線瀾清，莊明輝，陳 超，牟立婷，井 瑞，馬 振

(1.佳木斯大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007；2.山東大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

0 前 言

磨損降低零部件的使用壽命，導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，通過表面堆焊技術(shù)可在零部件表面制備耐磨堆焊合金材料，延長(zhǎng)零件的使用壽命。因此，開發(fā)高硬度、高耐磨性的堆焊合金材料，以減少損耗，滿足苛刻的工作環(huán)境，將具有重要的意義。與傳統(tǒng)的高鉻高碳鐵基堆焊合金相比，F(xiàn)e-B合金因其具有高硬度、高耐磨性和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，成為材料工作者關(guān)注的焦點(diǎn)[1-3]。硼在Fe中的溶解度較低，微量硼的添加可以提高碳鋼的力學(xué)性能，過量的硼的添加將會(huì)形成Fe-B合金，形成硬度較高、耐磨性能優(yōu)異的硼化物，如FeB(1 800～2 000 HV)、Fe2B(1 400～1 600 HV)，其硬度高于高鉻高碳硬質(zhì)相。另外，硼鐵在地球上儲(chǔ)量豐富，價(jià)格低廉。鑒于上述，F(xiàn)e-B合金在導(dǎo)輥、錘頭、高硼高速鋼軋輥等耐磨零部件上的應(yīng)用將具有廣闊的前景。

Fe-B合金的研究和應(yīng)用主要集中于亞共晶成分的鑄造合金，而采用堆焊方法制備的Fe-B系堆焊合金的應(yīng)用很少，尤其是過共晶Fe-B堆焊合金的應(yīng)用更鮮有報(bào)道，制約其應(yīng)用的核心問題是硼化物的脆性，特別是在高應(yīng)力條件下的應(yīng)用。針對(duì)硼化物脆性的問題，材料學(xué)者試圖通過理論計(jì)算、合金化等方法來調(diào)控硼化物的脆性。文獻(xiàn)[4，5]計(jì)算發(fā)現(xiàn)過渡金屬元素Cr、Mn等合金元素可以取代Fe2B中的Fe，提高其硬度和韌性。龔鐵夫等[6]研究了Cr、Mn、W等合金元素的作用，發(fā)現(xiàn)通過形成(Fe，M)2B可改善Fe2B的脆性和硬度。Huang等[7]通過向Fe-B堆焊合金中添加合金元素Cr發(fā)現(xiàn)，Cr的添加可以改善堆焊合金中Fe2B的斷裂韌性，當(dāng)Cr為2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)堆焊合金材料幾乎沒有發(fā)現(xiàn)裂紋。Jian等[8]研究發(fā)現(xiàn)向Fe-3B堆焊合金中添加合金元素Mn，可提高堆焊合金的硬度，同時(shí)提高Fe2B的斷裂韌性。

目前，對(duì)于高硼鐵基堆焊合金的研究較多，但主要集中在合金元素Cr對(duì)于高硼合金中硼化物組織、硬度及耐磨性的影響，而關(guān)于合金元素Mo對(duì)合金組織形態(tài)和性能的相關(guān)研究報(bào)道較少。基于此，本工作采用等離子弧電弧堆焊方法，通過改變合金粉體中鉬鐵粉的含量，制備不同Mo含量的Fe-Cr-B堆焊合金材料，研究合金元素Mo對(duì)高硼鐵基堆焊合金的相構(gòu)成、組織結(jié)構(gòu)及性能的影響，以提高堆焊合金的耐磨性。

1 試驗(yàn)材料及方法

堆焊用基材為Q235，試樣尺寸50 mm×120 mm×12 mm，堆焊前除油除銹，基材化學(xué)成分構(gòu)成：C含量為0.150%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)、Mn含量為0.300%、Si含量為0.250%、S含量為0.040%、P含量為0.025%，余量為Fe。堆焊用的合金粉體主要有硼鐵粉，金屬Cr粉，鉬鐵粉，硅鐵、低碳錳鐵和還原鐵粉，粒度為80目，通過改變合金粉體的配比來改變堆焊合金的成分，合金粉體的設(shè)計(jì)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為Fe-10Cr-5B-xMo，其中Mo的添加量分別為2.0%、4.0%、8.0%。堆焊合金的制備采用等離子弧堆焊方法，送粉氣和保護(hù)氣為氬氣，堆焊3層，堆焊工藝參數(shù)如表1。采用線切割設(shè)備將堆焊合金切割成10 mm×10 mm×10 mm的試樣，然后用80～2 000目碳化硅砂紙制備金相試樣。采用銅靶Kα輻射的X射線衍射儀(XRD，D8-ADVANCE，Germany)，2θ掃描范圍20°～90°、掃描速度4 (°)/min、步長(zhǎng)0.04°，分析堆焊合金的相構(gòu)成。采用4%HNO3酒精溶液腐蝕，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM，JSM-7800F，Japan)對(duì)堆焊層進(jìn)行顯微組織結(jié)構(gòu)分析。采用HR-150A洛氏硬度計(jì)對(duì)堆焊層進(jìn)行宏觀硬度檢測(cè)，載荷1 500 N，隨機(jī)檢測(cè)5個(gè)點(diǎn)，取平均值。采用ML-100型圓盤銷磨損試驗(yàn)機(jī)，依據(jù)JB/T 7506-94對(duì)不同Mo含量的堆焊合金進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為φ4 mm×15 mm，取5個(gè)試樣，接觸載荷為24 N，對(duì)磨盤的砂紙為棕剛玉(180目，鷹牌，上海玉立工貿(mào)有限公司)，采用精度為0.000 1 g的電子分析天平測(cè)量質(zhì)量損失，每個(gè)試樣做3次。相對(duì)耐磨性為ε=1/W，式中ε為相對(duì)耐磨性，W為試樣平均失重量，單位為g。

表1 等離子堆焊工藝參數(shù)Table 1 Process parameters of plasma arc surfacing welding

2 結(jié)果與分析

2.1 Mo含量對(duì)Fe - Cr - B堆焊合金顯微組織的影響

圖1為不同Mo含量條件下Fe-Cr-B堆焊合金的背散射電子衍射(Back-Scaterred Electron，BSE)顯微組織形貌。圖1a為未添加Mo元素的Fe-Cr-B堆焊合金顯微組織形貌。由圖觀察可知，堆焊合金中有大量的塊狀組織，直徑約為10～20 μm，塊狀組織間分布著似魚骨狀組織。依據(jù)Fe-B相圖可知，硼含量為5.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，大于共晶點(diǎn)(3.8%)，成分含量點(diǎn)位于過共晶成分合金區(qū)域。在Fe-B堆焊合金體系中，隨著焊接熔池溫度降低，堆焊合金液相中首先形成呈方形的Fe2B，即初生Fe2B相[9]。隨著焊接熔池溫度的進(jìn)一步降低，初生Fe2B長(zhǎng)大時(shí)向熔池中排出硼原子。當(dāng)熔池將至1 149 ℃時(shí)，發(fā)生共晶反應(yīng)，形成共晶Fe2B和γ-Fe組織。由于堆焊合金中硼含量為5.0%，B在γ-Fe中的溶解度很低，隨著溫度的進(jìn)一步降低，過飽和硼析出，依附共晶Fe2B形成二次硼化物Fe2B[10]。當(dāng)凝固溫度低于910 ℃時(shí)，γ-Fe向α-Fe轉(zhuǎn)變。綜上可知，過共晶Fe-B堆焊合金的組織由初晶Fe2B和共晶Fe2B+Fe組成。當(dāng)向Fe-B合金中添加合金元素Cr后，Cr原子的半徑為0.185 nm，F(xiàn)e原子半徑為0.172 nm，兩者半徑接近，且電負(fù)性相差不大，Cr和α-Fe的晶體結(jié)構(gòu)都為體心立方，兩者本質(zhì)特性相似，性質(zhì)更接近，可形成無限固溶體，故堆焊合金中Fe2B硼化物中的Fe元素將被Cr部分取代，形成(Fe，Cr)2B，即M2B型硼化物[11]。

圖1b為添加2.0%Mo的Fe-Cr-B堆焊合金的顯微組織。由圖1b可知，堆焊合金的顯微組織主要由初生M2B和共晶M2B+(Fe，Cr)組成。與未添加合金元素Mo比較，堆焊合金組織結(jié)構(gòu)并未發(fā)生顯著變化。然而，在共晶組織間析出數(shù)量較少的亮白色新相，呈不規(guī)則形狀。當(dāng)Mo含量達(dá)到4.0%時(shí)，堆焊合金仍主要由初生M2B和共晶M2B+(Fe，Cr)組成。由圖1c觀察發(fā)現(xiàn)，隨著堆焊合金中Mo含量的增加，當(dāng)堆焊合金中添加量為4.0%Mo時(shí)，分布在共晶組織間的亮白色析出相的數(shù)量增多，無序分布，呈長(zhǎng)條狀或不規(guī)則狀。隨著堆焊合金中Mo添加量進(jìn)一步增加至8.0%時(shí)，堆焊合金中亮白色析出相的數(shù)量、尺寸顯著增加，且析出相形狀由不規(guī)則狀向方形塊狀轉(zhuǎn)變，塊狀亮白色析出相體積分?jǐn)?shù)多于不規(guī)則狀。

2.2 堆焊合金的物相

不同Mo添加量的Fe-Cr-B堆焊層的XRD分析結(jié)果如圖2所示。

物相分析結(jié)果表明，未添加鉬鐵粉的堆焊合金由(Fe，Cr)2B和(Fe，Cr)兩相組成。當(dāng)堆焊合金中Mo的添加量為2.0%時(shí)，XRD分析結(jié)果中并未發(fā)現(xiàn)新的特征衍射峰出現(xiàn)，表明堆焊合金中沒有新相形成。然而，由圖1b中可明顯觀察到有亮白色析出相，數(shù)量較少，說明該FeMo2B2的體積分?jǐn)?shù)較低，XRD檢測(cè)不到。隨著堆焊合金中Mo含量進(jìn)一步增加，當(dāng)Mo含量為4.0%時(shí)，堆焊合金中有新相FeMo2B2的特征衍射峰出現(xiàn)，且隨著Mo添加量的增加，堆焊合金中FeMo2B2的衍射峰強(qiáng)度逐漸增加，而初生(Fe，Cr)2B的衍射峰強(qiáng)度并未有明顯的變化，證實(shí)了圖1觀察結(jié)果。隨著堆焊合金中Mo的增加，亮白色析出相的尺寸、體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，其形狀由不規(guī)則向塊狀轉(zhuǎn)變。

2.3 堆焊合金的硬度與耐磨性

不同Mo添加量的堆焊合金的洛氏硬度和磨粒磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。由表2可知，隨著合金元素Mo的添加，堆焊合金層的洛氏硬度和耐磨性的變化具有明顯的規(guī)律性，呈逐漸升高的趨勢(shì)。未添加Mo元素的堆焊合金組織主要為初生M2B和共晶M2B+(Fe，Cr)，洛氏硬度值為55.7 HRC，磨粒磨損試驗(yàn)后，失重量較大，耐磨性差。隨著Mo添加量的增加，當(dāng)Mo含量為4.0%時(shí)，堆焊合金中析出一定數(shù)量的FeMo2B2硼化物陶瓷相，無序分布在初生M2B相之間，洛氏硬度明顯升高，達(dá)到62.5 HRC，磨損失重量呈減小的趨勢(shì)，耐磨性較未添加Mo提高了約15%。隨著Mo添加量的進(jìn)一步增加，當(dāng)Mo為8.0%時(shí)，堆焊合金中析出的FeMo2B2硼化物體積分?jǐn)?shù)、尺寸相應(yīng)增加，無規(guī)則的分布在初生M2B相之間，堆焊合金的洛氏硬度明顯升高，達(dá)到64.5 HRC，較未添加Mo試樣的耐磨性提高了約1.2倍。

表2 堆焊合金平均洛氏硬度與耐磨性Table 2 Average Rockwell hardness and wear resistance of surfacing alloys

綜上可知，Mo對(duì)初生Fe2B的組織形貌影響不明顯，堆焊合金中仍有大量的棒狀M2B硼化物硬質(zhì)相，Mo的加入促堆焊合金中形成具有硬度高、耐磨性優(yōu)異的FeMo2B2[12]，析出相無序、彌散地分布在初生Fe2B相之間。初生M2B、共晶組織和FeMo2B2協(xié)同作用，相互保護(hù)，使得堆焊合金材料的耐磨性和硬度得以提高。Mo含量越高，形成的FeMo2B2體積分?jǐn)?shù)越大，堆焊合金的硬度越高，降低磨損量。

圖3為不同F(xiàn)e-5B-10Cr-xMo堆焊合金磨損試驗(yàn)后的掃描電鏡形貌。由圖3可以看出，不同Mo添加量的Fe-10Cr-5B系堆焊合金磨損后，試樣磨損表面有不同深度的犁溝和剝落坑出現(xiàn)。與未添加合金元素Mo的試樣比較，隨著Mo添加量的增加，磨損表面的犁溝深度逐漸變淺、寬度變窄。

當(dāng)未添加Mo時(shí)，堆焊合金中雖沒有含Mo的耐磨硬質(zhì)相形成，但堆焊合金中初生M2B和共晶M2B+基體協(xié)同作用，能夠一定程度抵抗磨粒的壓入和磨削，磨損后試樣表面出現(xiàn)數(shù)量較多的犁溝，并有一定數(shù)量的剝落凹坑，其磨損方式為微觀切削+斷裂磨損。當(dāng)堆焊合金中Mo的含量為2.0%和4.0%時(shí)，堆焊合金磨損表面犁溝深度變淺、變窄，但仍有一定數(shù)量的剝落凹坑出現(xiàn)。堆焊合金材料的磨損方式?jīng)]有發(fā)生改變，仍為微觀切削+斷裂磨損方式。當(dāng)Mo的添加量達(dá)到8.0%時(shí)，堆焊合金中析出大量的FeMo2B2，初生M2B、共晶M2B和FeMo2B2耐磨硬質(zhì)相共同作用，有效抵抗磨料的壓入和磨削，磨損表面的犁溝深度較小、壓痕較淺、數(shù)量少，說明堆焊合金材料的耐磨性好。

3 結(jié) 論

(1)Fe-10Cr-5B-xMo(x=0，2%，4%，8%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)堆焊合金主要由初生M2B、共晶M2B+(Fe，Cr)和FeMo2B2組成。隨著Mo添加量的增加，堆焊合金中FeMo2B2的體積分?jǐn)?shù)、尺寸增加，并分布在初生M2B相之間，與共晶組織交織存在。

(2)未添加合金元素Mo堆焊合金的洛氏硬度為55.7 HRC，隨著Mo添加量的增加，堆焊合金的硬度呈增加的趨勢(shì)，當(dāng)Mo的添加含量為8.0%時(shí)，洛氏硬度為64.5 HRC，較未添加Mo的提高約15%。

(3)隨著Mo添加量的增加，堆焊合金中FeMo2B2硬質(zhì)相析出，其體積分?jǐn)?shù)增加，堆焊層的耐磨性逐漸升高。當(dāng)Mo添加量為8.0%時(shí)，堆焊合金中析出數(shù)量較多的、呈塊狀的FeMo2B2硬質(zhì)相，且無序地分布在初生相之間，其耐磨性較未添加Mo的堆焊合金提高約1.2倍。