高碳高鉻耐磨堆焊合金組織及性能

何 芹，徐 強，熊 中，支紅旭，王 艷

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

高碳高鉻耐磨堆焊合金組織及性能

何 芹，徐 強，熊 中，支紅旭，王 艷

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

通過焊條電弧堆焊的方式形成高碳高鉻（Fe-Cr-C）耐磨合金堆焊層，分析不同碳含量對堆焊層組織、硬質相及耐磨性能的影響。結果表明：堆焊金屬的組織主要為M+A+C共+C初，初生碳化物類型為M7C3；隨著碳含量的增加，初生碳化物的含量增加，且其生長方向趨于垂直于母材表面；堆焊層硬度隨碳含量的增加而增加，但耐磨性在碳含量達一定程度（w（C）＞5.6％）時反而降低。

碳含量；碳化物；顯微組織；硬度；耐磨性

0 前言

高碳高鉻（Fe-Cr-C）耐磨堆焊合金硬度高、耐磨性好，近年來已被廣泛用于冶金、化工、礦山等領域承受低應力磨料磨損的設備上，如料斗、立磨磨輥及磨盤等。金屬材料的耐磨性與其微觀組織密切相關，就堆焊金屬而言，耐磨性不僅取決于硬質相的類型、數(shù)量和分布，還受基體形態(tài)和性質的影響。研究普遍認為[1-2]，F(xiàn)e-Cr-C系堆焊合金的耐磨機制通常是利用初生碳化物M7C3作為主要硬質相配合具有較高硬度的過共晶基體實現(xiàn)優(yōu)良的耐磨性能。為了追求更高的耐磨性能，目前采取的主要措施為增加碳的含量以形成更多的碳化物硬質相。不同的碳含量又是如何影響耐磨性能的呢？關于這方面的報道并不多見，因為焊接材料多由企業(yè)自主研發(fā)，成熟技術得不到公開，這不僅影響了選材，更阻礙了焊接材料的發(fā)展。為了解碳對堆焊層組織及耐磨性的影響，本研究自制焊條進行堆焊試驗，分析堆焊金屬的組織、硬質相的類型及磨損性能，旨在為提高Fe-Cr-C堆焊材料的耐磨性能提供參考。

1 試驗方法

采用H08A焊芯，直徑4 mm，以Ti-Ca渣系配制Fe-Cr-C焊條，藥皮配方由Cr、Fe、C元素及一些礦物質按比例混合而成，堆焊試驗在ZX7-400焊機上進行，堆焊電流170±10 A，電壓26±2 V，堆焊4層，堆焊表層化學成分如表1所示，1#～4#試樣碳含量逐漸增加。

用10％鉻酸酐水溶液電解腐蝕出堆焊層組織，

并在OLYMPUS光學顯微鏡下觀察堆焊層橫截面組織；在S-3400N型掃描電鏡（SEM）下分析碳化物形貌，用Oxford能譜儀（EDS）分析微區(qū)成分；利用HR-150A洛氏硬度計在堆焊表層取5點測試其硬度，試驗結果取平均值；采用D/MAX-2500/PC X射線衍射儀對堆焊層進行相結構分析。

表1 堆焊金屬主要化學成分Tab.1Chemical component of deposited metal％

在MLS-225型濕式橡膠輪磨損試驗機上進行磨損試驗，試樣尺寸57 mm×25 mm×5 mm，試驗面在表層焊道上。試驗時外加載荷5 kg，橡膠輪轉速240 r/min，磨料為-40～70目石英砂，預磨1 000 r后在精度為1?的天平上稱重，正式試驗為1 200 r，然后再稱重，兩次質量差為磨損失重，并與Q235鋼對比，作為試樣相對耐磨性。

2 試驗結果和分析

2.1 顯微組織

堆焊金屬表層橫截面金相組織如圖1所示，可見1#～4#堆焊金屬的微觀組織主要為馬氏體+殘余奧氏體+碳化物（初生碳化物+共晶碳化物）。

圖1 堆焊合金顯微組織Fig.1Microstructure of the cross-section of deposited metal

初生碳化物呈亮白色，橫截面為六邊形，縱截面呈纖維桿狀（見圖2）。進一步對初生碳化物進行EDS分析，結果如表2所示，所有試樣的初生碳化物類型均屬M7C3型，即（Fe，Cr）7C3。在初生碳化物的周圍存在著許多細小的蟲狀或小塊狀的碳化物，這些細小的碳化物為共晶碳化物，依附在初生碳化物的周圍生長，主要是以初生碳化物為晶核而形核長大；除初生碳化物和共晶碳化物，還可觀察到黑色的斑點狀組織為殘余奧氏體，它與隱針馬氏體一起組成基體組織，這樣的組織有利于改善堆焊金屬的韌性，提高其抗裂性，強化基體，提高耐磨性[3-4]。

比較圖1可知，隨著堆焊層中碳含量的增加，堆焊金屬中初生碳化物的密度增加，顆粒度變大，即初生碳化物含量增加。1#、2#試樣碳含量分別為3.8％和4.5％，靠近共晶成分，焊縫金屬冷卻結晶時初生碳化物顆粒少，分布稀疏，其生長方向有部分與母材表面垂直，也有斜向生長，見圖1a和圖1b；3#試樣碳含量較高，由圖1c可見，初生碳化物顆

粒較均勻，數(shù)量較多，初生碳化物的生長方向基本與母材表面垂直，根據(jù)文獻[5]報道，碳化物定向生長有利于提高耐磨性能。4#試樣焊絲碳含量高達6.5％，堆焊金屬冷卻結晶時，液相中析出較多的塊狀初生碳化物，碳化物體積大、總量多，垂直于母材表面成定向生長。

表2 初生碳化物微區(qū)成分分析（原子分數(shù)）Tab.2Component of the primary carbide％

圖2 初生碳化物縱截面SEM形貌Fig.2SEM of the 3#deposited metal longitudinal section

2.2 硬度

一般認為，堆焊金屬中碳及合金元素含量越高，堆焊金屬硬度越高，表3數(shù)據(jù)也反映了此規(guī)律。1#試樣與4#試樣相比，在鉻含量相差不大的情況下，1#試樣的宏觀硬度為58.2 HRC，而4#試樣的宏觀硬度為65.5 HRC，由圖1可知后者的初生碳化物數(shù)量相比前者明顯增多，碳化物（Fe，Cr）7C3的橫截面硬度為1616.0HV，縱截面硬度1 186.1HV[6]，另外隨著含碳量的增加，碳化物的生長趨于一致，有利于增加顯微硬度；所以含碳量越高，堆焊層的硬度越高。

表3 堆焊合金的宏觀硬度（HRC,平均值）Tab.3Hardness of deposited metals

2.3 耐磨性

耐磨性試驗結果如表4所示，試驗堆焊合金的耐磨性明顯優(yōu)于Q235鋼。濕式橡膠輪磨損試驗中堆焊金屬主要承受微觀切削，在切應力的作用下，硬質相（Fe，Cr）7C3主要起抗磨損骨架的作用，基體在抗裂紋形成和擴展的同時，對硬質相還起到支撐作用[7]，因此，硬質相和基體的良好匹配能夠有效阻礙微觀切削，提高試樣的耐磨性。本研究堆焊金屬基體組織為馬氏體和奧氏體的混和組織，是一種理想的耐磨基體[8]。試驗中硬質相碳化物對堆焊合金的耐磨性貢獻很大，高硬度的碳化物以單體存在，能有效抵御石英砂磨粒的連續(xù)切削，保護基體。

表4 濕砂（SiO2）橡膠輪磨損試驗結果(平均值，保留小數(shù)點后四位有效數(shù)字)Tab.4Results of wear tests with damp quartzite rubber wheel

比較表4可知，不同含碳量堆焊合金的耐磨性存在較大差異，在碳含量較低時耐磨性隨碳含量的增加而增加，但當碳含量達一定值時（w（C）=5.6％），碳含量增加，耐磨性反而降低。碳是形成碳化物的主要元素，碳化物對耐磨性的影響與其尺寸、分布和形態(tài)有關。1#、2#試樣碳含量低，初生碳化數(shù)量較少，碳化物不足且其生長方向雜亂而不能起到良好的抵抗作用，耐磨性降低；4#試樣耐磨性最低，主要是由于合金體系中碳含量過高，初生碳化物的數(shù)量過多，基體較弱。碳化物是硬、脆相，在磨料的擠壓和削蝕作用下，碳化物因缺少基體強有力的支撐易發(fā)生破碎而脫落，從而導致耐磨性急劇降低。3#試樣中碳化物數(shù)量多，且呈桿狀（碳化物成長方向垂直于磨損面）均勻分布，磨損過程中硬質相-基體界面處形成裂紋所需的應力集中就大[8-10]，硬質相顆粒不易脫離集體，耐磨性好。由此可見，對于Fe-Cr-C系高碳、高鉻耐磨堆焊合金，通過調整C含量控制基體與耐磨相在熔敷金屬中的相對量至關重要。

由磨損試驗可知，M7C3型碳化物的抗磨損骨架作用有效地提高了試樣的耐磨性，但M7C3是硬脆

相，磨損過程中碳化物的斷裂和脫落也會加速試樣的磨損，在這對矛盾的因素中，基體金屬與碳化物的匹配尤其重要。

3 結論

（1）堆焊金屬組織主要為M+A+C共+C初（C共為共晶碳化物、C初為初生碳化物），初生碳化物類型屬M7C3型復合碳化物；隨著含碳量的增加，初生碳化物的密度增加，顆粒度變大，即初生碳化物的含量增加，且初生碳化物的成長方向逐漸趨于與母材表面垂直。

（2）隨著堆焊金屬中碳含量的增加，硬度逐漸增加；但堆焊金屬的耐磨性與硬度沒有簡單的對應關系，當碳含量較低時（w（C）＜5.6％），耐磨性隨碳含量的增加而增加，當碳含量高到一定程度時，耐磨性反而降低。

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Microstructure and wear performance of Fe-Cr-C hardfacing alloy

HE Qin，XU Qiang，XIONG Zhong，ZHI Hongxu，WANG Yan
（College of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

Fe-Cr-C hardfacing alloy prepared by shielded metal arc welding（SMAW），was studied by analyzing the influence of carbon content on microstructure，hard phase and wear performance.The results indicate that the microstructure of the deposited metal consists of martensite，austenite and carbides（primarycarbide and eutectic carbide），and the type ofprimarycarbide is M7C3.The content ofprimary carbide increases as the carbon content in deposited metals increases，and their growth direction tends tobe perpendicular tothe base metal.The hardness ofdeposited metals increases alongwith the increase ofcarbon content.However，its wear resistance does not completelyaccord with the tendencyofhardness.It decreases after the carbon content reaches up toabout 5.6％.

carbon content；carbides；microstructure；hardness；wear performance

TG406

A

1001-2303（2016）09-0020-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.05

2016-03-03；

2016-07-13

四川省教育廳重點項目（13ZA0030）；汽車高性能材料及成形技術四川省高校重點實驗室開放基金（szjj2015-090）；2015省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（201510623002）

何芹（1992—），女，四川巴中人，在讀碩士，主要從事先進連接技術的研究。