鈮元素對Fe-Cr-C系藥芯焊絲堆焊層耐磨性的影響

胡澤群 裘榮鵬宋宏魯

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院(沈陽 110161)

鈮元素對Fe-Cr-C系藥芯焊絲堆焊層耐磨性的影響

胡澤群 裘榮鵬*宋宏魯

遼寧裝備制造職業(yè)技術(shù)學(xué)院(沈陽 110161)

為研究合金元素對Fe-Cr-C系藥芯焊絲堆焊層耐磨性的影響機(jī)理，提高其工程使用范圍。在Fe-Cr-C系堆焊藥芯焊絲的基礎(chǔ)上，向藥芯成分中加入鈮元素(Nb)，通過磨料磨損試驗(yàn)研究了鈮元素對堆焊層耐磨性的影響，并結(jié)合硬度測量、化學(xué)成分分析、金相組織分析和磨損表面觀察等方法探索了鈮元素對堆焊層耐磨性影響的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：加入Nb元素的藥芯焊絲堆焊層洛氏硬度在58~61HRC之間，遠(yuǎn)高于沒有加入Nb元素的藥芯焊絲堆焊層；加入Nb元素的藥芯焊絲堆焊層在磨料磨損試驗(yàn)中平均體積損失在5.62~5.88mm3之間，，而沒有加入Nb元素的藥芯焊絲堆焊層平均體積損失為6.91mm3。經(jīng)分析認(rèn)為堆焊藥芯焊絲中加入鈮元素，堆焊后可形成硬質(zhì)相NbC，不僅提高堆焊層的硬度和耐磨性，同時(shí)具有促進(jìn)形核，細(xì)化晶粒的作用，這是其提高藥芯焊絲耐磨性的主要原因。

鈮元素；堆焊；藥芯焊絲；耐磨性

自保護(hù)藥芯焊絲(Self-shielded flux cored wire)在礦山、冶金、化工、建材等行業(yè)已逐漸取代耐磨焊條作為堆焊材料[1]。其中，F(xiàn)e-Cr-C系合金堆焊藥芯焊絲具有優(yōu)良的性能、低廉的成本而被廣泛使用，尤其是低應(yīng)力下抗磨料磨損性能較高。但是在更嚴(yán)峻的工況下，其耐磨性往往不能滿足工程實(shí)際的需求[2~5]。研究表明[6~9]，通過向藥芯焊絲成分中加入一定量的合金元素形成硬質(zhì)相，能夠明顯改善堆焊層的組織和性能，是一種行之有效的提高堆焊層耐磨性的方法。常見的合金元素有鈮(Nb)、硼(B)、鎢(W)、釩(V)、鉬(Mo)和鈦(Ti)等，主要是在堆焊層中形成碳化物和硼化物作為硬質(zhì)相。其中NbC硬質(zhì)相顯微硬度高達(dá)2 300~2 400HV，能有效提高堆焊層耐磨效果，同時(shí)Nb元素還具有細(xì)化晶粒、提高抗高溫氧化性和耐蝕性，降低鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度等作用。但Nb資源有限且價(jià)格較高，限制了其大范圍的推廣使用。與之相比，B資源豐富，成本相對較低，還具有良好的熱穩(wěn)定和抗輻射性，可作為堆焊藥芯焊絲的合金元素。因此，本文在Fe-Cr-C系堆焊藥芯焊絲的基礎(chǔ)上，在藥芯焊絲成分中加入一定量的Nb元素和B元素，通過磨料磨損試驗(yàn)觀察其耐磨性，并結(jié)合硬度測量、化學(xué)成分分析、金相組織分析研究其影響機(jī)理，以期為堆焊藥芯焊絲的研制提供可借鑒的基礎(chǔ)性成果。

1 試驗(yàn)材料及方法

為研究Nb元素對堆焊藥芯焊絲耐磨性影響，試驗(yàn)用三種堆焊藥芯焊絲作對比，其主要合金體系分別為Fe-Cr-C-Nb-B(代號(hào)為TA)、Fe-Cr-C(代號(hào)為TB)和Fe-Cr-C-Nb(代號(hào)為TC)，直徑均為2.8mm，均為自行制備。耐磨堆焊用鋼板為高強(qiáng)度碳素結(jié)構(gòu)鋼A36，其化學(xué)成分和力學(xué)性能如表1所示，尺寸為3 000mm× 1 500mm×6mm。

接速度200mm/min，送絲速度450cm/min；三種藥芯焊絲堆焊層厚度均保證為4mm，堆焊層寬度為30mm；焊接時(shí)下部墊冷卻板。焊后，每種堆焊藥芯焊絲從焊縫中心截取5個(gè)試樣，尺寸為75mm×25mm ×10mm，按GB/T 12444-2006《金屬材料磨損試驗(yàn)方法》打磨制備磨粒磨損試驗(yàn)試樣，在MLS-225型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)參數(shù)為：橡膠輪直徑為221mm，轉(zhuǎn)速為215r/min，橡膠輪邵爾硬度為HS14，載荷為130N，磨料為30~40目石英砂，砂漿比為1500g，配1 000g水。

表1 A36鋼化學(xué)成分及力學(xué)性能

洛氏硬度測試采用HR 150型洛氏硬度計(jì)，試樣經(jīng)砂紙打磨后測量5個(gè)點(diǎn)取其平均值；在JSM-6460 OLV型掃描電子顯微鏡下觀察分析堆焊層組織形貌；采用GENESIS 2000能譜儀對堆焊層組織進(jìn)行物相分析；在奧林巴斯GX 51金相顯微鏡下觀察堆焊層表面磨損情況

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 堆焊層硬度及化學(xué)成分

三種堆焊藥芯焊絲堆焊層化學(xué)成分和硬度值如表2所示。洛氏硬度試驗(yàn)結(jié)果顯示TA試樣堆焊層61HRC，TB試樣堆焊層50HRC，TC試樣堆焊層58HRC?？梢?，TA和TC堆焊藥芯焊絲堆焊層洛氏硬度值相當(dāng)，均高于TB堆焊藥芯焊絲堆焊層硬度。從堆焊層化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，TB和TA堆焊藥芯焊絲堆焊層C和Cr含量相當(dāng)，遠(yuǎn)高于TC堆焊層，但洛氏硬度測量結(jié)果顯示TB藥芯焊絲堆焊層硬度值反而低于TC藥芯焊絲堆焊層。經(jīng)分析認(rèn)為是因?yàn)門C藥芯焊絲成分中加入了Nb元素，焊后在堆焊層中形成了硬質(zhì)相NbC從而提高了其硬度值。

表2 堆焊層化學(xué)成分及硬度值

2.2 堆焊層顯微組織

堆焊層金相試樣用2%硝酸溶液腐蝕后在掃描電鏡下進(jìn)行觀察。圖1(a)和(b)為TA堆焊藥芯焊絲堆焊層顯微組織和XRD物相分析，表明TA堆焊藥芯焊絲堆焊層基體組織由Fe和Cr形成的多邊形碳化物M7C3，以及奧氏體(γ-Fe)和Fe-Cr共晶組織混合物組成，在TA藥芯焊絲堆焊層中還分布著NbC硬質(zhì)相，正是由于NbC硬質(zhì)相的強(qiáng)化作用，使得TA堆焊藥芯焊絲堆焊層耐磨性最好。圖1(c)為TB堆焊藥芯焊絲堆焊層顯微組織，是由Fe和Cr形成的多邊形碳化物M7C3，以及奧氏體(γ-Fe)和Fe-Cr共晶組織混合物組成。TC堆焊藥芯焊絲堆焊層顯微組織如圖1(d)所示，由Fe-Cr共晶組織和NbC硬質(zhì)相組成，與TA藥芯焊絲堆焊層硬質(zhì)相相比，其NbC數(shù)量少，分布集中，組織粗大。

2.3 堆焊層耐磨性

低電壓下堆焊層磨粒磨損試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。TA堆焊藥芯焊絲堆焊層平均體積損失最小，其次為TC堆焊藥芯焊絲堆焊層，TB堆焊藥芯焊絲堆焊層平均體積損失最多，說明TB藥芯焊絲堆焊層最不耐磨。三種堆焊藥芯焊絲耐磨性試驗(yàn)的結(jié)果與其硬度測量結(jié)果以及顯微組織相吻合。對比表2中各堆焊層化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，TA堆焊藥芯焊絲成分中因加入Nb和B元素焊接后過渡到堆焊層中形成NbC和硼化物，雖然圖1(b)顯示的硼化物衍射峰較弱，但表2中可表明TA藥芯焊絲堆焊層中確有一定量的B元素存在于堆焊層中。

圖1 堆焊層顯微組織及能譜分析

如前所述，NbC的顯微硬度最高可達(dá)2 400HV，遠(yuǎn)高于Cr7C3的1 800HV硬度值，能夠有效提高堆焊層在低電壓磨料磨損試驗(yàn)中的耐磨性。同時(shí)，在藥芯成分中加入元素Nb通過堆焊過渡到堆焊層中，與Cr相比Nb是強(qiáng)碳化物形成元素，在金屬凝固過程中優(yōu)先形成的NbC能夠成為形核中心，后形成的(Cr，F(xiàn)e)7C3以NbC為晶核長大，因此，加入Nb元素在金屬凝固過程中還具有阻礙晶粒長大起到細(xì)化晶粒的作用，所以，加入Nb元素的堆焊藥芯焊絲耐磨性在一定程度上都會(huì)得到提高。

另外，TB堆焊藥芯焊絲堆焊層屬于過共晶組織，與TA和TC藥芯焊絲堆焊層的亞共晶組織相比，在耐磨試驗(yàn)中堆焊層更容易出現(xiàn)微觀裂紋和破碎而夾在堆焊層表面與橡膠輪之間，增加了堆焊層的磨損損失。

2.4 堆焊層磨損表面

圖2(a)~(c)分別為TA、TB和TC藥芯焊絲堆焊層表面磨損形貌。從圖2(b)可見，其磨損表面存在大量與磨損方向一致的切削“犁”溝，犁溝兩側(cè)材料受擠壓向外側(cè)推移，發(fā)生塑性變形形成堆積隆起，說明這種堆焊層在磨粒磨損試驗(yàn)中，磨粒可以順利對該堆焊表面進(jìn)行顯微切削，其耐磨性一般。

表3 堆焊層磨粒磨損試驗(yàn)結(jié)果

圖2(c)顯示的TC藥芯焊絲堆焊層表面磨損后溝槽尺寸和數(shù)量明顯減少，沒有明顯的塑性變形，只有一定程度的劃痕，部分區(qū)域有小塊顆粒剝落，而大塊顆粒只是發(fā)生磨損而沒有剝落，經(jīng)分析，這些顆粒物即是NbC硬質(zhì)相，因而其耐磨性要好于圖2(b)所示的TB藥芯焊絲堆焊層。

圖2 堆焊層表面磨損形貌

圖2(a)為TA藥芯焊絲堆焊層表面形貌，可見在磨粒磨損試驗(yàn)中，其表面幾乎看不出磨損方向，沒有塑性變形，結(jié)合圖1(a)和(b)的顯微組織和能譜分析得知，是因?yàn)槎押笇咏M織中存在著大量的NbC硬質(zhì)相，因而在磨損過程中其本身的高硬度迫使劃痕發(fā)生轉(zhuǎn)向或終止，有效地增大了磨粒切削阻力，使磨粒難以鍥入堆焊層表面，限制了其顯微切削運(yùn)動(dòng)，因而耐磨性最好。

3 結(jié)論

(1)Fe-Cr-C系合金堆焊藥芯焊絲中加入一定量的Nb和B元素可提高焊后堆焊層的硬度值和耐磨性，且Nb元素對硬度值和耐磨性的影響要大于C和Cr元素的影響。

(2)Nb元素在Fe-Cr-C系合金堆焊藥芯焊絲中通過在堆焊層中形成NbC而提高其硬度值和耐磨性，同時(shí)還具有促進(jìn)形核、細(xì)化晶粒的作用。

(3)添加Nb元素后，堆焊層可減少顯微切削和“犁”溝作用而形成的磨損，提高其耐磨性。

[1]劉大雙,劉仁培,邱悅,等.無渣含鈮自保護(hù)堆焊藥芯焊絲的研制[J].焊接學(xué)報(bào),2012,33(9):73-76.

[2]王智慧,萬國力,賀定勇,等.Fe-Cr-B-C堆焊合金的組織與耐磨性[J].材料工程,2014,(9):57-62.

[3]丁芬,龔建勛,肖逸鋒,等.Fe-C-Cr-Nb-B系明弧堆焊合金的顯微組織及耐磨性[J].熱加工工藝,2013,42(19):21-24.

[4]付莉超,趙鑫,楊慶祥.含Nb元素堆焊層金屬中碳化物的析出行為[J].焊接學(xué)報(bào),2015,36(6):39-43.

[5]龔建勛,肖逸鋒,馬驀.過共晶高硼堆焊合金的顯微組織及耐磨性[J].材料工程,2011,(4):89-93.

[6]龔建勛,唐天順,肖逸鋒,等.亞共晶高硼鐵基合金的組織和性能[J].湘潭大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2011,33(1):103-106.

[7]田大標(biāo).鈮對高鉻鑄鐵堆焊層耐磨性的影響[J].焊接,2008,(1):58-60.

[8]行舒樂,余圣甫,鄧宇,等.鈮和氧化鈰對堆焊金屬耐磨性及沖擊韌性影響[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,40(6):24-28.

[9]潘川,吳智武,王移山,等.Nb在高鉻鑄鐵型堆焊金屬中的作用[J].中國表面工程,2012,25(1):104-109.

(責(zé)任編輯：文婷)

TG422.3

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1003-3319(2016)04-00003-03

10.19469/j.cnki.1003-3319.2016.04.0003

*通訊作者

遼寧開放大學(xué)應(yīng)用型專項(xiàng)研究“高強(qiáng)鋼金屬粉芯型藥芯焊絲研制”(2015YYYJ-2)