含硬質(zhì)相鐵基耐磨堆焊合金的研究進展

戴衍 孫昊 劉飛 李文杰

摘 要：硬質(zhì)相對耐磨堆焊合金的硬度和耐磨性有重要影響，在介紹鐵基耐磨堆焊合金的基礎(chǔ)上，文章介紹硬質(zhì)相尺寸、形態(tài)和分布對堆焊合金耐磨性的影響，以及含超細硬質(zhì)相堆焊合金的發(fā)展現(xiàn)狀，含超細硬質(zhì)相的合金具有優(yōu)良的硬度和韌性，從而具有優(yōu)異的耐磨性。

關(guān)鍵詞：耐磨；硬質(zhì)相；堆焊合金；韌性

中圖分類號：TG455 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）08-0074-02

1 背景概述

磨損是工業(yè)領(lǐng)域中造成材料和能源損失的重要原因。據(jù)統(tǒng)計，由磨損造成的損失約占能源消耗的1/3～1/2，材料報廢的80%[1]。我國電力、冶金、煤炭、化工等行業(yè)磨損件的消耗量相當(dāng)大，而其中火力發(fā)電行業(yè)是一磨損消耗大戶?；鹆Πl(fā)電中磨損件主要發(fā)生在與燃煤相關(guān)的系統(tǒng)中，如：破碎機、制粉機、煤粉輸送管、煤灰輸送管、噴燃器、風(fēng)機等。提高易磨損件的使用壽命，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益。

對因磨損而導(dǎo)致失效的零件研究表明，這些失效多數(shù)發(fā)生在表面。采用表面工程技術(shù)提高合金材料表面的耐磨性能，對材料的性能提升和廣泛應(yīng)用具有重要意義。采用堆焊技術(shù)修復(fù)和強化零部件表面耐磨性能已得到大規(guī)模應(yīng)用，開發(fā)制備出具有更高性價比的耐磨材料是科研工作者面臨的巨大挑戰(zhàn)。目前，采用表面工程技術(shù)能夠修復(fù)并恢復(fù)零部件使用性能的比例占報廢零部件的10%以上，每年消耗各類耐磨堆焊材料可達1萬t以上[2]。

由此可見，耐磨堆焊技術(shù)的市場潛力是十分巨大的，在不斷研發(fā)的耐磨堆焊材料中，其都有各自的耐磨條件。近年來，有研究表明，含超細硬質(zhì)相的耐磨合金具有良好匹配的硬度和韌性，能夠獲得高的耐磨性。

2 鐵基耐磨堆焊合金及發(fā)展現(xiàn)狀

鐵基堆焊合金由于其性能變化范圍廣，韌性和抗磨性匹配良好，能滿足許多不同工況要求，且價格低而被廣泛應(yīng)用，同時鐵基耐磨堆焊合金技術(shù)成熟，合金體系可以分為Fe-Cr-C系、Fe-B-C系、Fe-Cr-B系和鐵基碳化鎢系堆焊材料。堆焊合金本身硬質(zhì)相的尺寸、形態(tài)、分布及其類型決定了其耐磨性，同時韌性不僅和其數(shù)量、基體組織性質(zhì)、形態(tài)及分布等有關(guān)，同時也和硬質(zhì)相的尺寸、形態(tài)、分布及類型有關(guān)。

Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金的硬質(zhì)相主要是（Fe，Cr）7C3，呈六方形。學(xué)者們[3-4]認為，當(dāng)Cr<10%時，耐磨相為M3C，硬度不穩(wěn)定而且很低，當(dāng)Cr>10%時才能形成形態(tài)明顯硬度很高的M7C3。

文獻系統(tǒng)地研究了Cr、C不同含量堆焊合金材料的微觀組織結(jié)構(gòu)以及耐磨性能，研究表明Fe-Cr-C系合金的耐磨性受硬質(zhì)相M7C3的分布、大小、形態(tài)及種類與基體的匹配關(guān)系影響，合金耐磨性和初生碳化物面積分?jǐn)?shù)有著簡單的線性關(guān)系。通過調(diào)整冷卻速率以及鉻碳元素含量比例等條件，可以控制初生碳化物生長的方向，能夠使其生長方向與耐磨層表面垂直，因此合金的耐磨性能可以得以提升。

Fe-B-C系耐磨堆焊合金的硬質(zhì)相主要為硼化物，包括：Fe2B、Fe23（C，B）6、FeB、Fe3（B，C）。目前國內(nèi)外科研人員在對堆焊耐磨合金研究后發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)eB（HV1 800～2 000）和Fe2B（HV1 400～1 800）的微觀硬度不僅高于Fe3C（HV800～900），而且高于堆焊耐磨合金中常形成的鉻的碳化物Cr7C3（HV1 300～1800），用硼化物代替碳化物Cr7C3作為耐磨合金的耐磨硬質(zhì)相，可明顯提高耐磨合金材料的耐磨性能，還可減少鉬、釩、鈦、鉻、鎢等合金元素的加入量，降低成本，提高性價比。增加堆焊合金材料中的硼含量，會導(dǎo)致堆焊合金微觀組織發(fā)生變化，微觀組織中出現(xiàn)了Fe2B、Fe23（C，B）6和Fe3（C，B）等碳、硼化合物耐磨硬質(zhì)相，隨著硬質(zhì)相數(shù)量的增加，堆焊合金材料的耐磨性能大大提高，另外，試驗表明合金材料中含有的共晶組織越多，合金的抗沖擊韌性越好。Ji Hui kim通過研究發(fā)現(xiàn)，B不僅能夠有效提高堆焊合金的耐磨性，而且Mn和B能夠細化晶粒尺寸，促進應(yīng)力誘導(dǎo)馬氏體相變，可以提高鐵基耐磨合金的耐空蝕性。

Fe-Cr-B系耐磨堆焊合金耐磨骨架為高硬度的M2B共晶硼化物，M2B硬度高，合金耐磨性優(yōu)異，但韌性不足。Guo Changqing等人研究發(fā)現(xiàn)Fe-Cr-B合金的微觀組織由樹枝晶和在其間分布著的共晶體構(gòu)成，其主要耐磨硬質(zhì)相有的在晶粒的中心位置分布著的呈細片狀的硼化物和少量呈棒狀的碳硼化物，呈網(wǎng)狀不規(guī)則片狀分布的M2B以及夾在這類硼化物之間呈片狀的富鉬硼化物。

另外，在鐵基堆焊合金中加入釩、鉬和鉻等元素，有助于增加硼在鐵基堆焊合金中的固溶度，改善鐵基堆焊合金的性能。

3 硬質(zhì)相對鐵基堆焊合金耐磨性的影響

當(dāng)材料和磨料相互作用時，對材料耐磨性或磨損過程影響最大的因素主要有材料的組織和由組織所決定的性能，以及磨損的工作條件，環(huán)境因素。

就其堆焊合金本身而言，影響其耐磨性的因素有合金的硬度，韌性、顯微組織等因素。顯微組織的影響，主要表現(xiàn)在硬質(zhì)相的形態(tài)、分布、數(shù)量、大小、基體的性質(zhì)、以及基體與硬質(zhì)相的匹配等。

潘春旭等人通過與實際工況磨損狀態(tài)和堆焊層硬度測試數(shù)據(jù)對比分析發(fā)現(xiàn)：高鉻鑄鐵耐磨堆焊層的顯微組織，如硬質(zhì)相的形態(tài)、尺寸和分布、基體相的性質(zhì)等是決定其耐磨性的主要因素，而不是一般認為的硬度因素。

3.1 硬質(zhì)相種類對合金性能的影響

硬質(zhì)相對堆焊合金的耐磨性有重要的影響。硬質(zhì)相的種類不同，則硬質(zhì)相的硬度就不同，對材料的耐磨性有不同的影響，如WC的硬度很高，WC作為主硬質(zhì)相的堆焊合金往往硬度很高，有助于提高合金抗磨料壓入表面的能力，具有優(yōu)良的耐磨性。

M7C3碳化物（約1 200 HV）和VC（約1 600 HV）的硬度高于磨粒（1 000～1 100 HV）的硬度，因而能夠有效地阻止磨粒磨損，顯著提高合金耐磨性。

合金中形成不同的硬質(zhì)相對合金起到強化作用，提高合金的強度和韌性，硬質(zhì)相彌散的分布在基體中，能有效的保護基體受磨損。

3.2 硬質(zhì)相尺寸與分布對合金性能的影響

硬質(zhì)相的大小和分布對合金耐磨性也有重要的影響，硬質(zhì)相作為合金的骨架，均勻的分布有助于提高合金的耐磨性能，另外，硬質(zhì)相聚集生長的區(qū)域容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，提高了硬質(zhì)相在磨損過程中的剝落趨勢。

Fe C Ti Cr系堆焊合金微觀組織及耐磨性能研究中，Ti元素含量增加到7.5%時，TiC化合物有聚集生長趨勢，在磨料磨損工況中服役時，碳化鈦的聚集生長會導(dǎo)致碳化鈦脫落，導(dǎo)致磨損性能下降。

通常情況下，硬質(zhì)相顆粒越細，合金的耐磨性越好。少數(shù)情況下，當(dāng)硬質(zhì)相硬度高于磨料時，隨著硬質(zhì)相顆粒尺寸增加，合金的耐磨性得到提高。

研究發(fā)現(xiàn)隨著硬質(zhì)相的顆粒尺寸增加，硬質(zhì)相與基體之間產(chǎn)生顯微裂紋的趨勢增加，隨著磨損時間的延長，裂紋不斷擴大，當(dāng)裂紋尺寸達到一定的臨界值時，碳化物將從基體中脫落，導(dǎo)致堆焊合金材料的耐磨性能降低。潘春旭等人[16]研究認為如果硬質(zhì)相顆粒尺寸細小或呈細桿狀均勻分布，則需要在界面處形成較大的應(yīng)力才能促使裂紋形成，硬質(zhì)相顆粒也不容易脫落。相反，如果硬質(zhì)相顆粒顆粒較大且呈長條形葉片狀，周圍就容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，硬質(zhì)相顆粒容易脫落，從而導(dǎo)致合金耐磨性能下降。

文獻中提到，當(dāng)合金微觀組織中存在韌性的樹枝晶，并且細小的碳化物和硼化物硬質(zhì)相均勻分布在樹枝晶中，這類合金具有很高的韌性，有的高達73.3 MPam1/2，同時這種微觀組織結(jié)構(gòu)有利于提高合金的耐磨性能。

3.3 硬質(zhì)相與基體匹配性對合金性能的影響

硬質(zhì)相和基體的匹配性對耐磨性能有重要影響，如馬氏體具有良好的固定碳化物的作用，但對于嚴(yán)重的磨料磨損工況，穩(wěn)定奧氏體基體顯得更為重要。在沖擊的磨料磨損的工況條件下，馬氏體基體脆性顯得偏高，固定碳化物的能力不夠，在磨損過程中碳化物容易發(fā)生脆斷和剝落，導(dǎo)致耐磨性能變差。大量的硬質(zhì)相構(gòu)成了抗磨損的骨架，基體在提高抗裂紋形成和擴展能力的同時，對硬質(zhì)相還具有良好的固定作用[21]，因此，硬質(zhì)相和基體的匹配性能有效地阻止磨料的切入，從而提高的合金材料的耐磨性能。

4 含超細硬質(zhì)相堆焊合金的研究現(xiàn)狀

由于硬質(zhì)相的大小、形態(tài)和分布對合金耐磨性有重要的影響。隨著堆焊合金的不斷發(fā)展，科研工作者們試圖通過改變硬質(zhì)相來改善合金組織與性能，優(yōu)化合金成分，得到硬質(zhì)相和基體的良好匹配，從而獲得優(yōu)良的綜合性能。

田大標(biāo)等人對鈮在高鉻鑄鐵堆焊合金中的存在狀態(tài)進行了研究，發(fā)現(xiàn)球形的碳化鈮與金屬基體具有良好的匹配性能，能夠提高合金材料的韌性。菱形的碳化鈮存在兩個銳角，其對基體的割裂作用要大于六方形的碳化鉻，這種微觀結(jié)構(gòu)的碳化鈮將降低合金材料的韌性。王寶森等人研究認為共晶碳化物呈網(wǎng)狀或長條狀形狀存在于晶界時，會大幅度降低堆焊合金的韌性及抗裂性，所以要改善堆焊合金的韌性和抗裂性，必須改善堆焊合金中共晶碳化物的分布，使其以細小的顆粒狀均勻分布于晶內(nèi)和晶界處，既可提高堆焊合金的硬度和耐磨性，又可提高堆焊合金的韌性和抗裂性。

細化碳化物有變質(zhì)和孕育處理、快速冷卻、合金化、熱速處理、懸浮鑄造等方法。對于堆焊合金，合金化、變質(zhì)和快速冷卻較為常用。通過加快冷卻速度，增大過冷度，使碳化物來不及長大從而得到細化。潘春旭研究的高鉻鑄鐵堆焊合金材料中，通過控制堆焊工藝，控制硬質(zhì)相M7C3碳化物的過度長大，得到細小且分布均勻的硬質(zhì)相，這能提高堆焊合金的耐磨性。田琴等人研究發(fā)現(xiàn)過流冷卻體可以改變高鉻鑄鐵熔體的成分場和溫度場，且熔體與過流冷卻體間、合金熔體間存在剪切應(yīng)力，能夠使奧氏體組織和M7C3碳化物細化。胡亮亮等人通過改變不同的冷卻速度，對比研究了CrC和VC的組織變化，降低冷卻速率，Cr形成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)減少，隨著合金中含Cr量減少，較小的冷卻速率使Cr元素主要固溶于基材中，合金硬度反而降低，而對于主要含VC的合金中，VC的大小和數(shù)量幾乎沒有變化，同樣，Liming Lu等人的研究認為Fe-Cr-C合金的顯微組織與合金凝固速率有關(guān)，纖維狀組織的間距和直徑隨凝固速率的增加而減小，合金的抗拉強度增加明顯。

由于合金中添加特定的元素，能夠使合金中形成細小的硬質(zhì)相，而均勻分布的硬質(zhì)相有助于提高合金的耐磨性能。Ti和V變質(zhì)劑加入到鐵液中能形成（TiC、VC、TiN）等高熔點硬質(zhì)相，成為初生碳化物的形核質(zhì)點，從而細化初生碳化物。吳曉俊等人研究發(fā)現(xiàn)Ti在高鉻鑄鐵中將形成細小的TiC相，這些TiC成為初生M7C3碳化物形核質(zhì)點，起到加速形核的作用；Ti富集在碳化物表面，阻礙合金中的Fe、Cr、C等碳化物形成元素的原子向碳化物晶體擴散，降低碳化物的生長速率，從而細化碳化物。

宗琳等人研究不同組織和碳化物對合金耐磨性的影響，發(fā)現(xiàn)合金中隨著V元素含量的增加，VC的數(shù)量增加，且初生碳化物M7C3和VC硬質(zhì)相顆粒更加細小。在堆焊合金熔池凝固過程中，碳化物的形成會釋放凝固潛熱，將過冷度降低，隨著碳化物形成數(shù)量增加，釋放的凝固潛熱越多，過冷度降低的越快，碳化物的長大受到抑制，從而碳化物得到細化，隨著碳化物細化，合金的磨損性能得到提高，當(dāng)V的含量增加到一定值時，由于基體中形成大量的共晶組織消耗了碳元素，使碳化物數(shù)量減少，合金的耐磨性反而降低。堆焊合金含有細小的硬質(zhì)相時，具有良好的綜合性能。根據(jù)大量的研究結(jié)果可知，堆焊合金中均勻分布有納米級硬質(zhì)相時，合金具有良好的硬度和韌性。

5 結(jié) 語

堆焊合金耐磨性不僅取決于硬質(zhì)相的數(shù)量，同時和硬質(zhì)相的分布形態(tài)以及晶粒大小緊密有關(guān)，只有在熔覆層中含有一定數(shù)量硬質(zhì)相、同時硬質(zhì)相分布均勻及晶粒大小適中的前提下，才能得到最佳的耐磨性?？蒲泄ぷ髡咄ㄟ^改變合金中硬質(zhì)相的形態(tài)、尺寸和分布獲得優(yōu)良綜合性能的堆焊合金具有重要意義。

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