SiC對(duì)自保護(hù)明弧高鉻堆焊合金性能的影響

唐天順，龔建勛，肖逸鋒，路德斌

（湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭411105）

SiC對(duì)自保護(hù)明弧高鉻堆焊合金性能的影響

唐天順，龔建勛，肖逸鋒，路德斌

（湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭411105）

采用藥芯焊絲自保護(hù)明弧堆焊方法制備了系列高鉻合金，借助光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀、掃描電鏡及濕砂耐磨性實(shí)驗(yàn)，研究了SiC含量對(duì)其性能的影響。結(jié)果表明，SiC顯著影響其顯微組織形態(tài)、尺寸、數(shù)量及分布。當(dāng)SiC含量0%～4%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）時(shí)，堆焊層組織晶粒細(xì)化，共晶組織（α－Fe＋M3（C，B））數(shù)量增加，耐磨性下降；當(dāng)其含量增加到8%時(shí)，堆焊層組織形成初生M23C6碳化物而改善耐磨性；但當(dāng)SiC加入量大于12%時(shí)，SiC分解出過量的硅原子反而會(huì)使焊縫的石墨化傾向增加，抑制初生M23C6碳化物形成，致使耐磨性下降。磨損形貌分析表明，隨SiC增加，其磨損方式從鑿削為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣蝹c鑿削兩種方式共存。

明??；自保護(hù)；堆焊；藥芯焊絲；耐磨性

作為一種快速、經(jīng)濟(jì)且可靠的材料成型方法，堆焊已經(jīng)應(yīng)用于制造、修復(fù)因磨損或腐蝕而失效機(jī)械零件的表面合金層，主要采用藥皮焊條、實(shí)心焊絲和藥芯焊絲進(jìn)行焊接［1－3］，其中藥芯焊絲熔敷效率高而備受企業(yè)青睞。近年來，隨著逆變電源等先進(jìn)技術(shù)相繼推廣采用，藥芯焊絲自保護(hù)明弧焊以中間焊道無需清渣、可連續(xù)進(jìn)行堆焊生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)而逐漸為不少廠家所選用，用來制造、修復(fù)耐磨表面平整度要求不高的一些零件，如混凝土輸送管、磨煤輥、水泥擠壓輥等［4－6］。高鉻合金因含有較多數(shù)量的自生碳化物，且耐腐蝕性良好，適合作為在大氣潮濕環(huán)境服役下機(jī)械零件材料［7］。由于自保護(hù)明弧焊接時(shí)，高溫熔滴、熔池直接與大氣接觸，致使焊縫冷卻快，拘束應(yīng)力大，易開裂，氧化物夾雜多，熔體流動(dòng)性差，結(jié)果焊縫成形困難。鑒于SiC可增加鐵基合金涂層的耐磨性［8，9］，針對(duì)以上情況，在大量實(shí)驗(yàn)篩選的基礎(chǔ)上，在藥芯焊絲中加入適量SiC和B4C粉末，利用硼和硅的聯(lián)合脫氧作用，改善熔體流動(dòng)性，采用自保護(hù)明弧堆焊方式制備系列高鉻合金，研究了SiC對(duì)其性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 堆焊合金制備

藥芯焊絲外皮采用H08A鋼帶，藥芯由高碳鉻鐵（65%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）Cr，8%C）、碳化硼（B4C）、碳化硅（SiC）、銀片石墨（含碳量98%以上）、還原鐵粉等粉末組成。所有藥粉過60目篩后混合均勻，由藥芯焊絲成型機(jī)YHZ－1軋制為φ4.5mm粗絲，逐步拉拔減徑至φ3.2mm。

在160mm×75mm×20mm的Q235鋼板上，藥芯焊絲用逆變埋弧焊機(jī)MZ－1000自保護(hù)明弧堆焊一層連續(xù)平行三道焊縫，相鄰焊縫寬度部分重疊50%，直流正接，電流500A，焊速50cm·min－1，空冷。所得焊縫成型美觀，渣量極少，接近無渣，無氣孔等缺陷，完全滿足實(shí)用要求。磨平試樣表面，HR－150洛氏硬度計(jì)測(cè)試硬度。保持藥芯焊絲中組分總量不變，僅改變其中SiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)，不足總額部分以還原鐵粉補(bǔ)充，制備了1＃（0%SiC），2＃（2%SiC），3＃（4%SiC），4＃（6%SiC），5＃（8%SiC），6＃（10%SiC）與7＃（12%SiC）試樣，其成分范圍為：Cr 11%～13%，C 2.2%～3.0%，Si 0.5%～2.4%，B 1.2%～1.5%。

1.2 顯微組織與耐磨性分析

用DK7725型電火花線切割機(jī)在堆焊焊縫中間切取12mm×10mm×25mm的金相試樣、57mm×25.5mm×6mm的耐磨性試樣。金相試樣經(jīng)預(yù)磨、拋光后，4%硝酸酒精腐蝕，HFX－ⅡA型尼康金相顯微鏡觀察試樣顯微組織，JSM－6360LV掃描電鏡觀察1＃與6＃試樣顯微組織形貌，并以附屬電子能譜儀Oxford7854探測(cè)微區(qū)成分。采用拋光且未腐蝕的1＃與6＃試樣作為D／MAX2550VB型X射線衍射儀分析樣品。

耐磨試樣采用MLS－23型濕砂橡膠輪式磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨粒磨損實(shí)驗(yàn)，所加砝碼質(zhì)量為2.5kg，預(yù)磨1000r，稱重M0，重復(fù)上述操作，稱重M1，試樣磨損失重ΔM＝（M0－M1）。以1＃試樣作為參比，磨損系數(shù)ε＝試樣磨損失重／參比試樣磨損失重。樣磨損表面用丙酮清洗，吹干，JSM－6360LV掃描電鏡觀察其磨損形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 明弧高鉻堆焊合金的顯微組織

圖1為明弧高鉻堆焊合金的顯微組織，圖2為1＃與6＃試樣的相組成分析XRD譜。由圖可知，其基體組織由大量的鐵素體、馬氏體和少量奧氏體組成，硬質(zhì)相包含 M23C6，M3（C，B），Si5C3，F(xiàn)e4N，F(xiàn)e2N 等相，其中 M代表Fe，Cr和Mn等合金元素。圖1（a），（b）和圖1（c）顯示，當(dāng)SiC加入量從0%增加到4%時(shí)，顯微組織明顯細(xì)化，殘留奧氏體數(shù)量減少，共晶組織（α－Fe＋M3（C，B））數(shù)量增加，如圖1（b），（c）所示條狀灰色體即為該共晶組織。

圖1 明弧高鉻堆焊合金的顯微組織 （a）1＃（0%SiC）；（b）2＃（2%SiC）；（c）3＃（4%SiC）；（d）5＃（8%SiC）；（e）6＃（10%SiC）；（f）7＃（12%SiC）Fig.1 Microstructure of open arc high chromium hardfacing alloys （a）1＃（0%SiC）；（b）2＃（2%SiC）；（c）3＃（4%SiC）；（d）5＃（8%SiC）；（e）6＃（10%SiC）；（f）7＃（12%SiC）

圖1（d）顯示當(dāng)SiC加入量增加至8%時(shí)，出現(xiàn)了10～30μm白色塊狀初生硬質(zhì)相；當(dāng)SiC含量達(dá)10%時(shí)，圖1（e）顯示該初生相體積分?jǐn)?shù)提高，尺寸增加到25～40μm。結(jié)合圖2（b）所示XRD分析結(jié)果可知，該初生相為M23C6，且其形態(tài)與文獻(xiàn)［10］所示M23C6初生相一致。但當(dāng)SiC加入量為12%時(shí)，初生M23C6相消失，如圖1（f）所示。這表明，SiC顯著影響明弧高鉻堆焊合金的顯微組織形態(tài)、尺寸、數(shù)量及其分布。

圖2 明弧高鉻堆焊合金的XRD譜 （a）1＃（0%SiC）；（b）6＃（10%SiC）Fig.2 XRD patterns of open arc high chromium hardfacing alloys （a）1＃（0%SiC）；（b）6＃（10%SiC）

藥芯焊絲焊接時(shí)，電流集中于其低碳鋼外皮，其外表部分優(yōu)先熔化，藥芯組分熔化滯后，這使得其中的高熔點(diǎn)顆粒組分在熔池金屬凝固結(jié)晶前可處于未完全熔化態(tài)。SiC熔點(diǎn)為2600℃，在高溫電弧作用下，顆粒熔化部分發(fā)生分解反應(yīng)，即：SiC→Si＋C，而未熔SiC顆粒則受熱脫碳，即有：5SiC→Si5C3＋2C。上述兩種反應(yīng)所產(chǎn)生的自由碳原子一部分被氧化，另一部分則使熔敷金屬增碳。這些未熔的Si5C3顆?？蔀槿鄢匾簯B(tài)金屬提供非均勻形核核心，從而導(dǎo)致顯微組織細(xì)化，熔敷金屬增碳則先導(dǎo)致共晶組織（α－Fe＋M3（C，B））數(shù)量增加。當(dāng)增碳量達(dá)到一定值時(shí)，熔池局部區(qū)域碳濃度滿足M23C6形核要求，形成初生M23C6相，碳含量繼續(xù)增加，M23C6形核長大的驅(qū)動(dòng)力提高，從而使其尺寸增加。但如果SiC加入過量，因SiC分解所產(chǎn)生的增硅量，導(dǎo)致焊縫的石墨化傾向過大，反而抑制初生M23C6相形成，不利于改善耐磨性。

自保護(hù)明弧藥芯焊絲無造渣劑，焊接時(shí)沒有外加保護(hù)氣體，這使熔滴、熔池均暴露于大氣之中，發(fā)生如下反應(yīng)：8Fe＋N2→2Fe4N和4Fe＋N2→2Fe2N。由于Fe4N，F(xiàn)e2N常呈針狀，使得焊縫硬度提高，但韌性下降。由圖2可知，1＃和6＃試樣的XRD譜未見明顯的B4C相特征峰，這說明所加入的B4C粉末顆粒（熔點(diǎn)：2450℃）大部分已分解，所釋放的自由硼原子與SiC分解出硅原子起到聯(lián)合脫氧作用，其氧化物B2O3和SiO2復(fù)合為硅酸硼，可起到清除焊縫中氧化物的作用。但焊縫表面渣量極少，接近無渣這一現(xiàn)象反映出少量硅酸硼清除氧化物作用較為有限，更多應(yīng)是B4C，SiC和石墨所提供自由碳原子起到脫氧作用，其氧化形成的CO和CO2氣體在弧柱空間形成保護(hù)氣氛，并增加了熔滴過渡的驅(qū)動(dòng)力。

圖3為明弧高鉻堆焊合金的硬質(zhì)相形貌。由圖3（a）可知，1＃試樣的硬質(zhì)相呈層片狀分布，類似珠光體形態(tài)，即為（α－Fe＋M3（C，B））共晶；基體則呈胞狀，為初生相，但其腐蝕程度深淺不一，這表明其由多相構(gòu)成。圖3（b）顯示6＃試樣的硬質(zhì)相呈條狀、不規(guī)則多邊形及層片狀，基體則分布于硬質(zhì)相之間，主要由貧鉻鐵素體組成。

圖3 明弧高鉻堆焊合金的硬質(zhì)相形貌 （a）1＃（0%SiC）；（b）6＃（10%SiC）Fig.3 Hard phase morphologies of open arc high chromium hardfacing alloys （a）1＃（0%SiC）；（b）6＃（10%SiC）

對(duì)圖3（a）中A與B處進(jìn)行EDS成分探測(cè)（因EDS對(duì)輕元素碳的探測(cè)結(jié)果誤差過大，未列入），結(jié)果如下：A－Si 0.5，Cr 4.35，Mn 1.83；B－Cr 9.74，Mn 2.38。圖3（b）EDS成分結(jié)果：A－Cr 24.13，Mn 1.64；B－Cr 11.98，Mn 1.30。

根據(jù)上述結(jié)果，可知鉻主要富集于 M23C6，M3（C，B）等硬質(zhì)中，而基體中含量偏少。考慮1＃試樣部分鉻被腐蝕較多而產(chǎn)生的誤差，并結(jié)合1＃和6＃試樣面掃描結(jié)果，可知1＃試樣的鉻含量低于6＃試樣，但二者藥芯焊絲中高碳鉻鐵含量相同，這表明加入SiC組分，可加強(qiáng)對(duì)熔敷金屬的保護(hù)作用，從而提高鉻的過渡系數(shù)。

2.2 明弧高鉻堆焊合金的耐磨性

圖4 SiC對(duì)明弧高鉻堆焊合金硬度及磨損系數(shù)ε的影響Fig.4 Effect of SiC content on the hardness and wear rateεof hardfacing alloys

圖4為藥芯焊絲中SiC含量對(duì)其自保護(hù)明弧堆焊合金硬度及磨損系數(shù)ε的影響曲線。由此可知，隨SiC含量增加，其硬度和磨損系數(shù)ε的變化趨勢(shì)并不一致。其硬度隨SiC加入而增加，當(dāng)加入量為10%時(shí)，硬度最高，達(dá)到63.1HRC，但繼續(xù)增加SiC，硬度下降。而磨損系數(shù)ε則先增加，然后下降，當(dāng)SiC加入量8%時(shí)，ε最小，耐磨性最好；再增加SiC含量，ε增加，耐磨性下降。

當(dāng)SiC為2%時(shí)，因 M3（C，B）等組織細(xì)小，與0%SiC時(shí)試樣的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)碳化物耐磨骨架相比，不能有效阻礙磨粒的顯微切削運(yùn)動(dòng)，因而磨損失重最大。4%SiC試樣中的共晶組織（α－Fe＋M3（C，B））絕對(duì)數(shù)量比2%SiC時(shí)增加而使其耐磨性提高。當(dāng)SiC含量為8%，均勻分布初生M23C6相可有效抵抗磨料的顯微切削，因而磨損失重最小，但10%SiC時(shí)，耐磨性較8%SiC時(shí)下降，這與其初生 M23C6相周圍共晶（α－Fe＋M3（C，B））數(shù)量增加而使焊縫變脆有關(guān)。12%SiC時(shí)，過高的硅含量抑制初生M23C6相生成，這使其耐磨性下降。上述結(jié)果表明，適量的SiC能有效提高自保護(hù)明弧高鉻堆焊合金的耐磨性，也說明硬質(zhì)相形態(tài)、尺寸、數(shù)量及其分布顯著影響堆焊合金的耐磨性。

磨粒磨損按照磨料對(duì)材料的力學(xué)作用特點(diǎn)可分為：鑿削、研磨和刮傷等［11］。由圖5所示明弧高鉻堆焊合金的磨損形貌可以看出，1＃磨粒微切削溝槽明顯，屬于鑿削磨料磨損；6＃試樣切削溝槽少，表面有殘留磨損坑，這表明其包含刮傷和鑿削兩種磨料磨損。上述結(jié)果表明，因1＃和6＃的顯微組織不同，使得磨粒作用于表面的力學(xué)特點(diǎn)產(chǎn)生了變化。

圖5 明弧高鉻堆焊合金的磨損形貌 （a）1＃（0%SiC）；（b）6＃（10%SiC）Fig.5 Worn morphology of open arc high chromium hardfacing alloys （a）1＃（0%SiC）；（b）6＃（10%SiC）

1＃試樣基體呈胞狀分布，硬質(zhì)相呈層片狀分布，且尺寸小，二者均對(duì)磨粒壓入合金表面及阻礙其微切削運(yùn)動(dòng)阻力小，導(dǎo)致其磨損失重大。6＃試樣含有粗大的初生M23C6碳化物，其基體分布于硬質(zhì)相之間，阻礙磨粒壓入合金表面作用大，同時(shí)初生M23C6可有效阻礙磨粒的微切削運(yùn)動(dòng)，因而其磨損失重小，圖4顯示其磨損失重僅為1＃試樣的0.47，具有良好的耐磨性。

3 結(jié)論

（1）SiC顯著影響明弧高鉻堆焊合金的顯微組織形態(tài)、尺寸、數(shù)量及分布而改變其耐磨性。隨著藥芯焊絲中SiC含量不斷增加，首先使殘留奧氏體減少，共晶組織（α－Fe＋M3（C，B））數(shù)量增加，耐磨性下降；繼而出現(xiàn)了初生M23C6碳化物而改善耐磨性；但加入過量，焊縫石墨化傾向增加，反而抑制初生M23C6碳化物形成而不利于耐磨性。

（2）隨著SiC加入增加，其明弧高鉻堆焊合金磨損方式從鑿削為主轉(zhuǎn)變?yōu)楣蝹丸徬鲀煞N磨損方式共存。

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The Effect of SiC on the Properties of Self－shielded Open Arc High Chromium Hardfacing Alloys

TANG Tian－shun，GONG Jian－xun，XIAO Yi－feng，LU De－bin
（School of Mechanical Engineering，Xiangtan University，Xiangtan 411105，Hunan，China）

A series of high chromium alloys were prepared by the method of self－shielded open arc fluxcored wire hardfacing with varying SiC content.The effect of SiC on the properties was investigated by optical microscopy（OM），X－ray diffraction（XRD），scanning electron microscopy（SEM）and wet sand rubber wear tests.The results show that SiC has a significant effect on the shape，the size，the volume fraction and the distribution of the microstructure.With the addition of 0%－4% （mass fraction，the same below）SiC into a flux－core wire，the grains were refined and the volume fraction of the eutectic（α－Fe＋M3（C，B））increased，which made abrasion resistance descended.As SiC content rose up to 8%，the primary M23C6grains appeared and the abrasion resistance was improved.But when it was higher than 12%，excessive Si atoms provided by the decomposition of SiC can inversely intensify the graphitization tendency of weld beads，which inhibited the formation of primary M23C6phases.The analysis of worn morphology indicates that the wear mode of material removal changes from the dominant clipping to the combined scoring and clipping with the increasing addition of SiC powders.

open arc；self－shielded；hardfacing；flux－cored wire；abrasion resistance

TG422.1

A

1001－4381（2011）10－0061－05

湖南省自然科學(xué)基金委員會(huì)和湘潭市政府自然科學(xué)聯(lián)合基金資助項(xiàng)目（11JJ9015）；湘潭大學(xué)科研啟動(dòng)基金資助項(xiàng)目（09QDZ16）

2011－01－19；

2011－07－15

唐天順 （1986－），男，碩士生，從事材料表面工程方向的研究，E－mail：scorpio1018＠126.com

龔建勛，聯(lián)系地址：湖南省湘潭市湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院（411105），E－mail：gong309＠tom.com