釩含量對Fe-Cr-V-B-C系堆焊合金顯微組織和耐磨性能的影響

龔建勛,董海龍,黃洪江,肖志強

(湘潭大學機械工程和力學學院,湘潭 411105)

0 引言

堆焊是一種表面工程技術,其常見的焊接工藝主要有焊條電弧焊、藥芯焊絲電弧焊、激光/等離子弧熔覆等[1-5],填充材料主要有焊條、藥芯焊絲和粉末等。多樣化的磨損工況催生了大量個性化的化學成分和性能不同的堆焊耐磨合金[6]。通常,耐磨合金主要有高鉻和高硼2種類型,其中高硼合金具有良好的自熔性和熔體流動性,近年來研究及應用較多。高硼合金中主要耐磨相有Fe2B、Fe23(C,B)6等[7-8],耐磨相的數量及合金的顯微硬度直接影響合金的耐磨性能。目前,高硼合金中的耐磨相體積分數可達80%以上,但耐磨相的顯微硬度較低,多數在1 100 HV 以下,因此對耐磨性能提升有限。國內外主要從以下2個方面來提升高硼合金的耐磨性能。一方面,通過對高硼合金中Fe2B、Fe23(C,B)6等主要耐磨相進行鉻等的合金化處理,析出(Fe,Cr)2B、(Fe,Cr)23C6等復合相而改善耐磨性能。R?TTGER等[9]通過熱力學計算和試驗研究表明,增加鉻含量,可使高硼合金中(Fe,Cr)2B相的晶體結構從四方轉變為正交晶系,從而提高該耐磨相的顯微硬度及彈性模量。另一方面,制備Mo2FeB2、(Fe,V)3B4等M3B2、M3B4型新型硼化物以增強高硼合金,從而改善其耐磨性能,并可提高其耐熱性[10-12]。堆焊高硼合金時,需要添加石墨或者碳化硼(B4C),以改善其熔體的成形性及工藝性能;這2種工藝均會使合金富碳,從而析出過多的脆性共晶(α-Fe+Fe3C)相,惡化其耐磨性能[13]。

釩是一種強碳化物和硼化物形成元素,向高硼合金中添加釩后,可原位析出VC相,并形成M3B2型新型硼化物,這對于強化高硼合金、改善其耐磨性具有積極意義。目前,有關釩含量對Fe-Cr-V-B-C系高硼堆焊合金耐磨性能影響的研究報道較少。鑒于此,作者在課題組已有復合粉體顆粒制備工藝的基礎上[6],采用復合粉體顆粒+H08A 實心焊絲的自保護明弧焊法在Q235A 鋼表面制備了Fe-Cr-VB-C系高硼堆焊合金,研究了釩含量對其顯微組織及耐磨性的影響,以期為制備VC和新型M3B2相增強的耐磨合金提供試驗參考。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料包括粒徑均為0.20～0.25 mm 的金屬鉻粉(純度99%以上,中冶鑫盾合金公司生產)、碳化硼粉(B4C,牡丹江市碳化硼廠生產)、釩鐵粉(FeV50-A,含釩質量分數50%,錦州鐵合金廠生產)、鋁粉(純度98%以上,天津北聯精細化工公司生產)和還原鐵粉(純度98%以上,武漢鋼鐵公司生產),以及Na2SiO3型水玻璃(波美度40,模數3.3,體積分數34%,山東優索化工公司生產)。通過多次探索和優化試驗,確定試驗合金成分(質量分數/%)為9.0Cr,4.8B,1.3C,0.05Al,釩質量分數定為0,1.5%,3.0%,4.5%,6.0%,7.5%,余量部分以還原鐵粉補充。按上述配比稱取粉末原料,攪拌均勻后倒入鋼制容器,以每100 g該混合粉末倒入25 mL Na2SiO3型水玻璃的比例進行濕混;待水玻璃完全浸潤混合粉末后,順時針旋轉容器進行造粒,轉速為3～5 r·s-1,晾干定型后,放入YGCH-G-30型烘干箱,加熱至300～400 ℃并保溫3 h后取出。將燒結好的粉體進行篩分,得到粒徑在0.8～1.6 mm 的復合粉體顆粒。

基體為尺寸180 mm×50 mm×15 mm 的Q235A鋼板。用砂輪將鋼板打磨干凈,然后將復合粉體顆粒預置于焊道上,形成寬約20 mm、高約12 mm 的粉體顆粒層,以直徑2.5 mm 的H08A 實心焊絲(由天津大橋焊材集團生產,其成分符合GB/T 5293—2018標準)作為電弧載體,采用ZD5-1000E型直流焊機進行自保護明弧焊,焊接電流為420 A,焊接電壓為30 V,焊接速度為27 cm·min-1,焊絲干伸長量為25 mm,層間溫度為100～150 ℃,采用直流反接法。利用電弧熔化復合粉體顆粒,與從實心焊絲末端過渡的熔滴共同熔合為熔池,空冷后形成耐磨合金。同理,堆焊第二道以及第二層,相鄰焊道的搭接率約為50%。

在堆焊合金的中間部分截取尺寸為10 mm×10 mm×25 mm 的金相試樣,用D/MAX2550VB型X射線衍射儀(XRD)表征堆焊合金的物相組成,采用銅靶,Kα射線,工作電壓為40 kV,工作電流為150 mA,掃描速率為5 (°)·min-1,掃描范圍為20°～90°。對金相試樣進行磨制、拋光,經體積分數4%硝酸乙醇溶液腐蝕15 s后,用JSM-6360LV 型掃描電鏡(SEM)觀察顯微組織,并用附帶的Oxford 7854型能譜儀(EDS)進行微區成分分析。用HV-1000型顯微硬度計測堆焊合金的截面顯微硬度分布以及特征相的顯微硬度,載荷為1.96 N,保載時間為10 s,測試間距為1 mm;用HR-150型洛氏硬度計測堆焊合金的表面硬度,載荷為1 471 N,保載時間為30 s,測15次取平均值。在堆焊合金的中間部分截取尺寸為57 mm×25.5 mm×6 mm的耐磨試樣,用MLS-225型濕砂橡膠輪式磨損試驗機進行磨損試驗,磨漿由1.5 kg的粒徑0.99～1.65 mm 石英砂和1 000 mL自來水組成,橡膠輪直徑為178 mm,邵氏硬度為60 HA,載荷為24.5 N;試樣先預磨1 000 r,用水沖洗、酒精擦拭吹干后,用精度0.1 mg的FA2104J型電子天平稱取其初始質量m0,然后再磨損1 000 r,稱取試樣磨損后的質量m1,計算試樣的磨損質量損失(m0-m1)。磨損試驗后,采用SEM 觀察磨損形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 物相組成

由圖1可以看出,堆焊合金由α-Fe(鐵素體)、M2B、M3C、VC 等物相組成,其中含質量分數0,3.0%,4.5%釩的堆焊合金的M2B相特征衍射峰強度較高,說明M2B相的體積分數較高。當釩質量分數由0提高至3.0%時,M2B相的(440)(晶面間距d為0.163 nm)晶面的衍射峰強度下降,說明此時(Cr,Fe)2B相轉化為(Fe,Cr)2B相。隨著釩含量的增加,M3C相的衍射峰強度先減弱后基本不變,說明其含量先減少后基本不變,但其衍射峰強度整體偏低,說明其含量偏低。加入釩后高硼合金中析出VC相,當釩質量分數為6.0%和7.5%時,合金中還析出了V3B2相。V3B2相的硼含量明顯高于(Fe,Cr)2B相,該相的析出將改變堆焊熔體的硼含量及分布,從而明顯改變M2B等相的形態和數量。隨著釩含量的增加,α-Fe相(200)面和(211)面的晶面間距先增大后減小。α-Fe相晶面間距的增大主要歸因于溶質元素固溶度的增加,減小則歸因于溶質元素固溶度的下降[14]?？芍?隨著釩含量的增加,該合金α-Fe相中固溶的鉻、釩原子含量先增加后下降,當釩質量分數為6%時,α-Fe中固溶的鉻、釩原子含量最高。

圖1 不同釩質量分數堆焊合金的XRD譜Fig.1 XRD patterns of hardfacing alloys with different vanadium mass fractions

2.2 顯微組織

由圖2結合表1可以看出:位置a1、c1和f1處深灰色塊狀相均含有較高含量的鉻和硼,結合XRD譜可確定為M2B 相,未添加釩時為(Cr,Fe)2B 或(Fe,Cr)2B,添加釩后形成(Fe,Cr,V)2B相。位置a2、c2和d1處淺灰色相的鉻、釩含量明顯低于M2B相,結合XRD譜可確定該相為α-Fe。位置a3、c3和d2處白色條狀相未檢測到硼元素,其鉻和碳含量較高,添加釩后,該相中的鉻、釩含量明顯高于α-Fe相;該相與α-Fe相間隔分布,符合共晶碳化物的形態特征,結合XRD譜可知其為M3C相,其中M 代表鐵、鉻、釩等金屬元素;隨著釩含量的增加,M3C相細化。當釩質量分數為1.5%時,合金中出現了黑色點狀相,塊狀M2B相含量增加,尺寸變大;當釩質量分數增加到3.0%,4.5%時,析出了黑色點狀和十字花狀枝晶,塊狀M2B相細化;當釩質量分數增加到6.0%,7.5%時,析出了黑色點狀、針狀和條狀晶,尤其是當釩質量分數為7.5%時針狀和條狀晶明顯增多,且呈定向分布,M3C相數量減少。這些點狀、十字花狀枝晶主要分布于深灰色塊狀M2B晶粒之間,少量析出于M2B晶內;黑色針狀和條狀晶多分布于塊體M2B 晶內,不少定向貫穿晶粒,與M2B相具有良好的相容性。由位置c4和d3的EDS分析結果可知,這些黑色十字花狀枝晶的釩和碳含量較高,結合XRD譜可知其為VC相;根據凝固理論,可確定黑色點狀相也為VC。通常,VC相的析出溫度高于M2B相,應形成以VC 相為核心的組織,但是觀察到塊狀M2B相晶間的十字花狀VC相較多,可知該相的實際析出溫度低于塊狀M2B相。這是由于堆焊熔池屬于一個非均質的熔體,發生了非平衡快速凝固[15],隨著初生M2B相的析出,多余的碳原子和釩原子被排斥到M2B相晶間富集,從而析出VC相。由位置f3和f2的EDS分析結果可知,黑色針狀和條狀晶中釩、硼含量均較高,且其尺寸較大,結合XRD譜可確定其為V3B2相。V3B2相需要供高硼原子團簇才可形核析出,但是由于V3B2和Fe2B的晶體結構相同(均勻四方結構),晶格常數相近(V3B2的a=0.573 7 nm,c=0.330 5 nm;Fe2B的a=0.510 0 nm,c=0.424 9 nm),因而V3B2相和Fe2B相可相互交錯結晶。然而,V3B2相的析出,消耗了堆焊熔體中較多的硼原子和釩原子,致使剩余熔體的硼原子含量減少,因而淺灰色塊狀M2B相的含量減少。綜上,未添加釩(釩質量分數0)的堆焊高硼合金的組織為初生M2B+α-Fe+M3C;當釩質量分數為1.5%,析出VC相,初生M2B相的含量和尺寸有所增加;當釩質量分數增至3.0%和4.5%時,初生M2B晶粒細化;當釩質量分數增至6.0%和7.5%時,析出針狀和條狀V3B2相,初生M2B相減少。

表1 圖2中不同位置的EDS分析結果Table 1 EDS analysis results of different positions in Fig.2

圖2 不同釩質量分數堆焊合金的顯微組織Fig.2 Microstructures of hardfacing alloys with different vanadium mass fractions

2.3 硬 度

未添加釩的堆焊高硼合金中塊狀M2B相的顯微硬度為1 287 HV,而釩質量分數為3.0%的堆焊合金中M2B相的顯微硬度為1 434 HV,明顯高于未添加釩的,這主要是一定量釩的固溶導致的。釩質量分數為6.0%的堆焊合金中塊狀M2B相的顯微硬度下降至1 245 HV,與未添加釩時相近,這是由于V3B3相的析出導致該相中的鉻含量和釩含量低于未添加釩的,表明M2B相的合金化程度決定了其顯微硬度。釩質量分數為6.0%的堆焊合金中針狀和條狀V3B2相的顯微硬度為1 761 HV,明顯高于M2B相的顯微硬度。

由圖3可知,隨著距表面距離的增大,堆焊合金的硬度呈先升后降的趨勢,表層的顯微硬度低于次表層,這是由于表層冷卻速率高于次表層,致使次表層析出的初生硬質相尺寸大,對壓頭壓入產生較高阻力。Q235A 鋼基體的平均顯微硬度為210 HV左右,而熔合線附近的基體區域顯微硬度高于300 HV,這主要是堆焊層的合金原子向基體遷移擴散導致的。堆焊合金的平均顯微硬度在1 000 HV以上,靠近熔合線區域的硬度不高,這是Q235A 鋼成分稀釋作用的結果。釩質量分數7.5%的堆焊合金局部微區的顯微硬度高于2 000 HV,表明這些區域的V3B2等硬質相偏多且尺寸較大。

圖3 不同釩質量分數堆焊合金的截面硬度分布曲線Fig.3 Section hardness distribution curves of hardfacing alloys with different vanadium mass fractions

當釩質量分數為0,1.5%,3.0%,4.5%,6.0%,7.5%時,堆焊合金的硬度分別為55.6,61.0,61.6,59.8,59.5,58.2 HRC,可見隨著釩含量的增加,堆焊合金的硬度先大幅升高后小幅降低。隨著釩含量的增加,塊狀M2B硬質相數量先增加后減少,壓頭壓入的阻力先變大后變小,因此堆焊合金的硬度先升高后降低。與初生M2B相相比,V3B2相的尺寸偏小,且數量少,對堆焊合金宏觀硬度的影響較小。

2.4 耐磨性能

由圖4可知,隨著釩含量的增加,堆焊合金的磨損質量損失先減小后增大,耐磨性能先增強后降低。當釩質量分數為3.0%時,高硼堆焊合金的磨損質量損失最小,為0.019 4 g,合金的耐磨性能最佳,這主要是因為此時堆焊合金中初生M2B相呈塊狀,形態規則,且該相之間析出VC相,可形成組織協同強化效應,宏觀硬度最高,耐磨性最好。但是,隨著釩含量的繼續增加,堆焊合金中析出針狀和條狀V3B2相,消耗堆焊熔體中較多的硼原子而減少M2B相的數量,宏觀硬度下降;同時,V3B2相呈針狀和條狀定向分布,脆性大,在磨損過程中易脆斷而崩落;因此,堆焊合金耐磨性能降低。

圖4 堆焊合金的磨損質量損失與釩質量分數的關系曲線Fig.4 Curve of wear mass loss vs vanadium mass fraction of hardfacing alloys

由圖5可見:當釩質量分數為3.0%時,磨損表面有輕微刮擦痕跡,還有一些剝落坑,不存在塑性變形的痕跡,呈現典型的脆性斷裂形貌,這說明該高硼合金較脆;當釩質量分數為6.0%時,磨損表面只有極輕微刮擦,但有數量較多且形態不一的剝落坑,同時還存在大量剝離性貫穿裂紋裂。這說明當釩質量分數提高至6%時,合金的耐磨性能明顯降低,這主要是因為該堆焊合金中析出大量的針狀和條狀V3B2相,與M2B相互交錯結晶,并定向生長,累積了過高的內應力。

圖5 不同釩質量分數堆焊合金的磨損形貌Fig.5 Wear morphology of hardfacing alloys with different vanadium mass fractions：（a，c）surface and（b，d）side face

3 結論

(1) Fe-Cr-B-C 系堆焊合金由α-Fe、M2B 和M3C等相組成;當添加的釩質量分數為1.5%時,析出VC相,初生M2B相的體積分數和尺寸增加;當釩質量分數增至3.0%和4.5%時,初生M2B晶粒細化;當釩質量分數增至6.0%時,析出針狀和條狀V3B2相,與初生M2B相交錯結晶;當釩質量分數增至7.5%時,V3B2相明顯增多,M2B相減少。

(2) 隨著釩含量的增加,堆焊合金的硬度先增大后降低,當釩質量分數為3.0%時,硬度最高,為61.6 HRC。添加釩后堆焊合金的硬度高于未添加釩的堆焊合金。塊狀初生M2B相的數量直接影響堆焊合金的硬度,而V3B2相的尺寸小,數量少,對宏觀硬度的影響小。

(3) 隨著釩含量增加,堆焊合金的磨損質量損失先減小后增大,耐磨性能先增強后降低。當釩質量分數為3.0%時,高硼堆焊合金的磨損質量損失最小,為0.019 4 g,耐磨性能最佳。耐磨性能的增強與VC相和M2B相形成的組織協同強化效應有關,其降低則與脆性較大的V3B2相的增多有關。