冒志偉 楊可 李嘉琪 徐亮 王秋雨 包曄峰

摘要：在Fe-Cr13-C耐磨堆焊焊條藥皮中加入Nb和N進(jìn)行合金化并進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。采用光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察堆焊層金屬的顯微組織;利用滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試堆焊層金屬的耐磨性能，研究Nb和N對(duì)Fe-Cr13-C堆焊層金屬耐磨性能的影響。結(jié)果表明：堆焊層金屬中鈮和氮的加入能細(xì)化馬氏體，并且使析出相分布更未均勻，具有明顯的細(xì)晶強(qiáng)化和析出強(qiáng)化作用，硬度提高約25%;使摩擦磨損磨痕最大深度減小約72%，平均磨痕截面積減小約81%，耐磨性能得到顯著提高。

關(guān)鍵詞：合金化;堆焊;顯微組織;耐磨性

中圖分類(lèi)號(hào)：TG422.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）08-0031-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.06

0 前言

在工業(yè)環(huán)境中，材料的失效行為很大程度上是磨損所導(dǎo)致的，如機(jī)械設(shè)備的運(yùn)動(dòng)部件在接觸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致摩擦磨損，這將直接影響設(shè)備使用壽命[1]。近年來(lái)，隨著產(chǎn)業(yè)技術(shù)的革新，許多機(jī)械設(shè)備需要進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，以面對(duì)更為嚴(yán)苛的工作環(huán)境[2]。因此，研究高耐磨性材料具有重要意義。

堆焊技術(shù)是一種材料表面改性技術(shù)，通過(guò)冶金反應(yīng)在堆焊層與母材之間形成高強(qiáng)度接頭，不僅可以使母材獲得高耐磨性表面，還能快速修復(fù)表面遭到破壞的機(jī)械零部件[3]。因此，在水利機(jī)械、礦山機(jī)械、汽車(chē)制造、模具修復(fù)等行業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4-6]。

已有學(xué)者嘗試通過(guò)添加合金元素進(jìn)一步提高堆焊層金屬耐磨性能。Wang[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，在高鉻硬面合金中添加N元素可以細(xì)化（Fe，Cr）7C3初生相，不僅能提高材料的沖擊吸收能，還能改善材料的耐磨性。王智慧[8]等人在Fe-Cr-C硬面合金中加入NbC發(fā)現(xiàn)，NbC可以增強(qiáng)合金中耐磨骨架的支撐作用，顯著提高耐磨性。

因此，文中在Fe-Cr13-C合金中加入N，并通過(guò)Nb的固氮作用形成合金化Fe-Cr13-C堆焊層金屬，進(jìn)行往復(fù)式滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，研究鈮和氮對(duì)其耐磨性能的影響，為耐磨材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用1Cr13不銹鋼堿性焊條（φ4 mm）。焊條藥皮中大理石、螢石、鉀長(zhǎng)石、鋯英砂等可以調(diào)整焊縫的脫渣性、飛濺率、熔敷效率和成型性;稀土硅、錳鐵、鉬鐵等使焊縫金屬充分脫氧以提高焊縫質(zhì)量。為滿(mǎn)足合金化要求，在藥皮中加適量鈮鐵和氮化鉻。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用ZX7-400 型電焊機(jī)將制備的焊條分別在母材上進(jìn)行電弧堆焊以得到堆焊層金屬。焊接工藝參數(shù)為：直流反接;焊接電流130～150 A;電弧電壓27～32 V;焊接速度15～20 m/h。將未加入鈮和氮的堆焊層金屬試樣記為1#，加入鈮和氮的堆焊層金屬試樣記為2#。利用金相切割機(jī)在垂直于堆焊層表面上切取尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣和20 mm×10 mm×10 mm磨損實(shí)驗(yàn)試樣，將試樣表面用砂紙打磨并進(jìn)行機(jī)械拋光。金相試樣用CuSO4-HCl溶液（4 g CuSO4+20 mL HCl+25 mL水）腐蝕。采用滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)兩組試樣進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損測(cè)試，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：對(duì)磨材料為直徑6 mm的ZrO2;施加載荷為10 N;滑動(dòng)摩擦次數(shù)為12 000次;滑動(dòng)摩擦距離為240 000 mm。采用XJG-05型臥式金相顯微鏡觀察試樣金相組織形貌;采用HR-150DT型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)量試樣室溫下的硬度;采用S3400N 型掃描電子顯微鏡觀察試樣顯微組織和磨損形貌。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 堆焊層金屬顯微組織

1#和2#堆焊層金屬試樣的金相顯微組織如圖1所示?？梢钥闯?，兩種堆焊層金屬試樣的顯微組織都由板條馬氏體、少量殘余奧氏體和顆粒狀析出相組成。

兩組試樣堆焊層金屬的SEM照片如圖2所示?？梢钥闯?，相比1#試樣，2#試樣中的馬氏體板條尺寸明顯減小;1#試樣中析出相數(shù)量少且尺寸大，2#試樣中析出相數(shù)量多且尺寸小，在基體上分布更為均勻。

對(duì)比兩組試樣的顯微組織可以發(fā)現(xiàn)，鈮和氮的加入使得堆焊層金屬中的馬氏體板條發(fā)生細(xì)化。這是因?yàn)樵诮饘倮鋮s凝固過(guò)程中，在溫度較高階段會(huì)析出含鈮的碳、氮化物，根據(jù)經(jīng)典形核理論，先析出的顆?？梢宰鳛閵W氏體晶粒異質(zhì)形核的質(zhì)點(diǎn)。異質(zhì)形核有利于增加奧氏體晶粒數(shù)量，減小尺寸。隨著溫度繼續(xù)降低，奧氏體晶粒發(fā)生切變生成馬氏體，由于奧氏體晶粒減小，生成的馬氏體晶粒也相應(yīng)減小。因此，堆焊層金屬中鈮和氮可以起到細(xì)化晶粒的作用。

2.2 堆焊層金屬硬度

在兩組試樣上選取5個(gè)點(diǎn)測(cè)量硬度值，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)計(jì)算得出1#試樣的平均洛氏硬度值為38.5，2#試樣的平均洛氏硬度值為48.1，2#試樣的硬度比1#試樣提高約25%。此外，1#試樣硬度值的標(biāo)準(zhǔn)差為1.91 HRC，2#試樣的硬度值標(biāo)準(zhǔn)差為0.62 HRC，這表明2#試樣各處硬度值的差異較小，組織更為均勻。

2.3 堆焊層金屬磨損形貌

1#試樣堆焊層金屬磨損形貌如圖4a所示，磨痕表面有大片的剝落坑，磨損機(jī)理主要是疲勞磨損，試樣表面磨損程度較為嚴(yán)重。2#試樣堆焊層金屬磨損形貌如圖4b所示，磨痕表面有較淺的犁溝，磨損機(jī)理主要是磨粒磨損。在磨損過(guò)程中析出相會(huì)從基體剝落。由于2#試樣中析出相數(shù)量較多，磨粒磨損明顯，因而在磨痕表面主要以犁溝形貌為主，試樣表面磨損程度較輕。

使用Nanovea 3D表面掃描儀對(duì)兩組試樣的磨痕進(jìn)行掃描分析，整理所得數(shù)據(jù)如圖5所示?？梢钥吹?，1#試樣磨痕最大深度為18.2 μm，平均磨痕截面積為8 090 μm2;2#試樣磨痕最大深度為5.09 μm，平均磨痕截面積為1 509 μm2。兩者相比，2#試樣磨痕最大深度減小約72%，平均磨痕截面積減小約81%。顯然2#試樣的磨損量明顯遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1#試樣。因此，試樣2#的耐磨性明顯優(yōu)于1#試樣。

3 討論

從滑動(dòng)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，鈮和氮的加入顯著提高了Fe-Cr13-C堆焊層金屬的耐磨性。

堆焊層金屬在交變應(yīng)力反復(fù)作用下會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重塑性變形，使得材料局部強(qiáng)度降低。在最大剪切應(yīng)力處裂紋開(kāi)始萌生，隨著變形程度的加深，裂紋會(huì)沿著最大剪切應(yīng)力擴(kuò)展到表面引起材料表面損傷，并且在滑動(dòng)摩擦過(guò)程中，基體和析出相的結(jié)合界面處不斷產(chǎn)生塑性變形積累，并引起應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力超過(guò)二者的臨界結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，析出相會(huì)從基體脫落，使得基體失去析出相的保護(hù)作用，加劇材料的磨損。滑動(dòng)摩擦磨損是一種切入式磨損，提高材料硬度可以顯著提高其耐磨性。由于2#試樣中析出相在馬氏體基體上分布更為均勻，具有良好的析出強(qiáng)化效果;且2#試樣中馬氏體晶粒發(fā)生細(xì)化，有細(xì)晶強(qiáng)化的效果;所以，在堆焊層金屬中添加鈮和氮可以明顯提高材料硬度。在摩擦磨損過(guò)程中，磨球在高硬度的材料表面壓入深度、接觸面積以及材料的磨損體積均會(huì)減小。因而堆焊層金屬的磨損量很小。

堆焊層金屬的磨痕上存在被磨屑填實(shí)的犁溝，呈現(xiàn)連續(xù)的長(zhǎng)條狀的堆積帶。部分?jǐn)嗔训奈龀鱿嘣谑艿酱怪狈较驂毫髸?huì)嵌入磨屑堆積帶中，減小對(duì)基體的磨損作用，在某種程度上磨屑堆積塊可以起到保護(hù)基體的作用。

此外，根據(jù)上文的分析，鈮和氮的加入可以產(chǎn)生細(xì)化晶粒的效果。細(xì)化的晶粒受到外力作用發(fā)生塑性變形時(shí)塑性變形較均勻，應(yīng)力集中較小。此外，晶粒越細(xì)，晶界面積越大，晶界越曲折，越有利于阻止裂紋擴(kuò)展。因此，鈮和氮的加入使Fe-Cr13-C堆焊層金屬表現(xiàn)出良好的耐磨性。

4 結(jié)論

（1）加入鈮和氮，F(xiàn)e-Cr13-C堆焊層金屬的顯微組織由板條馬氏體、殘余奧氏體和大量細(xì)小彌散分布的析出相組成。鈮和氮的加入增加了析出相數(shù)量，并使堆焊層金屬中的馬氏體發(fā)生細(xì)化。

（2）鈮和氮的加入顯著提高了Fe-Cr13-C堆焊層金屬的硬度和耐磨性，其中硬度提高約25%，磨痕最大深度減小約72%，磨痕面積減小約81%。

（3）加入鈮和氮后，F(xiàn)e-Cr13-C堆焊層金屬的磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，磨損形貌主要為犁溝，磨損程度相對(duì)較輕。

參考文獻(xiàn)：

[1] 楊可，謝翔，包曄峰，等. 鈮鈦碳氮析出物對(duì)硬面合金耐高溫磨損行為的影響[J]. 摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（4）：333-337.

[2] 禹潤(rùn)縝，劉勝新，王朋旭，等. Fe-Cr-C系硬面合金及其硬質(zhì)相的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào)，2018，32（21）：106-114.

[3] 范振，王國(guó)平. 氮合金化堆焊材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用[J].電焊機(jī)，2013，43（7）：111-115.

[4] 黃飛，何鵬瞧，陳漢林，等. 明弧堆焊Fe-Cr-C-N-Nb耐磨合金的組織及性能研究[J]. 稀有金屬與硬質(zhì)合金，2017，45（1）：36-39.

[5] 奚運(yùn)濤，劉道新，韓棟，等. 低溫離子滲氮提高2Cr13不銹鋼的沖蝕磨損與沖刷腐蝕抗力[J]. 材料工程，2007 （11）： 77-82.

[6] 盧靜，李勇，歐陽(yáng)航，等. 我國(guó)堆焊復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 世界有色金屬，2018（10）：195-197.

[7] Wang J B，Liu T T，Zhou Y F. Effect of nitrogen alloying?on the microstructure and abrasive impact wear resistance of Fe-Cr-C-Ti-Nb hardfacing alloy[J]. Surface & Coating Technology，2017，309（15）：75-78.

[8] 王智慧，賀定勇. NbC 增強(qiáng)Fe-Cr-C耐磨堆焊合金組織與磨粒磨損性能[J]. 焊接學(xué)報(bào)，2007，28（2）：55-58.

收稿日期：2020-01-15;修回日期：2020-03-29

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2017YFE0100100）;國(guó)家自然科學(xué)基金（51101050）;南通市基礎(chǔ)科學(xué)研究項(xiàng)目（JC2019063）;河海大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（2020102941530）

作者簡(jiǎn)介：冒志偉（1996— ），男，在讀碩士，主要從事表面堆焊方面的研究工作。E-mail：away_mao@163.com。