高鉻鑄鐵堆焊層組織和性能中合金元素的影響研究

董兵天，許鵬

（甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌 737100）

隨著精細(xì)化生產(chǎn)的發(fā)展，機械設(shè)備的工作環(huán)境日益苛刻，人們對設(shè)備的耐磨性能和韌性有了更高的要求。然而，高鉻鑄鐵的韌性是其短板，其應(yīng)用范圍受到一定限制。長遠(yuǎn)來看，為了擴大高鉻鑄鐵合金的應(yīng)用范圍，改善其相關(guān)性能（以韌性為主）是必然選擇。目前，國內(nèi)外對其的研究也已進(jìn)入一定的成熟期。具體來說，對其組織性能的改良和優(yōu)化是可操作性較強的一個研究方向。本研究以高鉻鑄鐵合金中的幾種主要合金為基礎(chǔ)，探討多合金元素對高鉻鑄鐵性能的影響，進(jìn)而期望通過獲得的結(jié)論，改進(jìn)相應(yīng)的成分比例，為優(yōu)化高鉻鑄鐵的耐磨性和韌性提供可借鑒價值。

1 常規(guī)高鉻鑄鐵

高鉻鑄鐵是指含鉻量在12%～28%的白口鑄鐵。高鉻鑄鐵相對一般的白口鑄鐵，具有一個顯著的特點，即在其凝結(jié)過程中，奧氏體處于領(lǐng)先相，其共晶碳化物依附于奧氏體的枝晶上形核長大，具體的金相組織結(jié)構(gòu)為（Cr，F(xiàn)e）7C3型碳化物硬質(zhì)相和奧氏體及其轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物。從微觀上講，即形成的碳化物硬質(zhì)相呈六角形桿狀或者板條狀，不規(guī)則分布于基體中。這類碳化物硬度相當(dāng)高（一般在1200～1600HV），由于形成了類似大顆粒沉淀，合金原子的位錯，導(dǎo)致合金原子的位錯力學(xué)作用不同，而相互作用，形成位錯滑移的障礙，最終以均勻的單相固溶體形式存在，對高鉻基體的分割作用被顯著削弱，但同時其硬度和耐磨性獲得了顯著提升。理想組分是馬氏體為高鉻鑄鐵合金的基體組織。然而，隨著應(yīng)用的拓展發(fā)現(xiàn)，在一些需要承受高應(yīng)力沖擊磨損或者易受腐蝕磨損的操作環(huán)境下，馬氏體搭配貝氏體和奧氏體的復(fù)相組織會呈現(xiàn)更優(yōu)秀的抗磨性以及抗沖擊疲勞性能。

2 影響高鉻鑄鐵性能的合金元素

2.1 碳元素

劉政軍等研究提出，碳和鉻是對高鉻鑄鐵組織影響較大的合金元素。這是由于碳在高溫下是一種親和性較好的元素，能與許多固溶物基體形成碳化物。在一定條件下，隨著碳元素和鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的升高，高鉻合金基體中的硬質(zhì)相Cr7C3和Cr23C6的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也會加大。這些硬質(zhì)相的硬度較大，進(jìn)而導(dǎo)致堆焊層的硬度也隨之增大，顯著提高了堆焊層的耐磨性。

2.2 鉻元素

鉻對碳化物的類型起到了決定作用，隨著鉻元素或碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，生成的共晶碳化物內(nèi)部結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，具體表現(xiàn)為從網(wǎng)狀向片狀再向桿狀等連續(xù)減少，而其類型也從M3C減少，M7C3增加，這樣的變化是不連續(xù)的。具體實踐中，M7C3碳化物是一種理想的高鉻鑄鐵組織類型。經(jīng)試驗證明，高鉻鑄鐵中，鉻:碳的參數(shù)在4～8時，白口鑄鐵的耐磨新能達(dá)到最佳狀態(tài)。劉政軍等經(jīng)過實驗得到的結(jié)論是當(dāng)鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在25%時，堆焊層中Cr7C3的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到頂峰，且此時基體中固溶物的形狀、分布都很均勻，在這一條件下，堆焊層的硬度和耐磨性能達(dá)到最優(yōu)值。而當(dāng)鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過25%時，碳化物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不再改變，確切地說，是相對固定，不再增加。如果繼續(xù)使鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)加大，除了會使生產(chǎn)成本增加，對鑄鐵合金的耐磨性則沒有明顯助益。

2.3 鉬元素

鉬是高鉻鑄鐵會用到的合金元素之一，其能提升高鉻鑄鐵的材料淬透性，且趨于一定值后，空冷就可以讓基體獲得充分硬化，可操作性強。鉬以三種形式存在于高鉻鑄鐵中，具體而言：（1）固溶于奧氏體和其沉淀的產(chǎn)物；（2）固溶于碳化物；（3）和碳發(fā)生反應(yīng)，生成Mo2C之類的化合物。根據(jù)實驗結(jié)果，只有固溶于奧氏體的鉬對基體金屬的淬透性才有提升效果。根據(jù)楊躍輝等的實驗，當(dāng)鉬溶于奧氏體中時，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)和高鉻鑄鐵中鉬的總質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一定關(guān)系，具體公式如下。

由式（1）可知，在含鉬元素的高鉻鑄鐵中，只有20%～25%的鉬會在提升基體金屬的淬透性方面發(fā)揮作用，多數(shù)鉬元素還是會直接形成碳化物，具體發(fā)生反應(yīng)的鉬質(zhì)量分?jǐn)?shù)與鉬總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)存在一定的關(guān)系，具體如下。

由式（2）可知，50%左右的鉬會最終形成碳化物，還有25%的鉬會置換掉鉻原子，溶于（Fe，Cr）7C3。鉬的碳化物即Mo2C是六方晶格結(jié)構(gòu)，其顯微硬度很高，愛1800～2200HV，憑借這一點，鉬對于提升高鉻鑄鐵的耐磨性具有非同一般的良好效果。然而，鉬是一種高成本的元素，在實際生產(chǎn)中，人們不會選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)如此多的鉬，而是會選取一些替代元素，如銅和鎳。同時，這兩種元素相對于單一的元素，效果更好，且能有效地降低生產(chǎn)成本，是理想的平價替代元素。

2.4 鎢元素

鎢對高鉻鑄鐵合金堆焊層的組織和耐磨性能影響主要作用方式也是與碳元素發(fā)生反應(yīng)，生成碳化物W6C2.54、CW3。具體表現(xiàn)為碳化物硬度高、穩(wěn)定性強，對于高鉻鑄鐵的耐磨性和顯微硬度有顯著效果。沒有被廣泛應(yīng)用的原因在于：（1）如果鎢元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)持續(xù)增加，那么高鉻鑄鐵中碳化物的數(shù)量也會隨之增加，這樣就會對基體產(chǎn)生較大的割裂效果，不利于材料承受較大的沖擊韌性；（2）鎢受溫度影響很大。當(dāng)回火溫度過高，鎢含量會導(dǎo)致高鉻鑄鐵合金中的馬氏體開始分解，形成過多碳元素，進(jìn)而帶走大量碳元素，反而會使得基體的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏低，最終導(dǎo)致材料基體硬度降低。

2.5 硼元素

劉政軍等提出高鉻鑄鐵合金堆焊層表面硬度、耐磨性能回隨著硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)發(fā)生變化，其變化曲線如圖1所示。

圖1 高鉻鑄鐵合金堆焊層表面硬度、耐磨性能與硼質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化關(guān)系

當(dāng)B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.45%～1.35%時，隨著硼元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的加大，高鉻鑄鐵堆焊層材料的硬度增長幅度較大。如圖1所示，其硬度從HRC50增加至HRC57.6。耐磨性也有了顯著提高，其變化與試樣的硬度值為正向關(guān)系，失重ΔW從0.0966g減少為0.0389g。主要原因是，在堆焊操作中，熔池的溫度超過了1000℃，在高溫熔池中，元素硼和碳元素C會形成BC硬質(zhì)相，與鉻元素Cr會形成硼鉻化物CrB、Cr2B等硬質(zhì)相，并沉淀分布在堆焊層中。硬質(zhì)相的數(shù)量會伴隨B質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增多。碳化物增多改善了高鉻鑄鐵堆焊層基體的形態(tài)和硬度，對堆焊層的硬度和耐磨性產(chǎn)生了正面影響。然而，與所有加入的合金元素一樣，硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)也不是越高越好。當(dāng)硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1.35%時，高鉻鑄鐵合金堆焊層的硬度不再持續(xù)上升，而是出于一個相對穩(wěn)定的值。耐磨性的變化也不夠明晰。究其原因，與合金粉末中碳元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有限關(guān)系密切。因為大部分合金都是在高溫下與親和力較好的間隙元素也稱凈化元素的碳發(fā)生反應(yīng)而生產(chǎn)碳化物。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)決定了添加的合金元素的碳化物數(shù)量。根據(jù)研究結(jié)果，當(dāng)B的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在1.30%～1.35%時，堆焊層的耐磨性處于最佳狀態(tài)。

2.6 其他合金元素

當(dāng)然在實際應(yīng)用中，高鉻鑄鐵堆焊組織中還會存在許多其他形式的合金組織，不僅限于鉻、碳、鉬、鎢、硼。還有諸如稀土、鈦、鈮、釩等金屬元素。瑞士山特維克知識產(chǎn)權(quán)股份有限公司曾為發(fā)明人克拉斯·歐恩格倫申請過一種專利，其中提到彌散強化合金的結(jié)合方法。克拉斯·歐恩格倫在其專利中提出這種彌散強化合金的質(zhì)量分?jǐn)?shù)參數(shù)：碳≤0.08%，硅≤0.7%，鉻在10%～25%，鋁在1%～10%，鉬在1.5%～5%，錳≤0.4%，鐵元素和常見的雜質(zhì)為平衡量，這種合金產(chǎn)品能夠承受高于900℃的高溫操作環(huán)境。