Co對(duì)多元碳化物復(fù)合熔覆層 高溫性能的影響

龍偉民 劉大雙 傅玉燦 吳銘方 賈連輝

摘要：通過藥芯焊絲電弧堆焊的方法制備出不同Co添加量的多元碳化物復(fù)合熔覆層，該熔覆層相組成為M7（C， B）3、M3（C， B）碳化物、馬氏體及少量殘余奧氏體（M=Cr、Fe、Mn、Co等），且隨著Co添加量的增加，組織中奧氏體枝晶數(shù)量增加，尺寸亦有所增大。多元碳化物復(fù)合熔覆層經(jīng)高溫回火（600 ℃×4 h）后，初生M7（C， B）3碳化物及共晶M3（C， B）碳化物均未發(fā)現(xiàn)明顯變化，而奧氏體顏色變?yōu)榛液冢S著Co添加量的增加，多元碳化物復(fù)合熔覆層的高溫回火穩(wěn)定性逐漸增加。此外，當(dāng)Co添加量為6%時(shí)，多元碳化物復(fù)合熔覆層的高溫耐磨性最佳，這與該多元復(fù)合熔覆層在高溫下仍具有最高的硬度及良好的高溫回火穩(wěn)定性密切相關(guān)。

關(guān)鍵詞：Co含量;多元碳化物;高溫耐磨性;復(fù)合熔覆層;藥芯焊絲

中圖分類號(hào)：TG422.3? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2020）09-0011-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.02

0? ? 前言

在冶金、石化等行業(yè)中，大量金屬零部件均因磨損及氧化作用而失效。如冶金工業(yè)軋鋼廠高溫耐磨件及石油化工行業(yè)高壓閥門閥板等，在高溫環(huán)境里受到強(qiáng)烈磨損，這就要求材料具有優(yōu)異的高溫回火穩(wěn)定性及高溫耐磨性[1]。目前，高溫耐磨材料以鈷基合金和鎳基合金為主，但因其成本高、資源短缺，研究者從未停止尋找替代材料的步伐[2]。鐵基合金不僅可通過成分調(diào)整在很大范圍內(nèi)優(yōu)化熔覆層的強(qiáng)度、韌性、耐磨及耐熱性，而且價(jià)格相對(duì)低廉，經(jīng)濟(jì)性好，因此在耐磨領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用[3]。其中，通過在鐵基合金組織中形成大量初生Cr7C3碳化物提高了熔覆層耐磨性，為了進(jìn)一步提高耐磨性、耐熱性、抗氧化性，加入一些其他元素，如B、Mn、Si等。其中B可溶入碳化物或置換碳化物中的碳原子，形成硬質(zhì)硼化物或復(fù)合硼碳化合物相，也可能左移共晶點(diǎn)，增加多元復(fù)合碳化物數(shù)量及硬度值[4]。

鈷基合金是一種優(yōu)良的高溫合金，Co對(duì)合金材料的高溫性能具有顯著作用。有研究表明[5]，Co添加至銅基預(yù)合金粉中，可以增強(qiáng)高溫?zé)Y(jié)中胎體對(duì)金剛石的把持力，Co在鐵基合金中亦可能對(duì)高溫性能有益。Co對(duì)時(shí)效硬化工具熔覆合金硬度和紅硬性影響的研究結(jié)果表明[6]，隨著Co含量的增加，熔覆合金硬度和紅硬性均有所增加。文獻(xiàn)[7]研究了Co對(duì)多元碳化物熔覆層常溫耐磨性的影響，文中將進(jìn)一步研究Co對(duì)多元碳化物熔覆層高溫性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

焊絲外皮采用H08A鋼帶（16 mm×0.3 mm），里面包裹按一定比例均勻混合而成的200～300目石墨及高碳鉻鐵、錳粉、硅鐵、鋁鎂合金等合金粉末。經(jīng)焊絲成形機(jī)軋制拉撥至2.4 mm，填充率約50%。在藥芯中分別添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%，6%，9%，12%的Co粉，制備出不同Co添加量的藥芯焊絲。

采用Miller Dimension 812多功能焊機(jī)在45鋼試板（200 mm×100 mm×25 mm）上實(shí)施熔覆，熔覆電流250～300 A，電壓28～36 V，干伸長(zhǎng)30 mm，焊接速度180 mm/min。連續(xù)熔覆4層，層間溫度200 ℃，熔覆層厚度大于10 mm。使用線切割機(jī)對(duì)熔覆層表面切取試樣，尺寸分別為15 mm×15 mm×5 mm和5 mm×5 mm×5 mm。利用光譜儀測(cè)知熔覆層基本化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為：w（C）3.2%，w（B）1.4%，w（Cr）16.8%，w（Mn）2.6%，w（Si）1.0%;四種熔覆層中Co含量分別為1.42%，2.88%，4.37%和 5.75%;余量為Fe。

采用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕試樣（5 mm×

5 mm×5 mm），并利用ZEISS金相顯微鏡對(duì)熔覆層進(jìn)行金相分析。采用HRS-150A數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)量硬度。高溫回火試驗(yàn)是將試樣加熱至600 ℃并保溫4 h，再爐冷至室溫。

利用UMT-2高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量復(fù)合熔覆層試樣（15mm×15mm×5mm）的高溫耐磨性能，磨損溫度設(shè)定600 ℃，摩擦載荷10 N，速度560 r/min，磨球材質(zhì)為AISI T2高速工具鋼（62 HRC），磨球直徑3 mm，磨痕半徑4 mm，磨損時(shí)間25 min。磨損試驗(yàn)后，采用OLYMPUS OLS4000型共聚焦激光掃描顯微鏡觀察磨損形貌，并使用OLS4000軟件自動(dòng)獲取磨痕橫截面積S，測(cè)算磨損體積。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 高溫回火穩(wěn)定性

焊態(tài)下不同Co含量多元碳化物復(fù)合熔覆層的微觀組織如圖1所示，其相組成為M7（C，B）3、M3（C，B）碳化物、馬氏體及少量殘余奧氏體[7]。由圖1a可知，初生M7（C，B）3碳化物呈六邊形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部存在孔洞，呈半閉合狀態(tài)，但晶粒較為粗大，其周圍分布有少量呈網(wǎng)狀分布的共晶M3（C，B）碳化物。其中，M代表Cr、Fe、Mn、Co等合金元素，且含量在不同Co含量的熔覆層中存在不同占比。圖1b、圖1c中存有長(zhǎng)塊狀碳化物，這是由于初生M7（C，B）3碳化物生長(zhǎng)方向發(fā)生變化所呈現(xiàn)的形貌。由圖1還發(fā)現(xiàn)，Co含量的增加使得組織中的奧氏體枝晶數(shù)量增加，尺寸亦有所增大。

高溫回火（600 ℃×4 h）后不同Co含量多元碳化物復(fù)合熔覆層微觀組織如圖2所示。與焊態(tài)組織相比，在高溫回火組織中，初生M7（C，B）3碳化物及共晶M3（C，B）碳化物均未發(fā)現(xiàn)明顯變化，而奧氏體顏色變?yōu)榛液凇?/p>

多元碳化物復(fù)合熔覆層高溫回火硬度及焊態(tài)硬度值及其變化規(guī)律如圖3所示?？梢钥闯?，焊態(tài)時(shí)不同Co含量多元碳化物復(fù)合熔覆層硬度均大于60 HRC，且當(dāng)Co含量為6%時(shí)，合金組織硬度值達(dá)到最大值64.3 HRC。經(jīng)過高溫回火處理后，四種不同Co含量多元碳化物復(fù)合熔覆層的硬度均有所降低，且硬度降低率從6.37%（Co含量為3%）減少至2.61%（Co含量為12%）。結(jié)果表明，合金硬度降低率隨著多元碳化物復(fù)合熔覆層中Co含量的增加而降低。

2.2 高溫耐磨性

600 ℃高溫磨損結(jié)果如圖4所示。Co添加量為3%時(shí)，體積損耗量高達(dá)0.47 mm3;Co含量為6%時(shí)，體積損耗為0.21 mm3;Co添加量為9%時(shí)，體積損耗為0.43 mm3;Co含量達(dá)到12%時(shí)，體積損耗量為0.29 mm3?？芍?dāng)Co添加量為6%時(shí)，高溫耐磨性最佳。這與合金組織、硬度結(jié)果相一致。添加適量Co可使多元碳化物復(fù)合熔覆層的耐磨性有所提高，但當(dāng)Co含量超過6%時(shí)耐磨性又開始下降。

不同Co添加量多元碳化物復(fù)合熔覆層高溫磨損形貌如圖5所示。由圖可知，2、4號(hào)試樣劃痕表面較光滑，3號(hào)試樣較為粗糙。采用體積法計(jì)算得到的體積損耗如圖4、圖5所示。當(dāng)Co添加量為3%時(shí)，磨損較為嚴(yán)重，并伴有明顯的犁溝。當(dāng)Co添加量增至6%時(shí)，磨痕較淺，且可見初生M7（C， B）3碳化物完整地存在于磨損面，作為耐磨骨架顯著提升了耐磨性。當(dāng)Co添加量繼續(xù)增至9%時(shí)，磨損形貌與Co添加量為3%時(shí)相似。Co添加量12%時(shí)，多元碳化物復(fù)合熔覆層的磨損形貌與Co添加量為6%時(shí)相似。對(duì)于四種含Co多元碳化物復(fù)合熔覆層，其磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損，未出現(xiàn)明顯的粘著磨損特征。

3 分析與討論

對(duì)于不同Co添加量的復(fù)合熔覆層微觀組織中均存在M7（C，B）3、M3（C，B）多元碳化物，且Co含量對(duì)多元碳化物的直接影響并不明顯。同時(shí)Co作為一種奧氏體形成元素，在多元碳化物復(fù)合熔覆層中穩(wěn)定了奧氏體，增加了奧氏體尺寸及含量。而奧氏體相的增加，一方面可能引起復(fù)合熔覆層硬度的降低，但另一方面會(huì)增強(qiáng)多元碳化物復(fù)合熔覆層的韌性。研究還表明[7]，Co既存在于M7（C，B）3、M3（C，B）多元碳化物中，也存在于馬氏體及殘余奧氏體中，起到一定的固溶強(qiáng)化作用。綜上所述，Co對(duì)于多元碳化物復(fù)合熔覆層的微觀組織及性能的影響是復(fù)雜的。當(dāng)Co含量為6%時(shí)，復(fù)合熔覆層具有最高的硬度，這是由于多元碳化物的合理分布及Co的固溶強(qiáng)化起到主導(dǎo)作用，當(dāng)Co含量繼續(xù)增加，奧氏體含量的增加使得熔覆層軟化效應(yīng)凸顯，導(dǎo)致硬度反而下降。

經(jīng)過高溫回火（600 ℃×4 h）的多元碳化物復(fù)合熔覆層，奧氏體受到高溫作用，可能發(fā)生分解，而M7（C，B）3、M3（C，B）多元碳化物幾乎不受影響，這是由于高熔點(diǎn)、高硬度的多元碳化物較之奧氏體具有更優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。雖然高溫回火處理使得多元碳化物復(fù)合熔覆層的硬度均有不同程度的下降，但是下降幅度（即硬度降低率）隨著Co添加量的增加而逐漸降低，由此可見，Co元素促進(jìn)了多元碳化物復(fù)合熔覆層的高溫回火穩(wěn)定性。

Co添加量為6%時(shí)多元碳化物復(fù)合熔覆層的高溫耐磨性最佳，這與多元復(fù)合熔覆層在高溫下仍具有最高的硬度及良好的高溫回火穩(wěn)定性密切相關(guān)。雖然600 ℃高溫對(duì)多元碳化物組織的影響不大，而對(duì)奧氏體的穩(wěn)定性影響更甚，但是Co含量的增加仍然有利于提高多元碳化物復(fù)合熔覆層的高溫穩(wěn)定性，因此Co含量為12%時(shí)，多元碳化物復(fù)合熔覆層顯示出僅次于Co為6%時(shí)的高溫耐磨性。因此，Co對(duì)多元碳化物復(fù)合熔覆層高溫性能的影響是上述多種因素綜合作用的結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）通過藥芯焊絲電弧堆焊的方法，可以制備出不同Co含量的多元碳化物復(fù)合熔覆層，該熔覆層相組成為M7（C，B）3、M3（C，B）碳化物、馬氏體及少量殘余奧氏體，且隨著Co添加量的增加，組織中奧氏體枝晶數(shù)量增加，尺寸亦有所增大。

（2）將高溫回火（600 ℃×4 h）后的不同Co添加量多元碳化物復(fù)合熔覆層微觀組織與其焊態(tài)組織相比，發(fā)現(xiàn)初生M7（C，B）3碳化物及共晶M3（C，B）碳化物均未有明顯變化，而奧氏體顏色變?yōu)榛液凇?/p>

（3）Co添加量在0%～12%范圍內(nèi)，隨著Co添加量的增加，多元碳化物復(fù)合熔覆層的高溫回火穩(wěn)定性逐漸增加。

（4）當(dāng)Co添加量為6%時(shí)，多元碳化物復(fù)合熔覆層的高溫耐磨性最佳，這與該多元復(fù)合熔覆層在高溫下仍具有最高的硬度及良好的高溫回火穩(wěn)定性密切相關(guān)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王華明， 于利根. 新型高溫耐磨耐蝕合金的研制及其復(fù)合鑄造技術(shù)的應(yīng)用[C]. 21世紀(jì)全國耐磨材料大會(huì)—第九屆全國耐磨材料磨損失效分析與抗磨技術(shù)學(xué)術(shù)會(huì)議， 2000.

[2] 汪圣林. Fe-Cr-B-C系高溫耐磨堆焊合金的組織和磨損性能[D]. 北京： 北京工業(yè)大學(xué)， 2015.

[3] 劉政軍， 季杰. 鉻鎳鎢鈮系鐵基高溫耐磨合金等離子弧堆焊[J]. 焊接學(xué)報(bào)， 1997， 18（4）： 216-221.

[4] Liu D S， Liu R P， Wei Y H， et al. Microstructure andwear properties of Fe-15Cr-2.5Ti-2C-xB wt.% hardfacing alloys [J]. Applied Surface Science， 2013（271）： 253-259.

[5] 龍偉民， 劉文明， 朱坤， 等. 預(yù)合金粉在金剛石工具燒結(jié)中的釬焊作用[J]. 焊接， 2008（3）： 36-38.

[6] 李文靜， 魏琪， 朱學(xué)軍， 等. Co元素對(duì)時(shí)效硬化工具合金TIG堆焊金屬粉芯焊絲堆焊層硬度及紅硬性的影響[J]. 焊接， 2002（11）： 19-21.

[7] Liu D S， Long， W M， Wu M F， et al. Microstructure and wear performance of cobalt-containing iron-based slag-free self-shielded flux-cored wire [J]. Journal of Materials Engineering and Performance， 2019， 28 （4）： 2158-2166.

Effect of Co additive on high temperature property of hardfacing alloy

LONG Weimin1， LIU Dashuang2， FU Yucan3， WU Mingfang2， JIA Lianhui4

（1. China Innovation Academy of Intelligent Equipment Co.， Ltd， Ningbo 315700， China; 2. School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China; 4. China Railway Engineering Equipment Group Limited Company， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： The multi carbide composite cladding layers with different Co contents were prepared by flux-cored wire arc welding. The microstructure of the cladding layer was composed of M7（C， B）3， M3（C， B） carbide， martensite and a small amount of retained austenite （M = Cr， Fe， Mn， Co， etc.）. With the increase of Co content， the amount and size of austenite dendrite was increased. After high temperature tempering （600 ℃× 4h）， the primary M7（C， B）3 carbides and eutectic M3（C， B） carbides didn’t change obviously， but the color austenite turned gray black， which indicated that austenite was oxidized. Moreover， the high temperature tempering stability of multi carbide composite cladding layer was increased gradually. In addition， when the Co content is 6%， the best high temperature wear resistance of the multi-component carbide composite cladding layer was closely related to the highest hardness and good high-temperature tempering stability of the multi-component composite cladding layer.

Keywords： Co content; multiple carbides; high temperature wear resistance; composite cladding layer; flux-cored wire