朱厚囯 趙昆 霍樹斌 吉榮亮 宋昌洪 陳波

摘要：針對(duì)Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬進(jìn)行研究，采用XRD和SEM分析了樣品的相結(jié)構(gòu)和顯微結(jié)構(gòu);研究發(fā)現(xiàn)焊絲熔敷金屬中的Fe2B能使熔敷金屬堆焊層更加穩(wěn)固，具有良好的抗剝離性能，F(xiàn)e2B的硬度高、耐磨性好、分布均勻，鑲嵌在熔敷金屬的基體中有著骨架的作用，使該合金具有了良好的耐磨性;堆焊金屬中的TiC為NbC提供了凝結(jié)核，形成NbC+TiC復(fù)合相，在提高耐磨性的同時(shí)有利于促進(jìn)NbC彌散分布。NbC+TiC復(fù)合相彌散分布在熔敷金屬中，部分NbC+TiC復(fù)合相嵌于Fe2B組織中有利于固化Fe2B組織。通過Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬與5C-27Cr型高碳高鉻合金焊絲熔敷金屬磨損試驗(yàn)比較，Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化堆焊金屬相對(duì)5C-27Cr型高碳高鉻合金的耐磨性為2.08。

關(guān)鍵詞：耐磨堆焊;藥芯焊絲;組織

中圖分類號(hào)：TG422.3? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-2003（2021）03-0031-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2021.03.06

0? ? 前言

堆焊技術(shù)是金屬電弧增材制造、再制造的核心手段和載體，金屬的電弧增材制造、再制造主要是通過堆焊工藝方法實(shí)現(xiàn)的。堆焊增材制造和再制造在我國建設(shè)綠色工業(yè)、資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)以及發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)中的有著獨(dú)特作用。采用堆焊技術(shù)對(duì)零部件新品進(jìn)行堆焊增材制造和舊品的再制造可提高零部件使用壽命、循環(huán)再利用，可有效地避免相當(dāng)一部分因磨損而造成的經(jīng)濟(jì)損失，并且越來越廣泛地在工業(yè)各個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用 [1-2]。目前國內(nèi)抗強(qiáng)磨粒磨損的堆焊主要采用鐵基耐磨堆焊藥芯焊絲，熔敷金屬硬度高的基本在HRC58～68區(qū)間，多數(shù)采用加入Cr作為主要強(qiáng)化元素，再加入適量的Mo、W、V等元素，這些合金元素通過與C產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，生成碳化物來提高焊絲的熔敷金屬的耐磨性能，常見的有C-Cr系、C-Cr-Mo系、C-Cr-W-Mo系、C-Cr-W-Mo-V系等，這類合金系在耐磨藥芯焊絲領(lǐng)域應(yīng)用中長期占有重要的地位，解決了大量的工程難題，其耐磨機(jī)理主要是通過堆焊熔敷金屬中產(chǎn)生Cr3C2、Cr7C3、Cr23C6等碳化鉻組織及其合金化合物MC型碳化物來提高耐磨性，但由于其基體組織中的碳化物組織粗大，產(chǎn)生了堆焊耐磨層開裂嚴(yán)重、抗沖擊性能差、易產(chǎn)生剝落等問題，影響了工件的使用壽命[3-4]。文中針對(duì)一種新型Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲的堆焊金屬組織結(jié)構(gòu)及耐磨性進(jìn)行研究，該焊絲熔敷金屬組織具有優(yōu)良的耐磨性及抗沖擊性能。通過分析Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化堆焊金屬的組織結(jié)構(gòu)及耐磨性，為有效改善該焊絲性能提供參考。

1 焊接試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的藥芯焊絲直徑為φ1.6 mm，其熔敷金屬成分如表1所示。

堆焊試樣如圖1所示，試驗(yàn)條件如表2所示，堆焊5層，將堆焊試樣底面的母材進(jìn)行加工后，第五層堆焊層沿焊道方向用磨床加工出寬5 mm的平面，該平面與底面平行，在該平面進(jìn)行硬度檢驗(yàn)，硬度取點(diǎn)位置避開起弧區(qū)和收弧區(qū)，測量5個(gè)點(diǎn)后取平均值。

使用顯微維氏硬度計(jì)測量不同組織的顯微硬度，采用D8 ADVANCE X射線衍射儀對(duì)試樣進(jìn)行物相分析，采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)該熔敷金屬的基體組織及不同物相進(jìn)行成分分析;采用金相圖像分析系統(tǒng)OLYCIA分析各物相的含量;使用MLG-130型干砂橡膠式磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 堆焊熔敷金屬硬度及組織結(jié)構(gòu)

2.1.1 堆焊熔敷金屬洛氏硬度

采用HRD-150電動(dòng)洛氏硬度計(jì)測量熔覆金屬表面硬度，實(shí)測值如表4所示。

2.1.2 堆焊熔敷金屬組織

（1）堆焊金屬金相組織及顯微硬度。

在試板（見圖1）上表面中間位置取邊長10 mm的正方體塊，觀察堆焊金屬金相組織如圖2所示。

初步判定：堆焊熔敷金屬的金相組織為條狀初生相+塊狀析出相+共晶組織。由圖2a可見，白色長條狀初生呈相交錯(cuò)狀分布。由圖2b可見，在條狀初生相之間和初生相上有較深色的塊狀析出相，塊狀析出相的形態(tài)有花瓣形、多邊形、橢圓形及其他不規(guī)則形狀，塊狀析出相在基體和初生相上呈彌散分布;在條狀初生相之間填充著較為細(xì)小的白色及深色析出相。

使用顯微維氏硬度計(jì)測量不同組織的顯微硬度，測量值如表5所示。

（2）堆焊金屬的相組成分析。

為了準(zhǔn)確地判斷堆焊熔敷金屬的相組成，采用D8 ADVANCE X射線衍射儀分析試樣物相，獲得焊絲熔敷金屬XRD圖譜如圖3所示。通過物相檢索軟件對(duì)衍射譜線的檢索，確定該焊絲熔敷金屬主要物相組成為：基體相α-Fe、Fe2B、NbC、Fe3（C，B）、TiC。

采用掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)該熔敷金屬的基體組織及不同物相進(jìn)行了能譜分析，進(jìn)一步分析熔敷金屬中各組織的組成成分。不同形態(tài)組織的譜點(diǎn)分析位置如圖4所示，其中譜點(diǎn)1、5為長條狀初生相，譜點(diǎn)2、6為不規(guī)則析出相，譜點(diǎn)3、4為基體及共晶組織。不同形態(tài)的組織能譜分析成分原子比率如表6所示。

表6中條狀初生相的譜點(diǎn)為1和5，能譜分析結(jié)果顯示譜點(diǎn)1、5的原子種類相同，該組織內(nèi)原子以B和Fe為主，含有少量Mn和Ni，與X射線衍射圖譜物相分析的Fe2B組織相吻合。

塊狀析出相為譜點(diǎn)2、6，能譜分析結(jié)果顯示譜點(diǎn)2、6是以C和Nb兩種元素為主，含有少量Ti和Fe，與X射線衍射圖譜物相分析的NbC組織相吻合。從譜點(diǎn)2、6分析結(jié)果可見，NbC相中的Ti含量較高，由此可見，NbC相中伴有一定量的TiC，形成NbC+TiC復(fù)合相。

譜點(diǎn)3成分較為復(fù)雜，C、B、Fe含量都高，還有少量Si、Mn，根據(jù)其原子組成，結(jié)合XRD圖譜物相組成，這種組織是Fe3（C，B）共晶組織。

譜點(diǎn)4組織相對(duì)簡單，是Fe-C化合物基體組織。

2.2 堆焊熔敷金屬中各強(qiáng)化相的特點(diǎn)與作用

2.2.1 Fe2B的組織特點(diǎn)及其在熔敷金屬中的作用

硼在奧氏體的溶解度很?。ㄙ|(zhì)量分?jǐn)?shù)≤0.008%），根據(jù)B-Fe 二元合金相圖，如圖5所示[5-6]，在冷卻的過程中Fe2B析出并迅速長大，F(xiàn)e2B以初生相形態(tài)分布于堆焊熔敷金屬內(nèi)部。經(jīng)檢測，在觀察范圍內(nèi)Fe2B組織的面積占比約為17%～21%。文獻(xiàn)[5-6]顯示，F(xiàn)e2B是一種典型的金屬間隙化合物，它具有金屬的特征，其晶體結(jié)構(gòu)為C-16型體心四方結(jié)構(gòu)，其原子配位團(tuán)中的各鍵投影到（001）面如圖6所示[7-8]，從該投影面上的鍵絡(luò)分布可見，在一組原子配位團(tuán)中密集的分布著20多條鍵絡(luò)，在這種原子配位結(jié)構(gòu)中，F(xiàn)e、B原子被緊密地束縛在一起，在宏觀上就表現(xiàn)出了較高的硬度，其維氏硬度約為：1 250～1 500 HV，同時(shí)由于Fe2B的原子配位團(tuán)中B-B鍵的結(jié)合力弱，具有輕微的脆性特征[9-10]，因此在Fe2B初生相表面產(chǎn)生了一些細(xì)小裂紋如圖7所示，微裂紋的產(chǎn)生可及時(shí)釋放熔敷金屬的內(nèi)應(yīng)力，在一定程度上減少了更大裂紋產(chǎn)生的趨勢(shì)。圖8a所示為采用Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊的石油鉆桿耐磨帶，堆焊層表面的細(xì)小裂紋不易用肉眼直接觀察到，整個(gè)堆焊層沒有肉眼可見的裂紋，使得堆焊金屬的整體穩(wěn)定性及抗沖擊剝離性能得以保證。圖8b所示為在Q235鋼試板上堆焊的5C-27Cr型高碳高鉻合金表面裂紋照片，與圖8a相比，高碳高鉻合金堆焊層裂紋嚴(yán)重，在有沖擊的作業(yè)環(huán)境下更易發(fā)生剝離。

綜上所述，F(xiàn)e2B在熔敷金屬中的作用為：（1）Fe2B初生相表面微裂紋的產(chǎn)生可以釋放及平衡熔敷金屬內(nèi)部應(yīng)力，使堆焊層更加穩(wěn)固，具有良好的抗剝離性能;（2）Fe2B硬度高、耐磨性好，鑲嵌在熔敷金屬的基體中有著骨架的作用，是該合金具有良好耐磨性的主要原因之一。

2.2.2 Ti在熔敷金屬中的作用

由表6能譜分析譜點(diǎn)2、6結(jié)果可見，在NbC相中含有少量的Ti和Fe，鈦和鈮都是強(qiáng)碳化物形成元素，根據(jù)碳化物形成原則，鈦與碳的親和力要高于鈮與碳的親和力[11]，因此可以判定TiC相先于NbC相形成，先形成的TiC為NbC提供了凝結(jié)核，NbC以TiC為中心聚集，形成NbC+TiC復(fù)合相。其形成過程是由于TiC的熔點(diǎn)高，在堆焊過程中溫度迅速下降，致使其尚未有充足的時(shí)間長大，在其周圍就生成了NbC，最終形成以TiC為凝結(jié)核彌散分布的以NbC為主的塊狀析出相。TiC本身具有較高的硬度和耐磨性，其硬度約為2 800 HV，因此，鈦在該合金系中主要作用是形成TiC提高耐磨性及促進(jìn)NbC+TiC復(fù)合相的生成并彌散分布。

2.2.3 NbC的組織特點(diǎn)及其在熔敷金屬中的作用

通過金相組織、物相分析及能譜分析，確定了觀察到的棕色析出相為NbC+TiC復(fù)合相，分布在條狀Fe2B初生相之間和初生相上，微觀形態(tài)有花瓣形、多邊形、橢圓形及其他不規(guī)則形狀，對(duì)比金相組織可知，NbC+TiC復(fù)合相在圖2a中的是淺棕色的小點(diǎn)，呈彌散分布，在觀察范圍內(nèi)NbC組織的面積占比約為7%～10%。NbC的硬度很高，顯微硬度約為2 280～2 400 HV，超過C-Cr合金系中的Cr3C2（1 300 HV）、Cr7C3（1 450 HV）、Cr23C6（1 050 HV），因此在磨損的過程中，NbC具有比CrmCn相更強(qiáng)的耐磨性，NbC的高硬度及分布的特點(diǎn)使它像釘子一樣將熔敷金屬表面的Fe2B等組織緊緊地固定在基體組織上，宏觀上表現(xiàn)出高耐磨性及抗剝離性。

由金相圖可以估計(jì)NbC分布的間隙小于20 μm，當(dāng)洛氏硬度為HRC60～70時(shí)，洛氏硬度計(jì)金剛石壓頭在試件上留下的永久壓痕深度為68～91.6 μm[12]，金剛石的壓頭錐度為120°，金剛石壓頭試板留下的壓痕直徑約為深度的3.46倍，即壓痕直徑約為235～317 μm，依此估算，洛氏硬度在HRC60～70時(shí)每一個(gè)壓點(diǎn)都有10～15個(gè)NbC+TiC復(fù)合相作為支撐點(diǎn)，因此，焊絲熔敷金屬的洛氏硬度較高，平均洛氏硬度達(dá)到了HRC68.1。

NbC在熔敷金屬中的作用可歸納為以下兩點(diǎn)：（1）NbC相使試件具有很高的硬度和耐磨性;（2）NbC彌散分布在Fe2B初生相之間和初生相上，起到了柱石的作用，增加了堆焊金屬耐磨性及抗剝離性能。

由以上分析可見，文中的Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬除基體組織具有一定的耐磨性外，其主要耐磨強(qiáng)化相為Fe2B、NbC、TiC，其中Fe2B含量為17%～21%、NbC含量為7%～10%、TiC含量為0.5%～1%。

2.3 Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬與高碳高鉻型堆焊金屬耐磨性對(duì)比

為了考察Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬的耐磨性，將它與目前應(yīng)用較多的5C-27Cr型高碳高鉻藥芯焊絲進(jìn)行堆焊金屬耐磨性對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7中1#試件為5C-27Cr型高碳高鉻藥芯焊絲堆焊金屬，2# 試件為文中Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬。由表7可知，2# 試件的平均磨損失重量明顯低于1#試件，其相對(duì)耐磨性計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算得ε=2.08，可見Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊層相對(duì)5C-27Cr型高碳高鉻藥芯焊絲堆焊層的耐磨性為2.08，耐磨性明顯高于5C-27Cr型高碳高鉻合金。

3 結(jié)論

（1）Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬金相組織為：條狀Fe2B初生相+塊狀NbC+TiC復(fù)合相+Fe-C化合物及Fe3（C，B）共晶組織。

（2）采用的Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬主要耐磨強(qiáng)化相為Fe2B、NbC、TiC，其中Fe2B含量為17%～21%、NbC含量為7%～10%、TiC含量為0.5%～1%。

（3）Fe2B初生相內(nèi)部產(chǎn)生的一些細(xì)小裂紋可釋放部分堆焊金屬的內(nèi)應(yīng)力，避免堆焊層產(chǎn)生更大的裂紋，有利于抗剝落性能的提升。

（4）在文中的磨損試驗(yàn)條件下，Nb-Ni-Ti-B強(qiáng)化藥芯焊絲堆焊金屬耐磨性明顯高于5C-27Cr型高碳高鉻合金，相對(duì)5C-27Cr型高碳高鉻合金的耐磨性為2.08。

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