劉奇聰，馬振，呂鵬，劉冬梅，莊明輝

(佳木斯大學，黑龍江 佳木斯 154007)

0 前言

磨粒磨損是機械零部件磨損失效的常見形式，在零件表面制備一層高性能的耐磨涂層是解決該問題的有效手段之一。表面堆焊技術因能實現(xiàn)涂層與基體的冶金結合，且具有既快速又經濟的優(yōu)勢，常用于失效零部件表面的修復或強化[1-2]。含硼的鐵基耐磨材料由于可以形成多種高硬度和高耐磨性的硬質相(Fe2B，M2B和M3(B,C)等)引起廣泛的關注，但是由于粗大的硬質相具有很高的脆性，限制了含硼鐵基耐磨材料在實際工程中的應用[3-5]。為了解決堆焊合金組織的脆性問題，進一步提升耐磨性，進行了大量研究并取得了一定的成果。

Jian等人[6-7]研究了Cr添加量為0%～2.5%的Fe-3.0B-0.3C合金的耐磨性及Fe2B相的斷裂韌性。Cr主要分布在硼化物中，F(xiàn)e2B的斷裂韌性隨Cr含量的增加先升高后降低，當Cr的含量達到2.0%時，斷裂韌性最高4.704 MPa·m1/2(提高約9.1%)。周燁等人[9]在Fe-xCr-3.5B-0.1C(x=9，12，15，20,質量分數，%)藥芯焊絲中加入不同含量的Cr，研究其對堆焊合金硼化物形貌及耐磨性能的影響。Cr促使共晶硼化物硬質相的析出，隨著Cr含量的增加，堆焊合金的硬度和耐磨性呈現(xiàn)持續(xù)提高的趨勢。Fu等人[8]在Fe-1.0B-1.0Cr-0.3C-0.5Cu合金添加了少量的Ti，N，Ti與N形成TiN相，成為異質形核的核心，有效細化奧氏體，促使硼化物細化。

目前，國內外對Fe-Cr-B-C系耐磨堆焊合金的研究成果有很多[10-13]，認為Cr元素可以促使硬質相Fe2B的析出，增加堆焊合金的韌性，但Cr元素添加量通常不會超過20%，大量添加Cr元素的研究報道相對較少?；谠撟髡卟捎玫入x子粉末堆焊的技術制備不同Cr含量的Fe-Cr-B-C系耐磨堆焊合金，研究高Cr含量的添加對高硼鐵基耐磨堆焊合金組織結構、物相組成及硬度等方面的影響。

1 試驗材料及方法

試驗用基體材料為Q235鋼板，尺寸為150 mm×150 mm×10 mm，堆焊前用角磨機進行除銹處理。制備堆焊層所用合金粉體購自中信錦州金屬股份有限公司，合金粉粒度為150 μm，化學成分見表1，碳化硼粉體購自牡丹江碳化硼有限公司，化學成分見表2。為研究Cr元素對堆焊層組織的影響，試驗設計等離子粉末堆焊用粉體配方見表3。

表1 合金粉體化學成分(質量分數，%)

表2 碳化硼粉體的化學成分(質量分數，%)

依據表3稱取適量合金粉，經立式行星混料機(SFM-2，合肥科晶材料技術有限公司，合肥)，充分混合0.5 h，混合后置于遠紅外焊條烘箱(ZYH-60，佛山市奧焊機械科技有限公司，佛山)中200 ℃烘干4 h后使用。采用等離子噴焊專機(PTA-BX-400A，上海本希機電科技有限公司，上海)實施堆焊，堆焊所用的送粉氣、離子氣以保護氣均為純度為99.9%氬氣，堆焊4層，每層厚度1～2 mm，堆焊工藝參數見表4。

表3 試樣合金粉配方設計表(質量分數，%)

表4 堆焊工藝參數

堆焊層物相組成采用X-射線衍射儀(D8Advance，Bruker AXS，Germany)，測量參數為：CuKα，λ=0.154 06 nm，工作電壓40 kV，工作電流30 mA，步長0.02°，掃描速率2 °/min，掃描范圍20°～90°；堆焊合金組織形貌的觀察，試樣采用4%的硝酸酒精溶液進行腐蝕，利用倒置金相顯微鏡(Axio Observer，德國卡爾蔡司公司，德國)選取典型的金相組織區(qū)域進行圖像收集；掃面電子顯微鏡(SEM，JSM-6360LV，JEOL，Japan)下進一步觀察組織形貌；為研究各元素在堆焊合金組織中的分布情況，采用X-射線能譜儀(EDS；FALCON-60S，EDAX Inc.，Mahwah，NJ)進行微區(qū)組織成分分析；試樣力學性能分析采用HR-150A型洛氏硬度計，用金剛石壓頭，加載力150 kg，加載時間為5 s，恢復時間為3 s，每個試樣測試5個點取平均值。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

2.1.1物相組成分析

不同Cr添加量堆焊合金層的X射線衍射圖譜如圖1所示。由圖可知，未添加Cr元素的1號試樣物相由α-Fe,Fe2B和Fe3C相組成。加入5%的微碳鉻鐵粉后，F(xiàn)e2B相衍射峰峰強增強，并且(121)晶面衍射峰明顯增強，說明有較多的Fe2B相在該晶面上參與衍射(見2號試樣)。當微碳鉻鐵添加含量達到30%時，硬質相Fe2B的衍射峰有所加強，同時有新相Fe1.1Cr0.9B0.9相析出，但峰強較弱，即堆焊合金層Fe1.1Cr0.9B0.9相體積分數較少(見3號試樣)；當微碳鉻鐵添加含量達到55%時，F(xiàn)e2B相衍射峰峰強降低，F(xiàn)e1.1Cr0.9B0.9相在(311)晶面和(511)晶面的衍射峰明顯增強。即隨著Cr元素含量的增加，F(xiàn)e1.1Cr0.9B0.9相體積分數呈現(xiàn)增加趨勢。

圖1 不同Cr含量堆焊合金層XRD衍射圖譜

2.1.2顯微組織分析

不同Cr添加量堆焊合金層金相組織如圖2所示，圖2a為未添加Cr元素的Fe-B-C堆焊金相組織形貌。表5為不同Cr元素添加含量試樣的相組成及形貌尺寸不同Cr含量堆焊合金SEM形貌如圖3所示，表6為不同區(qū)域元素含量。由圖2可知，堆焊層中含有大量長度約為20～50 μm淺灰色塊狀組織，其寬度約為20～30 μm，塊狀組織周圍分布有大量的菊花狀組織。結合XRD(圖1)、微區(qū)成分分析(圖3a)和Fe-B-C三元合金相圖[14]分析可知，塊狀組織成分中B元素和Fe元素含量較高，顯微硬度為1 124 HV，硬度較大，推測該塊狀組織為初晶Fe2B相；菊花狀組織在初晶Fe2B相周圍生成，微區(qū)成分顯示，該區(qū)域C,B元素含量較高。菊花狀組織與參考文獻[3]中典型的共晶組織Fe3(C,B)+α-Fe形貌完全相同，根據Nicholson與金子秀夫的研究結果[15]，在含硼的鐵基合金中，由于B與C的晶格常數類似，B極易與Fe3C中的C發(fā)生置換，生成Fe3(C,B)相。因此，判斷菊花狀組織為共晶組織α-Fe+Fe3(C,B)相。

表6 不同區(qū)域元素含量(質量分數，%)

圖2 不同Cr含量堆焊層金相圖

表5 不同Cr元素添加含量試樣的相組成及形貌尺寸

圖2b為微碳鉻鐵粉添加量為5%時的2號試樣的金相組織形貌。初晶Fe2B相的形貌向梯形和三角形的形貌轉變，長度與寬度有明顯減小的趨勢(長寬約為20 μm)，組織密集且數量增多，而菊花狀共晶組織幾乎沒有變化。分析認為，由于Cr元素的添加，Cr元素與體心立方晶格Fe2B中Fe的原子尺寸相似，Cr原子部分置換Fe原子，形成了固溶體(Fe,Cr)2B相。Cr元素的添加增加了Fe2B的形核點，促使了硬質相(Fe,Cr)2B的析出，(Fe,Cr)2B體積含量增多，有限的空間抑制其尺寸的增大，導致尺寸變細小。

圖2c為微碳鉻鐵粉添加含量為30%的3號試樣的金相組織形貌。由圖可知，塊狀(Fe,Cr)2B組織寬度明顯減小，最小約為10 μm，相對于未添加Cr元素和添加5%微碳鉻鐵粉的組織形貌，(Fe,Cr)2B相更密集，并觀察到有麥穗狀新相析出，在麥穗狀物相周圍有不規(guī)則的共晶組織出現(xiàn)。根據微區(qū)成分(見圖3a)，麥穗狀的新相區(qū)域B元素和Cr元素的含量較高，顯微硬度為1 225 HV，結合XRD衍射圖譜分析，推測該麥穗狀物相為Fe1.1Cr0.9B0.9相，但是含量較少，一部分Cr元素參與(Fe,Cr)2B相的生成，所得到的XRD衍射峰較少，峰強較低；初晶相的大量生長，占據了較多的有限空間，因此菊花狀組織相對于1號試樣和2號試樣有所減少，由于微碳鉻鐵的加入，菊花狀共晶組織為α-Fe+M3(C,B)。

圖3 不同Cr含量堆焊合金SEM形貌

圖2d為微碳鉻鐵粉添加含量為55%的4號試樣的金相組織形貌。金相組織發(fā)生了明顯的變化，初晶相組織中存在極少的塊狀和細條棒狀的組織，大多為麥穗狀組織，菊花狀組織消失，共晶組織為不規(guī)則的形狀，與1號、2號和3號試樣相比，F(xiàn)e1.1Cr0.9B0.9相新的衍射峰更強。在焊接的快速冷卻過程中，4號試樣中隨著Cr的含量持續(xù)增加，初晶相優(yōu)先生成了Fe1.1Cr0.9B0.9相，只有少量的(Fe,Cr)2B相生成，初晶Fe1.1Cr0.9B0.9相生成后，C元素在初晶相周圍富集，并且周圍B元素含量較高，在其周圍形成了α-Fe+M3(C,B)的共晶組織。

綜合以上分析，Cr元素的添加影響Fe-B-C系耐磨堆焊合金的物相組成及組織形貌。少量微碳鉻鐵粉的加入促使初晶相(Fe,Cr)2B的體積分數的增多，且Cr有細化初晶相(Fe,Cr)2B的作用。當微碳鉻鐵粉的添加量達到并超過30%時，堆焊合金層有新相Fe1.1Cr0.9B0.9的析出，此相的體積分數隨著微碳鉻鐵粉添加而增加。

2.1.3顯微裂紋分析

圖2a中可以看到，在塊狀的Fe2B組織上存在大量垂直并貫穿于該組織的顯微裂紋。原因為Fe2B初晶相的生長過程中，F(xiàn)e3(C,B)相在在其表面析出，并以層片狀的形式生長，層片狀Fe3(C,B)相最終分布于初晶Fe2B相內部，將其割裂。由于焊接為快速加熱和冷卻的過程，在組織內部產生了巨大的殘余拉應力，滲碳體為脆硬的薄片狀組織，導致在滲碳體部位發(fā)生斷裂。因此，堆焊層組織中的殘余拉應力和板條狀Fe2B組織內的滲碳體是引發(fā)顯微裂紋的主要原因[3,17]。隨著微碳鉻鐵的加入，這種顯微裂紋的量有明顯減少，有學者認為Cr元素有增加初晶Fe2B相韌性的作用，當Cr元素達到一定濃度，塊狀組織的韌性大于其斷裂的脆性，這種裂紋的數量就會減少，當Cr達到一定含量時，這種裂紋就會消失；作者研究認為，Cr在增加初晶Fe2B相的韌性同時，與Fe發(fā)生置換反應，有一部分Cr與Fe2B結合生成(Fe,Cr)2B或(Fe,Cr)2(C,B)相，組織晶格發(fā)生畸變，Cr元素作為強碳化物，阻礙Fe3(C,B)在初晶Fe2B相中析出，F(xiàn)e3(C,B)引發(fā)的脆硬斷裂作用消失，裂紋因此消失。

2.2 硬度分析

圖4為不同Cr元素添加含量所制備堆焊層的洛氏硬度。隨著微碳鉻鐵粉添加量的不斷增加，堆焊層的洛氏硬度呈上升趨勢，添加5%微碳鉻鐵粉時洛氏硬度增加了1.3 HRC，增加幅度最大，繼續(xù)增加Cr元素的含量，洛氏硬度增加幅度逐漸減小，當微碳鉻鐵粉添加含量達到55%時，洛氏硬度達到最大值65.5 HRC。因為添加微碳鉻鐵粉末后，金相組織中生成的(Fe,Cr)2B相尺寸變細小，數目增多，共晶組織變少，(Fe,Cr)2B相為硬質相，硬度大，共晶組織硬度小，所以硬度呈上升趨勢；當微碳鉻鐵粉添加含量為55%時，大部分為初晶Fe1.1Cr0.9B0.9相，宏觀硬度達到最大值，說明新生成的麥穗狀組織Fe1.1Cr0.9B0.9硬度同樣較高。

圖4 不同Cr添加含量洛氏硬度值

3 結論

(1)未添加Cr元素時，金相組織由初晶相Fe2B和共晶組織α-Fe+Fe3(C,B)組成，隨著Cr元素的添加出現(xiàn)新的初晶相Fe1.1Cr0.9B0.9。

(2)未添加Cr元素時，初晶Fe2B的尺寸為20～50 μm，并且在Fe2B組織上有垂直并貫穿于該組織的條狀裂紋，隨著Cr元素的添加，初晶(Fe,Cr)2B的體積分數增大，尺寸減小，約為10～20 μm，該種顯微裂紋消失，因此Cr元素有促使硬質相Fe2B析出的作用并且能有效抑制Fe2B組織上顯微裂紋的產生。

(3)堆焊層中未添加微碳鉻鐵粉時，洛氏硬度為63.2 HRC，堆焊層的洛氏硬度隨Cr元素的添加而增大，當微碳鉻鐵粉添加含量為55%時，宏觀硬度達到65.5 HRC。