Fe - Cr - C系堆焊層中碳化物對(duì)耐磨性能的影響

秦利鋒，武勝圈，胡 瑞，尤培龍，李 垚，商秋月，楊玉超，翁福娟

(1. 中鐵工程裝備集團(tuán)盾構(gòu)制造有限公司，河南 鄭州 450000；2. 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450000)

0 前 言

盾構(gòu)機(jī)是集機(jī)械、光、電、傳感、信息技術(shù)于一體的高端制造裝備。盾構(gòu)機(jī)作為基建過程中的核心裝備，是衡量一個(gè)國(guó)家地下施工裝備制造水平的重要標(biāo)志。刀盤是盾構(gòu)機(jī)的主要磨損受力部位，因此在制造過程中需在刀盤表面敷設(shè)耐磨材料以提升其耐磨性，綜合考察使用性和經(jīng)濟(jì)性，目前刀盤表面敷設(shè)的耐磨材料為價(jià)格低、性能好、斷裂時(shí)撓度小的Fe - Cr - C系堆焊[1]。雖然Fe - Cr - C系耐磨堆焊層備受機(jī)械行業(yè)關(guān)注，但目前國(guó)內(nèi)外以對(duì)Fe - Cr - C系堆焊層的顯微組織及耐磨性研究居多，而Fe - Cr - C系堆焊層中碳化物形貌、分布和含量對(duì)其耐磨性能的影響研究比較少。本工作以碳鉻鐵為原料，自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)4種類型的藥芯焊絲，利用電弧焊在Q355B鋼板表面堆焊Fe - Cr - C系堆焊層，通過試驗(yàn)研究了碳化物含量、形貌、分布對(duì)耐磨性的影響。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)基體材料為10 mm厚的Q355B鋼板，堆焊合金材料為自制Fe - Cr - C系φ2.8 mm自保護(hù)藥芯焊絲，其組成如表1所示。

表1 堆焊焊絲的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

Fe - Cr - C系焊絲在堆焊過程中可以進(jìn)行自保護(hù)，且具有自保護(hù)藥芯焊絲飛濺性小、焊縫美觀，熔敷速度快等特點(diǎn)。堆焊過程中控制層間厚度在5～6 mm/層，堆焊層總厚度為10 mm。堆焊電流300 A、電壓30 V、堆焊速度120 mm/min、擺幅40 mm。

1.2 試驗(yàn)方法

使用線切割機(jī)切割取樣時(shí)避開起弧、收弧位置、裂紋位置，取中間位置10 mm×10 mm×20 mm作為試樣。利用磨床對(duì)耐磨層進(jìn)行磨平處理，保證磨削量基本一致，拋光后用4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕試樣，使用DM2700M型光學(xué)顯微鏡和EM3 - AX+電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織。采用Wilson R574型洛氏硬度計(jì)進(jìn)行硬度測(cè)試，加載1 470 N，保荷5 s；測(cè)試過程中保證兩端面平行，測(cè)試3個(gè)區(qū)域的硬度值，每個(gè)區(qū)域測(cè)量3點(diǎn)，3個(gè)區(qū)域的平均值為試樣最終檢測(cè)硬度值。在CS - 3000G碳硫分析儀上測(cè)試堆焊層中碳含量，利用AZtecone XT型EDS測(cè)量Cr、Si、Mn、Fe含量。在MLGS - 225C型干濕橡膠輪磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)上參考ASTM G65 PA測(cè)試試樣的磨損損失量，載荷130 N、轉(zhuǎn)速200 r/min、轉(zhuǎn)數(shù)6 000 r，磨損磨料使用A.F.S testing Sand 50 - 70(石英砂)。測(cè)試前使用超聲波清洗儀清洗試樣并烘干，用分析天平稱量得到最初質(zhì)量為G1，對(duì)堆焊合金面磨損30 min，清洗烘干后質(zhì)量為G2，每種試樣測(cè)試3件，最終取3件試樣的磨損損失量ΔG的平均值為該試樣磨損損失值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堆焊層宏觀形貌

圖1為不同焊絲堆焊層的宏觀形貌。由圖1可見，不同焊絲堆焊層試樣表面均存在橫向裂紋，該裂紋的出現(xiàn)主要是由堆焊層塑性低和相變導(dǎo)致堆焊層殘余應(yīng)力過大引起的[2]。

圖1 不同試樣堆焊層的宏觀形貌

前述裂紋在焊接完畢時(shí)即出現(xiàn)，該裂紋產(chǎn)生于焊縫金屬結(jié)晶末期，晶粒間存在很薄的液相層，此時(shí)焊接金屬塑性極低，當(dāng)冷卻的不均勻收縮產(chǎn)生的拉伸變形超過了允許值時(shí)，沿晶界液層即發(fā)生開裂[3]。2號(hào)試樣堆焊層的側(cè)面宏觀形貌如圖2所示。這些裂紋較細(xì)小，彌散分布，不深入到基體之中[4]，分析認(rèn)為這是因?yàn)镼355B基體具有良好的焊接性，使得堆焊熱影響區(qū)不會(huì)產(chǎn)生脆化，且堆焊層與Q355B之間為冶金結(jié)合。對(duì)于Fe - Cr - C系合金堆焊層，此類焊接裂紋在一定效果上可起到釋放應(yīng)力的作用，避免過高的焊接殘余應(yīng)力造成硬面層受沖擊后剝落。根據(jù)以上分析并結(jié)合盾構(gòu)機(jī)使用特點(diǎn)，公司規(guī)定堆焊層裂紋不延伸至基體即滿足公司內(nèi)部使用要求。

圖2 2號(hào)試樣堆焊層的側(cè)面宏觀形貌

2.2 堆焊層的顯微組織

圖3為堆焊層橫截面顯微組織。圖3顯示堆焊層截面由基體至表層依次為基體、熱影響區(qū)、稀釋區(qū)和堆焊層[5]。

圖3 堆焊層橫截面顯微組織

由文獻(xiàn)[6]可知，當(dāng)Fe - Cr - C合金中Cr含量大于25%、C含量大于4%時(shí)堆焊層顯微組織主要由初生碳化物(Cr,Fe)7C3、共晶碳化物(Cr,Fe)7C3+γ組成。

使用掃描電鏡(SEM)觀察不同試樣的堆焊層的顯微組織見圖4。由圖4可知，不同試樣堆焊合金層顯微組織形式基本一致，根據(jù)GB/T 15749-2008“定量金相測(cè)定方法”利用顯微鏡測(cè)量各試樣中的碳化物的體積分?jǐn)?shù)，2號(hào)試樣(Cr,Fe)7C3碳化物分布的均勻性及含量明顯高于其它試樣。以2號(hào)試樣堆焊合金分析為例，圖5堆焊層顯微組織形貌顯示2號(hào)試樣初生(Cr,Fe)7C3碳化物呈規(guī)則的塊狀、六棱狀分布， 且垂直于耐磨表層生長(zhǎng)， 分析發(fā)現(xiàn)2號(hào)試樣中碳化物可分為塊狀初生碳化物(圖5a中a區(qū)域)和針狀共晶碳化物(圖5b中b區(qū)域)。2號(hào)試樣堆焊層區(qū)域EDS分析結(jié)果見表2，由表2可知，a區(qū)域主要為初生碳化物(Cr,Fe)7C3，是富Fe、Cr、C元素富集區(qū)，b區(qū)域?yàn)楣簿蓟?Cr,Fe)7C3+γ，是Fe元素富集區(qū)。此外，初生(Cr,Fe)7C3碳化物被周圍的共晶(Cr,Fe)7C3+γ組織所包圍[7]，共晶(Cr,Fe)7C3+γ碳化物多為針狀、條狀，而初生(Cr,Fe)7C3碳化物則呈尺寸較大的不規(guī)則柱狀、塊狀，初生(Cr,Fe)7C3碳化物內(nèi)部存在不規(guī)則孔洞，輪廓邊緣存在豁口。大塊的初生(Cr,Fe)7C3碳化物由多個(gè)小碳化物聚集而成，同時(shí)相鄰小碳化物的晶粒取向不完全相同[8]。

圖4 不同試樣的堆焊層顯微組織

圖5 2號(hào)試樣堆焊合金的顯微組織

表2 2號(hào)試樣堆焊層區(qū)域EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

考慮到Fe - Cr - C為主的合金中Mn、Si等其它元素對(duì)碳化物體積分?jǐn)?shù)(CV)影響較小，因此采用Fe - Cr - C相圖分析研究碳化物體積分?jǐn)?shù)隨C、Cr含量的變化情況[9]。根據(jù)Maratary等[10]采用式(1)計(jì)算(Cr,Fe)7C3體積分?jǐn)?shù)：

CV=12.33×φC+0.55×φCr-15.2

(1)

式中：φC和φCr分別為C和Cr的體積分?jǐn)?shù)。

根據(jù)GB/T 15749-2008“定量金相測(cè)定方法”測(cè)量各試樣中碳化物體積分?jǐn)?shù)，所得數(shù)據(jù)見表3，結(jié)果顯示計(jì)算法與定量金相網(wǎng)格法得到的CV結(jié)果基本相符。

表3 不同試樣堆焊層中碳化物體積分?jǐn)?shù) %

表3表明2號(hào)試樣中(Cr,Fe)7C3碳化物體積分?jǐn)?shù)含量最高，初生碳化物含量同樣最高。初生碳化物含量由多至少為：2號(hào)>4號(hào)>3號(hào)>1號(hào)。資料顯示在試驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著碳化物含量的增加、均勻程度的增強(qiáng)，碳化物間距均勻降低，在磨損過程中可有效抵擋磨料切削[10]。

2.3 堆焊層的硬度

不同試樣的堆焊層洛氏硬度見圖6。圖6表明，2號(hào)試樣堆焊層的硬度最高，1號(hào)試樣堆焊層平均值最低，為58.7 HRC。具有較高硬度的堆焊合金層可在磨損過程中有效阻止磨粒壓入，減少堆焊層的塑形變形，降低摩擦系數(shù)，使得磨損量減少，提高堆焊層的耐磨性能。在Cr含量基本不變的前提下增加C元素含量，形成的(Cr,Fe)7C3碳化物數(shù)量會(huì)隨之增加。此外Cr元素同樣是重要的強(qiáng)化元素之一，因此增加Cr元素含量可以提高堆焊合金的表面硬度[11，12]。

圖6 不同試樣的堆焊層洛氏硬度

2.4 堆焊層的耐磨性

圖7為不同試樣堆焊層磨損損失量。圖7表明1號(hào)試樣磨損損失量最多，2號(hào)試樣磨損損失量最少，耐磨性最好。分析認(rèn)為：1號(hào)試樣中高硬度且尺寸較大的初生碳化物較少，過少且小的初生碳化物不能對(duì)基體形成良好的保護(hù)作用，從圖4中可以看到，1號(hào)試樣顯微結(jié)構(gòu)中露出的共晶基體相尺寸甚至已經(jīng)大于磨耗試驗(yàn)的磨粒尺寸(磨粒直徑為0.2～0.3 mm)，加上能夠抵抗磨粒磨損的初析碳化物較少且尺寸小，因此1號(hào)試樣很容易被磨粒所磨損，所以耐磨損性最差。2號(hào)試樣中碳化物含量最高，且2號(hào)試樣中的碳化物主要以(Cr,Fe)7C3初生碳化物的形式存在，增大初生碳化物與石英砂磨粒的接觸面積可以有效保護(hù)基體，且增加初生碳化物量可使得初生碳化物間距與磨料尺寸的比值降低，當(dāng)初生碳化物的數(shù)量增加到一定極限范圍時(shí)，碳化物間距小到或接近于磨料尺寸時(shí)，磨粒就無法對(duì)堆焊層基體進(jìn)行切削，從而更好地保護(hù)堆焊層[13]。2號(hào)試樣中初生碳化物多呈六棱狀，規(guī)則程度高，分布均勻，且堆焊合金的初生碳化物(Cr,Fe)7C3以及共晶組織(Cr,Fe)7C3+γ大多數(shù)垂直于堆焊表面生長(zhǎng)[14]。垂直于堆焊表面生長(zhǎng)的柱狀、塊狀(Cr,Fe)7C3碳化物被支撐基材和共晶組織包裹，可在一定程度上防止碳化物在磨損過程中被磨粒剝落。

圖7 不同試樣堆焊層磨損損失量

圖8為1號(hào)試樣磨損宏觀形貌。由圖8可知，在磨損試驗(yàn)時(shí)，石英砂與堆焊層發(fā)生相對(duì)磨損滑動(dòng)，會(huì)在堆焊層表面上犁刨出很多溝紋。堆焊層的磨損形式以磨粒磨損和疲勞磨損為主，實(shí)驗(yàn)過程中伴隨著石英砂與堆焊層相對(duì)運(yùn)動(dòng)的持續(xù)，接觸區(qū)受到循環(huán)應(yīng)力的反復(fù)作用，除了共晶相容易直接被石英砂顆粒刮除、磨損外，雖然焊層中的碳化物的硬度明顯高于石英砂顆粒，當(dāng)循環(huán)應(yīng)力超過碳化物疲勞強(qiáng)度時(shí)，在碳化物表面會(huì)形成疲勞裂紋，造成局部脫落。

圖8 1號(hào)試樣磨損宏觀形貌

圖9為不同試樣堆焊層的顯微形貌。圖9表明1號(hào)、3號(hào)試樣堆焊層表面出現(xiàn)了明顯的初析碳化物剝落造成的凹陷和嚴(yán)重的基體相磨損現(xiàn)象，2號(hào)、4號(hào)堆焊層凹陷明顯少于1號(hào)、3號(hào)，且初析碳化物基本形貌完整，無明顯剝落，表明2號(hào)、4號(hào)堆焊層中碳化物體積分?jǐn)?shù)(CV)高于1號(hào)、3號(hào)，垂直于堆焊層表面生長(zhǎng)的柱狀、塊狀初生碳化物(Cr,Fe)7C3以及共晶組織(Cr,Fe)7C3+γ可以有效地阻止碳化物被剝落，因此2號(hào)、4號(hào)堆焊層具有更好的支撐作用，能有效抵抗磨損[15-17]。

圖9 不同試樣堆焊層的顯微形貌

綜合以上分析可知：在試驗(yàn)范圍內(nèi)Fe - Cr - C系堆焊合金的耐磨性隨碳化物體積分?jǐn)?shù)(CV)增加和硬度升高而增強(qiáng)[18，19]。本工作中雖然2號(hào)試樣與4號(hào)試樣的碳化物體積分?jǐn)?shù)接近，但2號(hào)試樣中不論初生碳化物分布均勻性還是硬度值明顯優(yōu)于4號(hào)試樣，因此2號(hào)試樣耐磨性相較4號(hào)試樣耐磨性表現(xiàn)更好。

3 結(jié) 論

(1)Fe - Cr - C堆焊合金被廣泛用于生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)表面耐磨材料。

(2)Fe - Cr - C堆焊層表面存在彌散分布的細(xì)小橫向裂紋，該裂紋垂直于焊接方向分布但不深入到基體之中。

(3)堆焊層主要由共晶(Cr,Fe)7C3+γ和初生(Cr,Fe)7C3組織組成，初生碳化物為數(shù)量多、分布密集的孤立柱狀、塊狀，且垂直于基材生長(zhǎng)，共晶碳化物呈細(xì)針狀。

(4)在測(cè)試范圍內(nèi)，F(xiàn)e - Cr - C系堆焊合金的耐磨性隨碳化物含量增加升高而增強(qiáng)。

(5)2號(hào)試樣中碳化物含量高于其它試樣，碳化物分布均勻性也最優(yōu)，使其耐磨性也優(yōu)于其它試樣。