賈華，高明，劉政軍

(1.大連海洋大學(xué),大連,116023；2.沈陽工業(yè)大學(xué),沈陽,110870)

0 序言

冶金、電力、農(nóng)機(jī)、采礦和建材等部門每年因磨損而產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大[1-2].為提高金屬零件的使用壽命，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，可采用堆焊方法對易磨損零件進(jìn)行制造或再修復(fù)[3-4].當(dāng)堆焊材料選用合金元素自保護(hù)藥芯焊絲時，整個焊接過程無需外加其它輔助保護(hù)裝置，所以更適合在惡劣工作條件下進(jìn)行連續(xù)施焊[5].在Fe-Cr-C-B 系堆焊合金中添加Ti，Nb，W 和V 等元素后，能夠生成相應(yīng)的碳化物TiC，NbC，WC 和VC 等，改善堆焊合金的組織性能[6-8].目前，在Ti，Nb 或Ti 與Nb 元素聯(lián)合強(qiáng)化堆焊合金耐磨性方面開展的研究較多.研究結(jié)果表明，在液態(tài)金屬凝固過程中，Ti 和Nb 能優(yōu)先與碳生成TiC 或NbC 硬質(zhì)相顆粒，而成為異質(zhì)形核核心，具有很強(qiáng)的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，并且它們的硬度高，與鐵基體潤濕性好，對提高堆焊合金的耐磨性十分有利[7-9].但關(guān)于它們在同等條件下提高合金性能效果強(qiáng)弱方面還鮮有研究.因此，文中在相同外在條件和成分條件下，采用含Ti 或Nb 的自保護(hù)藥芯焊絲進(jìn)行明弧堆焊，制備含有不同Ti 或Nb 的Fe-Cr-C-B 系鐵基堆焊合金，分析堆焊合金的顯微組織與耐磨性，確定在相同條件下Ti 和Nb 對堆焊合金組織性能的影響效果，為選擇適當(dāng)?shù)暮辖饛?qiáng)化元素提供借鑒.

1 試驗(yàn)方法

堆焊藥芯焊絲由鋼帶和藥粉組成.鋼帶寬度10 mm，厚度為0.3 mm，長度不受限制，牌號為H08A.藥粉由高碳鉻鐵(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)(60.6%Cr，8.24%C)、硼鐵(18%B)、石墨(純度為99.5%)、鈦鐵(30%Ti) 和鐵粉(純度>99%) 等粉末組成.設(shè)計(jì)藥芯焊絲配方時，固定藥粉中石墨、鉻、硼和造渣劑(CaF2+CaO+Al2O3+Al 粉末) 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不變(分別為10%，35%，2% 和4%)，改變Ti 或Nb的添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，不足100%部分由還原鐵粉補(bǔ)充.因受焊絲藥芯配方成分總量的限制(為100%)，經(jīng)計(jì)算藥芯中添加Ti 元素量最多為5%，所以改變Ti 的添加量分別為1%，2%，3%，4%和5%.為了與含Ti 藥芯焊絲配方成分形成對照，選擇Nb 的添加量也分別為1%，2%，3%，4% 和5%.將所用藥粉過100 目篩，烘干去除水分，混合攪拌均勻后，采用藥芯焊絲成型機(jī)制成直徑為2.8 mm的焊絲，包粉率控制在45% ± 1%范圍內(nèi).

以研制的自保護(hù)藥芯焊絲為堆焊材料，在尺寸為100 mm × 80 mm × 12 mm 的Q235 鋼表面，采用MZ-1 000 型埋弧焊機(jī)進(jìn)行明弧堆焊制備相應(yīng)的合金層.為了使堆焊層滿足后續(xù)的試驗(yàn)要求，需要進(jìn)行多層多道焊，堆焊層厚度一般為10 mm.堆焊工藝參數(shù)為：電弧電壓30～ 35 V，焊接電流180～190 A，焊接速度10 mm/s，焊絲伸出長度15 mm.

堆焊試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣表面打磨平整.采用HRC-150A 型洛氏硬度計(jì)測量硬度.制作金相試樣，經(jīng)體積分?jǐn)?shù)4% 的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用S3400N 型掃描電鏡觀察顯微組織.布魯克D8 型X 射線衍射儀分析物相組成，其衍射范圍為15°～100°.在堆焊層表面鉆取金屬粉末，用化學(xué)方法分析合金成分.采用MLS-23 型橡膠輪式濕砂磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為56 mm × 27 mm ×11 mm，磨損參數(shù)為石英砂粒度40 目～ 70 目，膠輪直徑150 mm，膠輪轉(zhuǎn)速240 r/min，膠輪表面壓力1.5 MPa，磨損時間3 min.磨損前用分析天平測量出試樣重量M0，將磨損后的試樣清理烘干，測出磨損后重量M1，計(jì)算試樣被磨損的重量為ΔM=M0-M1，采用掃描電子顯微鏡觀察試樣的磨損形貌.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 X 射線衍射分析

圖1 為堆焊層的X 射線衍射圖譜.從圖中可以看出，在添加4%Ti 或Nb 的堆焊合金中，都存在馬氏體(M)，殘余奧氏體(A)，(Fe,Cr)23(C,B)6，(Fe,Cr)3(C,B)和(Fe,Cr)7(C,B)3相.另外，在添加4%Ti 的堆焊合金中出現(xiàn)TiC 衍射峰，在添加4%Nb 的堆焊合金中出現(xiàn)NbC 衍射峰，說明添加4%Ti 或4%Nb 的堆焊合金中分別有初生硬質(zhì)相TiC 和NbC 生成.因?yàn)殂t原子半徑與鐵相近，硼原子半徑與碳相近，使得部分鉻原子置換鐵原子，硼原子代替碳原子，所以圖譜中形成(Fe,Cr)23(C,B)6，(Fe,Cr)3(C,B)和(Fe,Cr)7(C,B)3復(fù)合碳硼化物相.

圖1 堆焊層的X 射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of surfacing layer

對于碳化物硬質(zhì)相能否生成可以從熱力學(xué)角度進(jìn)行分析.當(dāng)溫度和壓力一定時，只有吉布斯自由能ΔG0<0 的化學(xué)反應(yīng)才能發(fā)生.在含Ti 或Nb 的Fe-Cr-C-B 系鐵基堆焊合金中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)及各反應(yīng)物的吉布斯自由能見表1，其中T表示絕對溫度(K)[10].

表1 各反應(yīng)物的吉布斯自由能Table 1 Gibbs free energy of each reactant

圖2 為各反應(yīng)物吉布斯自由能的變化曲線.從圖中可以看出，TiC，NbC，Cr23C6和Cr7C3的吉布斯自由能ΔG0始終小于零，說明只要滿足成分條件，它們就能自發(fā)形成，并在組織中穩(wěn)定存在.Fe3C 的吉布斯自由能ΔG0在溫度高于1 021 K 時小于零，說明Fe3C 也可以生成.鈦、鈮與碳的親和力都比鉻大，說明在滿足成分條件時，TiC 和NbC 最容易形成，但TiC 形成溫度稍高，所以能比NbC 優(yōu)先形成.

圖2 各反應(yīng)物吉布斯自由能的變化曲線Fig.2 Variation curve of Gibbs free energy of each reactant

2.2 堆焊層硬度與耐磨性分析

為了明確Ti 和Nb 元素對Fe-Cr-C-B 系鐵基堆焊合金磨損性能的影響規(guī)律，分別對堆焊層的宏觀硬度和磨損量進(jìn)行分析.圖3 為不同Ti 或Nb 添加量時堆焊層的硬度和磨損量.從圖中可以看出，隨著Ti 添加量的增多，含Ti 堆焊合金硬度明顯增加，并在Ti 添加量為5% 時達(dá)到最大值；隨著Nb 添加量的增多，含Nb 堆焊合金硬度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，并在Nb 添加量為4%時達(dá)到最大值，如圖3a 所示.隨著Ti 添加量的增多，含Ti 堆焊合金磨損量逐漸減少，在Ti 添加量為5%時達(dá)到最小值；而隨著Nb 添加量的增多，含Nb 堆焊合金磨損量呈現(xiàn)先減少后增加的趨勢，在Nb 添加量為4%時達(dá)到最小值，如圖3b 所示.加入Ti 或Nb 后，堆焊合金的硬度增加和磨損量減少，應(yīng)該與碳化物硬質(zhì)相TiC 或NbC 的生成有關(guān).而相應(yīng)曲線呈現(xiàn)的不同變化趨勢應(yīng)該與硬質(zhì)相TiC 或NbC 的數(shù)量、形態(tài)以及分布有關(guān).

圖3 不同Ti 或Nb 添加量時堆焊層的硬度和磨損量Fig.3 Hardness and wear of surfacing layer with different addition of Ti or Nb.(a) hardness;(b)wear amount

從圖3a 和3b 中還可以看出，當(dāng)Ti 或Nb 添加量在1%～ 4%范圍時，含Nb 堆焊合金硬度高，磨損量低，表現(xiàn)出較好的耐磨性；而當(dāng)Ti 或Nb 的添加量達(dá)到5%時，含Ti 堆焊合金硬度高，磨損量低，表現(xiàn)出較高的耐磨性.這是由于Ti 與Nb 相比，Ti 的化學(xué)性質(zhì)更活潑，容易在明弧堆焊過程中與空氣中的氧氣反應(yīng)而損失掉，導(dǎo)致過渡到堆焊層中的Ti 含量減少，所以在Ti 添加量較少時作用效果不明顯.但隨著Ti 添加量增多，過渡到堆焊層中的Ti 含量也隨之增多，促使Ti 的作用效果顯著增加.一方面是Ti 與C 的親和力大，在滿足成分條件時，TiC 能優(yōu)先于NbC 形成；另一方面是Ti(原子質(zhì)量48)的原子質(zhì)量比Nb(原子質(zhì)量93)小，在同等合金成分條件下，Ti 能與C 能生成更多的TiC 硬質(zhì)相.TiC(3 200 HV) 的硬度比NbC(2 400 HV) 高，在加上TiC 硬質(zhì)相顆粒的細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用，從而使含Ti 鐵基堆焊合金表現(xiàn)出良好耐磨性.

在同等條件下，通過硬度和耐磨性的對比分析可知，當(dāng)Ti 添加量為5%時，含Ti 堆焊合金獲得最優(yōu)耐磨性，硬度為66 HRC，磨損量為0.048 7 g；當(dāng)Nb 添加量為4%時，含Nb 堆焊合金達(dá)到最佳的耐磨性，硬度為65 HRC，磨損量為0.052 4 g.因此，在同等條件下，含有適量Ti 的鐵基堆焊合金能夠獲得更優(yōu)的耐磨性.

2.3 堆焊層顯微組織分析

圖4 為不同試樣的金相顯微組織.從圖中可以看出，未加入Ti 或Nb 的Fe-Cr-C-B 系鐵基堆焊合金屬于典型的亞共晶組織，主要由初生奧氏體和共晶組織(共晶馬氏體(M)+共晶奧氏體(A) +(Fe,Cr)23(C,B)6+(Fe,Cr)3(C,B)+(Fe,Cr)7(C,B)3相)組成.其中，初生奧氏體晶粒粗大，共晶組織呈連續(xù)網(wǎng)狀分布，組織中沒有析出顆粒(圖4a).當(dāng)添加5%Ti 時，初生奧氏體晶粒明顯細(xì)化，共晶組織呈斷網(wǎng)狀均勻分布，有黑色圓形或塊狀TiC 硬質(zhì)相顆粒生成(圖4b).當(dāng)添加4%Nb 時，初生奧氏體晶粒細(xì)化，共晶組織也呈斷網(wǎng)狀分布，并有菱形或三角形NbC 硬質(zhì)相顆粒生成(圖4c).在Fe-Cr-C-B 系鐵基堆焊合金中加入Ti 或Nb 元素后，由于Ti 或Nb 與碳的親和力大，容易形成高熔點(diǎn)、高硬度的TiC 或NbC 初生硬質(zhì)相，能夠充當(dāng)后續(xù)金屬異質(zhì)形核基底，促使形核率增加，所以加入Ti 或Nb 后堆焊合金的晶粒細(xì)化.圖中堆焊合金的成分見表2.

圖4 不同試樣的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure and morphology of different samples.(a) without Ti or Nb;(b) 5%Ti;(c) 4%Nb

表2 堆焊層化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical compositions of surfacing layer

從圖4b 和4c 中還可以看出，在同等條件下，含Ti 堆焊合金中TiC 硬質(zhì)相顆粒、初生奧氏體以及共晶組織均細(xì)小，而含Nb 堆焊合金中NbC 硬質(zhì)相顆粒和初生奧氏體晶粒相對粗大，共晶組織形態(tài)雖然沒有發(fā)生變化，但數(shù)量有所減少.這是由于Ti 與C 的親和更力大，在滿足成分過冷和能量起伏的條件下TiC 容易優(yōu)先形核.優(yōu)先形核的TiC 既是初生奧氏體的形核核心，又是共晶組織的形核核心，所以含Ti 堆焊合金組織更細(xì)小.對于含Nb 堆焊合金，當(dāng)液態(tài)金屬凝固時NbC 將優(yōu)先形核，隨后長大時因Nb 原子半徑大難于擴(kuò)散，只能是碳原子向Nb 原子周圍擴(kuò)散堆垛，促使NbC 晶粒長大.含Nb 堆焊合金碳含量一定，生成NbC 將消耗一部分碳，將阻礙碳原子從初生奧氏體向周圍液相擴(kuò)散，導(dǎo)致共晶反應(yīng)不滿足成分條件而延遲發(fā)生，促使初生奧氏體晶粒長大，共晶組織減少.優(yōu)先生成的NbC 與共晶組織互不相溶，獨(dú)立存在，因此NbC 的形成只會影響共晶組織的數(shù)量，而不會改變共晶組織的性能和尺寸[11].

2.4 堆焊層磨損形貌分析

影響試樣磨損形貌的因素不僅取決于基體，也取決于碳化物的數(shù)量、分布、大小及形貌.圖5 為不同試樣的磨損形貌.未添加Ti 或Nb 的試樣出現(xiàn)大量切削溝槽，并且溝槽較深，表明其耐磨性較差，如圖5a 所示.這是由于該堆焊層主要由初生奧氏體和共晶組織組成，沒有析出硬質(zhì)相顆粒，在磨粒的磨削作用下，較軟的初生奧氏體基體被優(yōu)先去除，而分布在周圍的共晶組織又不能起到很好保護(hù)作用的緣故.添加5%Ti 或4%Nb 的試樣切削溝槽數(shù)量變少，深度變淺，表明其耐磨性較好，如圖5b和5c 所示.這是由于加入Ti 或Nb 后，堆焊合金中形成均勻彌散分布的TiC 或NbC 硬質(zhì)相，能夠作為耐磨質(zhì)點(diǎn)與細(xì)化的初生奧氏體和共晶組織構(gòu)成耐磨骨架，共同抵抗磨粒的切削作用.另外，TiC 和NbC 硬質(zhì)相都是原位自生，形成過程中未受污染，界面潔凈，并且與基體組織的潤濕性良好，在磨粒作用下不易被連根拔除，所以耐磨性較高.

圖5 不同試樣的磨損形貌Fig.5 Wear morphology of different samples.(a) without Ti or Nb;(b) 5%Ti;(c) 4%Nb

對比圖5b，圖5c 中的切削溝槽相對較多，深度較深，方向性明顯.一方面是組織中的NbC 硬質(zhì)相顆粒多為菱形或三角形，存在尖角，對基體有一定的割裂作用.而形成的TiC 硬質(zhì)相顆粒較小，呈塊狀或圓球狀分布，沒有明顯的尖角，對基體的割裂作用較小.另一方面是TiC 尺寸細(xì)小，晶粒比表面積大，與基體組織之間的結(jié)合力強(qiáng).另外，添加5%Ti 堆焊合金的晶粒細(xì)小，碳化物間距小，當(dāng)有磨粒磨過時，產(chǎn)生在碳化物上的切削力能迅速傳遞到較軟基體上，能避免碳化物因應(yīng)力集中產(chǎn)生剝落而引起二次切削.因此，添加5%Ti 的鐵基堆焊合金具有更為優(yōu)異的耐磨性.

3 結(jié)論

(1) Ti 或Nb 能夠改變鐵基堆焊合金的組織形貌.在含Ti 或Nb 的堆焊合金中，初生奧氏體晶粒細(xì)化，共晶組織呈斷網(wǎng)狀均勻分布，并分別有黑色圓形或塊狀TiC 和菱形或三角形NbC 硬質(zhì)相顆粒生成，當(dāng)添加5%Ti 時堆焊合金的組織最細(xì)小.

(2) Ti 或Nb 能夠提高鐵基堆焊合金的硬度和耐磨性.當(dāng)Ti 添加量為5%時，含Ti 堆焊合金達(dá)到最優(yōu)耐磨性，硬度為66 HRC，磨損量為0.048 7 g；當(dāng)Nb 添加量為4%時，含Nb 堆焊合金達(dá)到最優(yōu)耐磨性，硬度為65 HRC，磨損量為0.052 4 g.在同等條件下，含有適量Ti 的鐵基堆焊合金具有更優(yōu)的耐磨性.

(3) 在鐵基堆焊層中，高硬度的TiC 或NbC 顆粒呈均勻彌散分布，能夠作為耐磨質(zhì)點(diǎn)與細(xì)化的初生奧氏體和共晶組織構(gòu)成耐磨骨架，共同抵抗磨粒的楔入與切削作用，堆焊合金的耐磨性得以提高.