Mo含量對亞共晶高碳高鉻合金組織及性能的影響

熊 中，徐 強，何 芹，王 艷

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

Mo含量對亞共晶高碳高鉻合金組織及性能的影響

熊 中，徐 強，何 芹，王 艷

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

將鉬鐵按一定比例加入焊條藥皮并均勻涂覆于H08A焊芯，制成焊條，熔覆于低碳鋼板。取試樣進行金相組織觀察、硬度實驗、XRD衍射分析、磨粒磨損實驗，研究Mo含量對堆焊層組織及耐磨性的影響。結(jié)果表明，Mo的加入能夠形成MoC、Mo2C等碳化物；置換M7C3碳化物中的金屬原子，形成復雜碳化物；溶入基體，提高堆焊層硬度，并能夠使共晶碳化物由菊瓣狀轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)狀，適量的Mo能夠改善堆焊層耐磨性。

Mo；亞共晶；高碳高鉻；耐磨性

0 前言

Fe-Cr-C系列耐磨合金因其良好的耐磨、耐蝕性且易于制取，常常被用于材料表面的處理。目前，已經(jīng)有許多研究人員[1-3]試圖在Fe-Cr-C系列耐磨合金中加入其他元素，從而改變其組織和耐磨性能，并且獲得了良好效果。但是，研究大多側(cè)重于過共晶合金，很少有學者對亞共晶合金進行系統(tǒng)研究。在此主要研究Fe-Cr-C系列的亞共晶合金，并且在其中加入一定梯度變化的鉬鐵，探究不同含量的鉬對亞共晶合金組織形貌及耐磨性的影響。

1 實驗材料和方法

將鉬鐵按一定比例加入由大理石、螢石、高鉻、石墨等組成的藥皮，并將其均勻涂覆于直徑為4 mm的H08A焊芯，制成焊條，經(jīng)晾干和烘干后進行堆焊。施焊前，將焊條置于烘干爐內(nèi)進行250℃×2 h的烘干作業(yè)。采用ZX7-400IGBT型電弧焊機，直流反接，

電流140～170 A，在Q235鋼上進行3層交叉堆焊實驗。利用DKM280AZ型數(shù)控電火花線切割機切取金相及耐磨試樣。堆焊層經(jīng)FeCl3-HCl溶液腐蝕后，用型號為LY-WN-HP SUPER CCD的萬能視頻成像裝置對其組織拍照。采用HVS-1000型數(shù)字式顯微硬度計進行顯微硬度測試，實驗載荷0.98kN，加載時間20 s。采用D/MAX-2500/PCX射線衍射儀對堆焊層進行物相分析。在MLG-130型干式橡膠輪磨粒磨損試驗機上進行耐磨性能測試，載荷45 N，磨損介質(zhì)為石英砂。將試樣預(yù)磨600 r后，利用JA2003型電子天平稱重，再進行正式測試1 200 r，再次稱重，兩次質(zhì)量之差即為磨損量，從而研究耐磨性能。

2 實驗結(jié)果和分析

堆焊合金化學成分如表1所示。

表1 堆焊合金化學成分Tab.1Chemical composition of the deposited metals％

堆焊合金中w（C）=2.15％～2.23％，w（Cr）=10.32％ ～15.74％，根據(jù)Fe-Cr-C系三元合金相圖（見圖1），可以發(fā)現(xiàn)本次堆焊合金屬于亞共晶組織范疇。

圖1 Fe-Cr-C三元系合金的液相面投影Fig.1Ternary liquid surface projection of Fe-Cr-C alloy

2.1 堆焊層組織與相分析

堆焊合金組織如圖2所示。

圖2 堆焊合金組織Fig.2Microstructure of the deposited metals

根據(jù)金相照片及亞共晶特征，在大量初生固溶體中間存在著共晶組織，合金凝固過程中，溶液中首先析出初生奧氏體，當合金達到共晶成分時，便形成奧氏體和M7C3碳化物共晶組織[4]。結(jié)合對合金中w（Mo）=1.51％的堆焊層X射線衍射分析（見圖3），發(fā)現(xiàn)其中含有奧氏體和馬氏體以及（Cr，F(xiàn)e）7C3碳化物，

因而認為堆焊合金基體為奧氏體與馬氏體，而共晶組織由奧氏體與馬氏體和（Cr，F(xiàn)e）7C3組成。由圖2可知，當未加Mo時，共晶組織較多，且呈現(xiàn)典型的菊瓣狀；當Mo含量逐漸增加時，共晶組織由菊瓣狀向條狀演變，最終呈網(wǎng)狀分布；即基體含量不斷增加，共晶組織逐漸減少。原因在于Mo能夠溶于奧氏體及其轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，推遲奧氏體轉(zhuǎn)變，使連續(xù)冷卻曲線右移，擴大α相，提高材料淬硬性[4-5]。同時，X射線衍射分析也驗證了Mo的加入能夠與C形成MoC、Mo2C等碳化物，該種碳化物能夠有效抵御磨料的浸蝕，提高堆焊合金耐磨性。

圖3 X射線衍射分析Fig.3X-ray diffraction analysis

2.2 硬度分析

硬度是材料抵抗硬物壓入其表面的能力。對堆焊金屬進行五點硬度測試，并取其平均值，如表2所示。

表2 堆焊合金硬度Tab.2Microhardness of the deposited metals

由表2可知，合金顯微硬度隨著Mo含量的增加而增加。究其原因，Mo加入合金中：①溶于奧氏體及其產(chǎn)物，提高材料淬透性；②形成碳化物MoC、Mo2C等；③溶入M7C3型碳化物，取代其中部分原子，形成復雜碳化物[4-6]；故而Mo的加入在提高基體硬度的同時也能增加碳化物的含量，進而提高堆焊層硬度。隨著Mo的增加，碳化物總量也在增加，所以其硬度也不斷增加。

2.3 磨損性能

合金磨損量如表3所示。堆焊合金在金相顯微鏡下的磨損形貌如圖4所示。

表3 堆焊合金的磨損量Tab.3Wear loss of the deposited metals

綜合磨損量及磨損形貌可以發(fā)現(xiàn)，隨著Mo含量的增加（圖4a～圖4c），磨損量減少，試樣表面犁溝在減輕；但當Mo超過一定含量后（圖4d、圖4e），犁溝逐漸加深并且伴隨著剝落現(xiàn)象。原因在于Mo的加入能夠溶入基體，提高基體硬度；形成MoC、Mo2C等碳化物；置換形成（Cr2.5Fe4.3Mo0.1)C3等特殊碳化物，這些碳化物硬度高，抗切削性能好，在磨損過程中對基體有很好的保護作用；基體韌性較好，可以防止裂紋的產(chǎn)生及擴展，對碳化物有支撐作用，防止碳化物在磨損過程中被剝落。但是當Mo含量超過一定值后，雖然可以形成更多的碳化物，提高材料硬度，但在磨粒磨損過程中，過多的碳化物受到擠壓而容易發(fā)生脫落，一旦碳化物脫落，磨料將直接作用于裸露的基體上，使得磨損量增加；同時，堆焊合金中碳含量有限，可能導致Mo含量過剩，而過剩的Mo則會偏析于晶界，導致堆焊層形成微裂紋而開裂[7]；堆焊合金中共晶碳化物含量不斷降低，逐漸呈網(wǎng)狀分布，難以與基體相互支撐，這也會導致合金耐磨性降低。綜合硬度與耐磨性分析，硬度與耐磨性不成線性關(guān)系。本實驗中，Mo含量為1.51％時其耐磨性最佳。

3 結(jié)論

（1）堆焊合金為亞共晶組織，基體為奧氏體與馬氏體，共晶組織由奧氏體、馬氏體和（Cr，F(xiàn)e）7C3組成。

（2）隨著Mo含量的增加，共晶組織由菊瓣狀向網(wǎng)狀演變，且Mo溶于基體、形成碳化物、置換M7C3碳化物中金屬原子，形成復雜碳化物，使得堆焊合金硬度不斷升高。

（3）在一定范圍內(nèi)，隨著Mo含量的增加，硬質(zhì)

相與韌性基體合理配合，合金磨損量逐漸減??；但超過該范圍后，形成過多碳化物，當其受到擠壓時易發(fā)生脫落，使得磨料直接作用于裸露的基體上，增加磨損量。堆焊合金硬度與磨損量不成線性關(guān)系。

圖4 堆焊合金磨損形貌Fig.4Wear morphology of the deposited metals

[1]袁有錄，李鑄國.高體積分數(shù)（Cr，F(xiàn)e）7C3增強Fe基涂層的組織及耐磨性研究[J]．摩擦學學報，2013，33（1）：79-84．

[2]王智慧，賀定勇．硼對Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織的影響[J]．材料工程，2001（10）：18-20．

[3]王智慧，賀定勇．NbC增強Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織與磨粒磨損性能[J]．焊接學報，2007，28（2）：55-58．

[4]郝石堅．鉻白口鑄鐵及其生產(chǎn)技術(shù)[M]．北京：冶金工業(yè)出版社，2011．

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Influence of Mo content on the microstructure and properties of hypoeutectic high carbon high chromium deposited metals

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

In this experiment，certain proportions of molybdenum iron was added to coverings and then coated to H08A welding core，deposited tolowcarbon steel.With the aid ofmetallographic microscope，X ray diffraction，Vivtorinox hardness tester，abrasive wear testing machine，themicrostructureand wearpropertieswereanalyzed and tested in thestateofdifferentproportionsofMo.Theresultsshowthat with the addition ofMo，carbides such as MoC、Mo2Ccan be formed;in place ofmetal atoms in M7C3，complexcarbide can be formed，dissolve into substrate，improve the hardness of deposited metals，and make the eutectic carbides by chrysanthemum petals into a mesh，a appropriate proportion ofMocan improve the wear resistance ofdeposited metals.

Mo；hypoeutectic；high carbon high chromium；wear resistanc

TG406

A

1001－2303（2016）09－0059-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.14

2016-04-23；

2016-07-06

四川省教育廳重點項目（13ZA0030）；汽車高性能材料及成形技術(shù)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）和西華大學2016研究生創(chuàng)新基金（ycjj2016140）

熊中（1989—），男，四川巴中人，在讀碩士，主要從事耐磨材料及材料耐磨性能的研究。