質相過多而易脫離基體組織的保護、在磨損過程中成塊脫落，導致耐磨性下降的缺點。

2.3 Y元素對硬度和耐磨性的影響

為進一步明確Y 元素對堆焊層性能的影響，對堆焊層進行硬度及耐磨性測試。應用洛氏硬度計對Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金進行取點測量，所得硬度值如表4所示，平均硬度值最小值為57.3 HRC，最大值為67.5 HRC。添加Y 元素的堆焊層硬度顯著高于未添加Y元素的硬度，可見添加Y元素后，堆焊合金的硬度明顯提高。

表4 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層洛氏硬度值Table 4 Rockwell hardness of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

Fe-Cr-C-B-Y 堆焊層平均硬度與磨損失重對比曲線如圖4所示，隨著Y添加量的增加，堆焊層平均硬度先增加后減小，而磨損量出現與之相反的趨勢。在Y 添加量為1.6%時，平均硬度為67.5 HRC，磨損量達到最小值0.864 g。此后，隨著Y的繼續添加，平均硬度出現下降趨勢，磨損量逐漸上升。結果表明，適量Y的添加對提高堆焊層的耐磨性有顯著效果，但添加過量Y則會導致耐磨性下降。

圖4 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層平均硬度與磨損失重對比曲線Fig.4 Comparison curve of average hardness and wear loss of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金的掃描電鏡磨損形貌如圖5所示，其變化規律基本與磨損曲線一致，可以看出其中有著明顯的犁溝，兩側有塑性變形產生的隆起，說明其磨損機制主要為磨粒磨損。隨著Y含量的增加，犁溝逐漸變淺，數量逐漸減少，其中Y含量為1.6%時，Fe-Cr-C-B-Y堆焊層的犁溝最淺、數量最少，最為平整，且沒有磨損剝落，故磨損量也最小，而當Y含量再增加時，犁溝又加深、增多。

圖5 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層磨損形貌Fig.5 Wear morphology of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

當Y 元素添加量較小時，析出的第二相碳硼化合物具有較高的硬度值，阻礙了位錯的運動，從而使堆焊層硬度值提高。而且Y 元素的添加還可以增加堆焊層的晶界數量，細化晶粒尺寸。因此在Y元素添加量較少時，由于第二相強化和細晶強化的作用，可以大大地穩定堆焊層的性能，提升堆焊層的硬度，同時有效改善硬質相脫落引起的耐磨性下降問題。但是當其添加量過大時，硬質相碳硼化物將發生球化，使堆焊合金硬度降低，進而導致其耐磨性降低。綜上所述，可以看出Y元素的添加應適量，在1.6%時性能最佳。

3 結論

（1）對于Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金而言，Y 元素的添加并沒有使堆焊層的物相種類發生改變，組織依然由奧氏體（γ-Fe）、鐵素體（α-Fe）、M7（C，B）3、M2B相組成。

（2）Y2O3可作為M7（C，B）3碳硼化合物的異質形核核心，隨著Y 含量的增加，堆焊層組織中碳硼化物形狀結構、尺寸數量都發生變化，其由板條狀轉變為多邊形結構，對組織的細化效果顯著提升。

（3）隨著Y 含量的增加，硬度呈現先增加后減小的趨勢，磨損量先減小后增加，當Y 添加量為1.6%時，基體相與共晶組織匹配最佳，耐磨性最好。