劉治宇，馮宇軒，劉政軍，劉 崢，王振宇

1.沈陽(yáng)市市場(chǎng)監(jiān)管事務(wù)服務(wù)中心（沈陽(yáng)市檢驗(yàn)檢測(cè)中心） 沈陽(yáng)計(jì)量測(cè)試院，遼寧 沈陽(yáng) 110027

2.沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110870

0 前言

在制造業(yè)發(fā)展飛速的時(shí)代，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)材料耐磨性能的要求越來(lái)越嚴(yán)格，開(kāi)發(fā)新型耐磨材料勢(shì)在必行［1-3］。Fe-Cr-C-B 系合金作為高鉻鑄鐵基本合金體系，因其廣泛的應(yīng)用范圍和良好的力學(xué)性能得到學(xué)者們的廣泛關(guān)注［4-8］。一些學(xué)者［9-12］將各種合金元素加入此合金體系中，使堆焊層組織中大量地產(chǎn)生原位生成的合金碳化物，形成了復(fù)雜共晶化合物和金屬間化合物等，同時(shí)還使硬質(zhì)相尺寸和分布形態(tài)發(fā)生良性轉(zhuǎn)變，從而顯著提高堆焊層的耐磨性能，但同時(shí)也產(chǎn)生了B元素帶來(lái)的硬質(zhì)相脫落問(wèn)題。近年來(lái)，中外許多研究人員［13-15］發(fā)現(xiàn)，在堆焊層中添加稀土元素能夠使材料的性能發(fā)生良性轉(zhuǎn)變，優(yōu)化合金組織，細(xì)化焊料基體中的金屬間化合物尺寸，從而大幅提升硬度及耐磨性。但目前中外學(xué)者對(duì)Y元素對(duì)堆焊層組織性能的影響研究較少。

本文采用Q235 鋼作為母材，在Fe-Cr-C-B 合金系中加入稀土元素Y制備藥芯焊絲，采用熔化極氣體保護(hù)焊技術(shù)制備耐磨堆焊合金。研究稀土元素Y 的添加對(duì)堆焊層耐磨性能產(chǎn)生影響的機(jī)理及規(guī)律，并確定其堆焊層最佳性能時(shí)的Y 元素含量。研究結(jié)果對(duì)于延長(zhǎng)材料的服役時(shí)間、提高材料性能、擴(kuò)大材料適用范圍具有正面作用，同時(shí)對(duì)基礎(chǔ)研究和工程化應(yīng)用具有一定意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 堆焊合金制備

首先制備不同Y 元素含量（0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%）的Fe-Cr-C-B-Y合金粉末，因?yàn)樗幏蹣O易吸收水分而產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷，所以需要將其放入烘干爐，150 ℃烘干保溫1 h，隨爐冷卻后，稱重并混合均勻待用。選用連軋法制備藥芯焊絲，將制成的金屬粉末放入清洗干凈的H08A 鋼帶，藥粉填充率為35%，鋼帶成分見(jiàn)表1，經(jīng)過(guò)多次輥壓拉拔，將填有藥粉的U 型鋼帶接口逐級(jí)封閉，最終形成直徑2.4 mm全封閉O型截面藥芯焊絲。

表1 H08A化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of H08A （wt.%）

試驗(yàn)采用尺寸為180 mm×150 mm×20 mm 的Q235低碳鋼板作為母材，因其廣泛的應(yīng)用范圍而具有代表性和研究?jī)r(jià)值。母材在進(jìn)行堆焊前應(yīng)采用機(jī)械打磨去除氧化皮，并用無(wú)水乙醇清洗，采用熔化極氣體保護(hù)焊，將藥芯焊絲堆焊到母材表面，工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 堆焊工藝參數(shù)Table 2 Surfacing parameters

1.2 試驗(yàn)方法

采用線切割的方法從堆焊合金上切取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣。使用200～2 000目砂紙，依次遞增打磨使試樣表面光滑平整。使用3.5 粒徑的水溶性金剛石研磨膏對(duì)完成細(xì)磨的試件在拋光機(jī)上進(jìn)行拋光，直至在100 倍顯微鏡下無(wú)明顯劃痕，拋光結(jié)束后使用無(wú)水乙醇清洗。使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試件，直至表面變成銀灰色停止腐蝕。腐蝕完成后再次使用無(wú)水乙醇清洗。

采用XRD-7000 X射線衍射儀分析堆焊層的物相組成，具體參數(shù)為：純Cu 靶材，管電壓40 kV，電流30 mA，步長(zhǎng)4 degree/min，掃描范圍20o～100o。采用配備能譜儀的S-3400N 掃描電子顯微鏡觀察堆焊層及磨損后試樣的微觀組織形貌，放大倍數(shù)為1 000倍。使用HR-150A洛氏硬度計(jì)對(duì)堆焊層進(jìn)行宏觀硬度測(cè)試，載荷15 kg，加載時(shí)間10～15 s。采用MLS-23 型濕砂橡膠輪式磨損測(cè)試機(jī)進(jìn)行磨損測(cè)試，沖擊角30 ℃，石英砂250 μm，砂漿濃度70%，轉(zhuǎn)速240 r/min，試驗(yàn)時(shí)間5 min，磨損試件尺寸56 mm×27 mm×10 mm，采用BL410F 電子天平（1 mg）對(duì)試樣磨損前后質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算磨損量。

2 結(jié)果與分析

2.1 Y元素對(duì)相結(jié)構(gòu)的影響

堆焊試樣X(jué) 射線衍射圖譜如圖1 所示，Y 元素含量的添加并沒(méi)有改變堆焊合金的物相種類(lèi)，但各相比例發(fā)生了變化。在衍射圖譜中，通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片可以看出，奧氏體、鐵素體、M7（C，B）3、M2B具有最高的衍射峰，說(shuō)明它們是構(gòu)成堆焊層組織的主要相，M 代表Fe、Cr 元素。其中奧氏體衍射峰強(qiáng)度最大，說(shuō)明其為堆焊層基體，同時(shí)堆焊層中C、B原子固溶到碳化物中，形成了復(fù)合的硼碳化合物作為硬質(zhì)相，如M7（C，B）3、M2B 等。未加入Y 元素的Fe-Cr-C-B 堆焊層X(jué)RD 圖譜中，碳硼化物的衍射峰比較多，情況比較復(fù)雜，而加入Y元素后，衍射峰強(qiáng)度有所增加，面積略有降低，碳硼化合物的衍射峰稍有簡(jiǎn)化，說(shuō)明組織晶粒進(jìn)一步細(xì)化，同時(shí)Y元素的添加促進(jìn)了碳硼化合物在晶界處生成。

圖1 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層X(jué)射線衍射圖譜Fig.1 X-ray diffraction pattern of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

2.2 Y元素對(duì)顯微組織的影響

不同Y 含量的Fe-Cr-C-B-Y 堆焊層掃描電子顯微鏡組織如圖2所示。堆焊層組織呈典型的枝晶結(jié)構(gòu)，與未添加Y元素時(shí)相比，Y元素的添加使晶粒尺寸明顯減小，同時(shí)使硬質(zhì)相分布更為均勻，致使堆焊合金的耐磨性顯著提高。這是因?yàn)閅 元素具有較高的表面活性，可以作為形核核心，促進(jìn)晶粒形核，同時(shí)析出相起到釘扎原奧氏體晶界的作用，阻礙晶界遷移。隨著Y元素含量的增加，由碳硼化物硬質(zhì)相構(gòu)成的共晶組織逐漸增多，且從連續(xù)層片狀向多邊形轉(zhuǎn)變，但在添加量達(dá)到1.6%以后不再發(fā)生明顯變化。

圖2 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層掃描電子顯微組織Fig.2 Scanning electron microstructure of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

為進(jìn)一步明確堆焊層各相的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，對(duì)Y含量為1.6%的試樣取四點(diǎn)進(jìn)行成分分析，取點(diǎn)位置及能譜圖像如圖3所示，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯鯝點(diǎn)各元素成分中Fe 占據(jù)絕大部分，還有少部分Cr、C、B固溶到其中，可以確定A點(diǎn)各元素成分中（Fe+Cr）∶（C+B）=7∶3，該多邊形組織是M7（C，B）3；B 點(diǎn)是奧氏體基體；C點(diǎn)各元素成分中（Fe+Cr）∶B=2∶1，可以確定該菊花形狀組織是M2B；而黑色區(qū)域D 被灰色碳硼化合物包裹著，說(shuō)明添加的Y2O3可能作為初生M7（C，B）3碳硼化合物的異質(zhì)形核核心。

圖3 1.6%Y的堆焊層能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of 1.6% Y surfacing layer

表3 1.6%Y的堆焊層EDS分析（原子分?jǐn)?shù)，%）Table 3 EDS analysis of 1.6% Y surfacing layer （at.%）

從堆焊層性能的角度分析，因?yàn)楣簿寂鸹锍蔬B續(xù)網(wǎng)狀形態(tài)分布，所以硬度低，對(duì)基體還有割裂作用。但若基體組織與共晶硬質(zhì)相在數(shù)量和分布形態(tài)等方面有良好配合，即在基體組織中固溶一定量的C、Cr和B原子時(shí)，可以起到第二相強(qiáng)化的作用，能夠在提高硬度的同時(shí)，保持良好的韌性，使之與周?chē)墓簿в操|(zhì)相通過(guò)互相作用共同抵抗磨粒的磨削，則能大幅度提高堆焊層的硬度與耐磨性。而Y 元素的添加進(jìn)一步使Fe-Cr-C-B 堆焊合金的組織細(xì)化，改善了原合金共晶硬質(zhì)相過(guò)多而易脫離基體組織的保護(hù)、在磨損過(guò)程中成塊脫落，導(dǎo)致耐磨性下降的缺點(diǎn)。

2.3 Y元素對(duì)硬度和耐磨性的影響

為進(jìn)一步明確Y 元素對(duì)堆焊層性能的影響，對(duì)堆焊層進(jìn)行硬度及耐磨性測(cè)試。應(yīng)用洛氏硬度計(jì)對(duì)Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金進(jìn)行取點(diǎn)測(cè)量，所得硬度值如表4所示，平均硬度值最小值為57.3 HRC，最大值為67.5 HRC。添加Y 元素的堆焊層硬度顯著高于未添加Y元素的硬度，可見(jiàn)添加Y元素后，堆焊合金的硬度明顯提高。

表4 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層洛氏硬度值Table 4 Rockwell hardness of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

Fe-Cr-C-B-Y 堆焊層平均硬度與磨損失重對(duì)比曲線如圖4所示，隨著Y添加量的增加，堆焊層平均硬度先增加后減小，而磨損量出現(xiàn)與之相反的趨勢(shì)。在Y 添加量為1.6%時(shí)，平均硬度為67.5 HRC，磨損量達(dá)到最小值0.864 g。此后，隨著Y的繼續(xù)添加，平均硬度出現(xiàn)下降趨勢(shì)，磨損量逐漸上升。結(jié)果表明，適量Y的添加對(duì)提高堆焊層的耐磨性有顯著效果，但添加過(guò)量Y則會(huì)導(dǎo)致耐磨性下降。

圖4 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層平均硬度與磨損失重對(duì)比曲線Fig.4 Comparison curve of average hardness and wear loss of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金的掃描電鏡磨損形貌如圖5所示，其變化規(guī)律基本與磨損曲線一致，可以看出其中有著明顯的犁溝，兩側(cè)有塑性變形產(chǎn)生的隆起，說(shuō)明其磨損機(jī)制主要為磨粒磨損。隨著Y含量的增加，犁溝逐漸變淺，數(shù)量逐漸減少，其中Y含量為1.6%時(shí)，F(xiàn)e-Cr-C-B-Y堆焊層的犁溝最淺、數(shù)量最少，最為平整，且沒(méi)有磨損剝落，故磨損量也最小，而當(dāng)Y含量再增加時(shí)，犁溝又加深、增多。

圖5 Fe-Cr-C-B-Y堆焊層磨損形貌Fig.5 Wear morphology of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

當(dāng)Y 元素添加量較小時(shí)，析出的第二相碳硼化合物具有較高的硬度值，阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而使堆焊層硬度值提高。而且Y 元素的添加還可以增加堆焊層的晶界數(shù)量，細(xì)化晶粒尺寸。因此在Y元素添加量較少時(shí)，由于第二相強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的作用，可以大大地穩(wěn)定堆焊層的性能，提升堆焊層的硬度，同時(shí)有效改善硬質(zhì)相脫落引起的耐磨性下降問(wèn)題。但是當(dāng)其添加量過(guò)大時(shí)，硬質(zhì)相碳硼化物將發(fā)生球化，使堆焊合金硬度降低，進(jìn)而導(dǎo)致其耐磨性降低。綜上所述，可以看出Y元素的添加應(yīng)適量，在1.6%時(shí)性能最佳。

3 結(jié)論

（1）對(duì)于Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金而言，Y 元素的添加并沒(méi)有使堆焊層的物相種類(lèi)發(fā)生改變，組織依然由奧氏體（γ-Fe）、鐵素體（α-Fe）、M7（C，B）3、M2B相組成。

（2）Y2O3可作為M7（C，B）3碳硼化合物的異質(zhì)形核核心，隨著Y 含量的增加，堆焊層組織中碳硼化物形狀結(jié)構(gòu)、尺寸數(shù)量都發(fā)生變化，其由板條狀轉(zhuǎn)變?yōu)槎噙呅谓Y(jié)構(gòu)，對(duì)組織的細(xì)化效果顯著提升。

（3）隨著Y 含量的增加，硬度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，磨損量先減小后增加，當(dāng)Y 添加量為1.6%時(shí)，基體相與共晶組織匹配最佳，耐磨性最好。