Nb和N對Fe-Cr13-C堆焊層金屬耐磨性能的影響

冒志偉 楊可 李嘉琪 徐亮 王秋雨 包曄峰

摘要：在Fe-Cr13-C耐磨堆焊焊條藥皮中加入Nb和N進行合金化并進行堆焊試驗。采用光學顯微鏡、掃描電鏡觀察堆焊層金屬的顯微組織;利用滑動摩擦磨損試驗機測試堆焊層金屬的耐磨性能，研究Nb和N對Fe-Cr13-C堆焊層金屬耐磨性能的影響。結(jié)果表明：堆焊層金屬中鈮和氮的加入能細化馬氏體，并且使析出相分布更未均勻，具有明顯的細晶強化和析出強化作用，硬度提高約25%;使摩擦磨損磨痕最大深度減小約72%，平均磨痕截面積減小約81%，耐磨性能得到顯著提高。

關(guān)鍵詞：合金化;堆焊;顯微組織;耐磨性

中圖分類號：TG422.1 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）08-0031-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.06

0 前言

在工業(yè)環(huán)境中，材料的失效行為很大程度上是磨損所導(dǎo)致的，如機械設(shè)備的運動部件在接觸運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生相對運動，導(dǎo)致摩擦磨損，這將直接影響設(shè)備使用壽命[1]。近年來，隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新，許多機械設(shè)備需要進行轉(zhuǎn)型升級，以面對更為嚴苛的工作環(huán)境[2]。因此，研究高耐磨性材料具有重要意義。

堆焊技術(shù)是一種材料表面改性技術(shù)，通過冶金反應(yīng)在堆焊層與母材之間形成高強度接頭，不僅可以使母材獲得高耐磨性表面，還能快速修復(fù)表面遭到破壞的機械零部件[3]。因此，在水利機械、礦山機械、汽車制造、模具修復(fù)等行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

已有學者嘗試通過添加合金元素進一步提高堆焊層金屬耐磨性能。Wang[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，在高鉻硬面合金中添加N元素可以細化（Fe，Cr）7C3初生相，不僅能提高材料的沖擊吸收能，還能改善材料的耐磨性。王智慧[8]等人在Fe-Cr-C硬面合金中加入NbC發(fā)現(xiàn)，NbC可以增強合金中耐磨骨架的支撐作用，顯著提高耐磨性。

因此，文中在Fe-Cr13-C合金中加入N，并通過Nb的固氮作用形成合金化Fe-Cr13-C堆焊層金屬，進行往復(fù)式滑動摩擦磨損實驗，研究鈮和氮對其耐磨性能的影響，為耐磨材料的開發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

實驗采用1Cr13不銹鋼堿性焊條（φ4 mm）。焊條藥皮中大理石、螢石、鉀長石、鋯英砂等可以調(diào)整焊縫的脫渣性、飛濺率、熔敷效率和成型性;稀土硅、錳鐵、鉬鐵等使焊縫金屬充分脫氧以提高焊縫質(zhì)量。為滿足合金化要求，在藥皮中加適量鈮鐵和氮化鉻。

1.2 實驗方法

采用ZX7-400 型電焊機將制備的焊條分別在母材上進行電弧堆焊以得到堆焊層金屬。焊接工藝參數(shù)為：直流反接;焊接電流130～150 A;電弧電壓27～32 V;焊接速度15～20 m/h。將未加入鈮和氮的堆焊層金屬試樣記為1#，加入鈮和氮的堆焊層金屬試樣記為2#。利用金相切割機在垂直于堆焊層表面上切取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣和20 mm×10 mm×10 mm磨損實驗試樣，將試樣表面用砂紙打磨并進行機械拋光。金相試樣用CuSO4-HCl溶液（4 g CuSO4+20 mL HCl+25 mL水）腐蝕。采用滑動摩擦磨損試驗機分別對兩組試樣進行滑動摩擦磨損測試，摩擦磨損實驗參數(shù)為：對磨材料為直徑6 mm的ZrO2;施加載荷為10 N;滑動摩擦次數(shù)為12 000次;滑動摩擦距離為240 000 mm。采用XJG-05型臥式金相顯微鏡觀察試樣金相組織形貌;采用HR-150DT型數(shù)顯洛氏硬度計測量試樣室溫下的硬度;采用S3400N 型掃描電子顯微鏡觀察試樣顯微組織和磨損形貌。

2 實驗結(jié)果

2.1 堆焊層金屬顯微組織

1#和2#堆焊層金屬試樣的金相顯微組織如圖1所示?？梢钥闯?，兩種堆焊層金屬試樣的顯微組織都由板條馬氏體、少量殘余奧氏體和顆粒狀析出相組成。

兩組試樣堆焊層金屬的SEM照片如圖2所示?？梢钥闯?，相比1#試樣，2#試樣中的馬氏體板條尺寸明顯減小;1#試樣中析出相數(shù)量少且尺寸大，2#試樣中析出相數(shù)量多且尺寸小，在基體上分布更為均勻。

對比兩組試樣的顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，鈮和氮的加入使得堆焊層金屬中的馬氏體板條發(fā)生細化。這是因為在金屬冷卻凝固過程中，在溫度較高階段會析出含鈮的碳、氮化物，根據(jù)經(jīng)典形核理論，先析出的顆?？梢宰鳛閵W氏體晶粒異質(zhì)形核的質(zhì)點。異質(zhì)形核有利于增加奧氏體晶粒數(shù)量，減小尺寸。隨著溫度繼續(xù)降低，奧氏體晶粒發(fā)生切變生成馬氏體，由于奧氏體晶粒減小，生成的馬氏體晶粒也相應(yīng)減小。因此，堆焊層金屬中鈮和氮可以起到細化晶粒的作用。

2.2 堆焊層金屬硬度

在兩組試樣上選取5個點測量硬度值，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)計算得出1#試樣的平均洛氏硬度值為38.5，2#試樣的平均洛氏硬度值為48.1，2#試樣的硬度比1#試樣提高約25%。此外，1#試樣硬度值的標準差為1.91 HRC，2#試樣的硬度值標準差為0.62 HRC，這表明2#試樣各處硬度值的差異較小，組織更為均勻。

2.3 堆焊層金屬磨損形貌

1#試樣堆焊層金屬磨損形貌如圖4a所示，磨痕表面有大片的剝落坑，磨損機理主要是疲勞磨損，試樣表面磨損程度較為嚴重。2#試樣堆焊層金屬磨損形貌如圖4b所示，磨痕表面有較淺的犁溝，磨損機理主要是磨粒磨損。在磨損過程中析出相會從基體剝落。由于2#試樣中析出相數(shù)量較多，磨粒磨損明顯，因而在磨痕表面主要以犁溝形貌為主，試樣表面磨損程度較輕。

使用Nanovea 3D表面掃描儀對兩組試樣的磨痕進行掃描分析，整理所得數(shù)據(jù)如圖5所示。可以看到，1#試樣磨痕最大深度為18.2 μm，平均磨痕截面積為8 090 μm2;2#試樣磨痕最大深度為5.09 μm，平均磨痕截面積為1 509 μm2。兩者相比，2#試樣磨痕最大深度減小約72%，平均磨痕截面積減小約81%。顯然2#試樣的磨損量明顯遠遠小于1#試樣。因此，試樣2#的耐磨性明顯優(yōu)于1#試樣。

3 討論

從滑動摩擦磨損實驗結(jié)果來看，鈮和氮的加入顯著提高了Fe-Cr13-C堆焊層金屬的耐磨性。

堆焊層金屬在交變應(yīng)力反復(fù)作用下會出現(xiàn)嚴重塑性變形，使得材料局部強度降低。在最大剪切應(yīng)力處裂紋開始萌生，隨著變形程度的加深，裂紋會沿著最大剪切應(yīng)力擴展到表面引起材料表面損傷，并且在滑動摩擦過程中，基體和析出相的結(jié)合界面處不斷產(chǎn)生塑性變形積累，并引起應(yīng)力集中。當應(yīng)力超過二者的臨界結(jié)合強度時，析出相會從基體脫落，使得基體失去析出相的保護作用，加劇材料的磨損?；瑒幽Σ聊p是一種切入式磨損，提高材料硬度可以顯著提高其耐磨性。由于2#試樣中析出相在馬氏體基體上分布更為均勻，具有良好的析出強化效果;且2#試樣中馬氏體晶粒發(fā)生細化，有細晶強化的效果;所以，在堆焊層金屬中添加鈮和氮可以明顯提高材料硬度。在摩擦磨損過程中，磨球在高硬度的材料表面壓入深度、接觸面積以及材料的磨損體積均會減小。因而堆焊層金屬的磨損量很小。

堆焊層金屬的磨痕上存在被磨屑填實的犁溝，呈現(xiàn)連續(xù)的長條狀的堆積帶。部分斷裂的析出相在受到垂直方向壓力后會嵌入磨屑堆積帶中，減小對基體的磨損作用，在某種程度上磨屑堆積塊可以起到保護基體的作用。

此外，根據(jù)上文的分析，鈮和氮的加入可以產(chǎn)生細化晶粒的效果。細化的晶粒受到外力作用發(fā)生塑性變形時塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小。此外，晶粒越細，晶界面積越大，晶界越曲折，越有利于阻止裂紋擴展。因此，鈮和氮的加入使Fe-Cr13-C堆焊層金屬表現(xiàn)出良好的耐磨性。

4 結(jié)論

（1）加入鈮和氮，F(xiàn)e-Cr13-C堆焊層金屬的顯微組織由板條馬氏體、殘余奧氏體和大量細小彌散分布的析出相組成。鈮和氮的加入增加了析出相數(shù)量，并使堆焊層金屬中的馬氏體發(fā)生細化。

（2）鈮和氮的加入顯著提高了Fe-Cr13-C堆焊層金屬的硬度和耐磨性，其中硬度提高約25%，磨痕最大深度減小約72%，磨痕面積減小約81%。

（3）加入鈮和氮后，F(xiàn)e-Cr13-C堆焊層金屬的磨損機制主要為磨粒磨損，磨損形貌主要為犁溝，磨損程度相對較輕。

參考文獻：

[1] 楊可，謝翔，包曄峰，等. 鈮鈦碳氮析出物對硬面合金耐高溫磨損行為的影響[J]. 摩擦學學報，2010，30（4）：333-337.

[2] 禹潤縝，劉勝新，王朋旭，等. Fe-Cr-C系硬面合金及其硬質(zhì)相的研究進展[J]. 材料導(dǎo)報，2018，32（21）：106-114.

[3] 范振，王國平. 氮合金化堆焊材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].電焊機，2013，43（7）：111-115.

[4] 黃飛，何鵬瞧，陳漢林，等. 明弧堆焊Fe-Cr-C-N-Nb耐磨合金的組織及性能研究[J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金，2017，45（1）：36-39.

[5] 奚運濤，劉道新，韓棟，等. 低溫離子滲氮提高2Cr13不銹鋼的沖蝕磨損與沖刷腐蝕抗力[J]. 材料工程，2007 （11）： 77-82.

[6] 盧靜，李勇，歐陽航，等. 我國堆焊復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 世界有色金屬，2018（10）：195-197.

[7] Wang J B，Liu T T，Zhou Y F. Effect of nitrogen alloying?on the microstructure and abrasive impact wear resistance of Fe-Cr-C-Ti-Nb hardfacing alloy[J]. Surface & Coating Technology，2017，309（15）：75-78.

[8] 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.

收稿日期：2020-01-15;修回日期：2020-03-29

基金項目：國家重點研發(fā)計劃資助項目（2017YFE0100100）;國家自然科學基金（51101050）;南通市基礎(chǔ)科學研究項目（JC2019063）;河海大學大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（2020102941530）

作者簡介：冒志偉（1996— ），男，在讀碩士，主要從事表面堆焊方面的研究工作。E-mail：away_mao@163.com。