钼、镍含量对马氏体不锈钢硬面药芯焊丝堆焊层组织和性能的影响

吕 彦，余圣甫，行舒乐，刘雨龙，王乐虎

（华中科技大学材料科学与工程学院，武汉430074）

0 引 言

磨损会缩短机械工程设备的使用寿命，严重的还会引起机械设备事故［1］。多数情况下，因磨损而报废的零部件，可以通过表面堆焊的方式在其表面堆焊一层具有优良耐磨性能的不锈钢或合金，使其表面重新满足使用要求。铁-铬-碳耐磨堆焊合金以其优异的性能和高性价比受到了研究者的关注［2-4］，但目前有关此堆焊层合金成分优化的研究并不深入，所以，作者以铁-铬-碳三元合金系为基础，通过添加不同含量的钼和镍，制备了一种焊接工艺性能优良的马氏体不锈钢耐磨硬面药芯焊丝，并采用埋弧焊堆焊方法在Q235钢基体上进行堆焊试验，研究了钼、镍含量对堆焊层组织、硬度以及高温耐磨性能的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

在2Cr13马氏体不锈钢药芯焊丝配方的基础上，按表1所示将合金粉混合均匀后，以优质低碳冷轧H08A 钢带作为药芯焊丝外皮，轧制成φ4.0mm的药芯焊丝，再经过轧尖机拉拔成φ3.2 mm 的焊丝。焊丝的填充率为34%～36%。

采用MZ-1000型自动埋弧焊机，配合8106 烧结焊剂，在8mm厚的Q235钢基体上堆焊五层，电源采用直流反接，焊接电压为28～32V，焊接电流为300～340A，焊接速度为11.2 m·h-1，焊丝伸出长度为15～20 mm。焊后采用线切割的方法在堆焊层顶部取样，将1＃～3＃药芯制备的堆焊层记为堆焊层1～3。

表1 药芯的配方（质量分数）Tab.1 Component of flux-cored wire（mass） %

1.2 试验方法

用HR-150AL 型洛氏硬度试验机测堆焊层的硬度，测3个点取平均值；在LWD200-4CS型数码倒置光学显微镜下观察堆焊层的显微组织；采用Quanta200型环境扫描电子显微镜（SEM）观察碳化物的形貌，并进行能谱（EDS）分析。

磨损试验前，在堆焊层上制备尺寸为φ6mm×12mm 的销形试样，在MG-2000B型高速高温摩擦磨损试验机上进行高温磨损试验，采用销盘式结构，对磨盘材料为42CrMo钢，硬度为170～200HB，其主要化学成分（质量分数）为0.4%C，0.25%Si，0.65%Mn，0.95%Cr，0.20%Mo［5］。销和盘试样均被安装在高温炉的中央，炉温通过热电偶传输到计算机，温度由计算机控制在450℃，试验条件为干摩擦，试验盘转速为271r·min-1，载荷为450N，磨损时间为40min。

用JA5003型电子天平（精度为0.1mg）称量试样磨损前后的质量，磨损质量为试样磨损前后的质量差。高温摩擦磨损试验示意如图1所示。

图1 高温摩擦磨损试验示意Fig.1 Schematic diagram of high temperature friction and wear test

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图2可见，钼、镍含量对堆焊层显微组织有明显影响。虽然3种堆焊层的显微组织均由板条马氏体、残余奥氏体、碳化物组成，但与堆焊层1相比，堆焊层2中的马氏体含量明显增多，且晶粒得以细化，碳化物颗粒明显增多；堆焊层3中的马氏体组织粗大，呈片状。

图2 不同堆焊层的显微组织Fig.2 MIicrostructure of deposited metals 1（a），2（b）and 3（c）

由图3，4可以看出，堆焊层2的组织主要由马氏体和残余奥氏体组成，碳化物颗粒主要分布在晶界和马氏体基体上，这些细小的第二相质点为铬、钼等的复合碳化物，具有良好的强化作用，能显著提高堆焊层的硬度和耐磨性。

2.2 对性能的影响

2.2.1 对硬度的影响

自制焊丝制备的堆焊层组织主要为板条马氏体，其内存在密度为（3～9）×1011cm-2的位错，这种马氏体的碳含量低，具有较高的强度和良好的韧性，抗开裂能力强，综合性能良好［6］。

图3 堆焊层2的XRD谱Fig.3 XRD pattern of deposited metal 2

图4 堆焊层2中碳化物颗粒的SEM形貌及EDS谱Fig.4 SEM morphology （a）and EDS spectrum（b）of carbide particles in the deposited metal 2

由表2可见，各堆焊层金属的硬度分布均匀，添加钼、镍后可以明显提高堆焊层的硬度。在2Cr13不锈钢药芯焊丝堆焊层中，由于存在大量强碳化物形成元素铬，堆焊金属在冷却过程中会形成大量初生M7C3碳化物，主要为（Fe，Cr，Mn）7C3。当在焊丝中添加钼后，可以改变初生碳化物的结构，生成具有四元合金的间隙化合物（Fe，Cr，Mo，Mn）7C3，增加了初生碳化物的含量，在冷却过程中还会形成结构更复杂的二次碳化物（Fe，Cr，Mo，Mn）23C6，钉扎在基体中，阻止晶粒进一步长大；同时钼作为中强碳化物形成元素，在堆焊层中还会形成Mo2C，Mo2C在液相线以上约1 100 ℃开始析出。可见，钼通过三个方面强化整个熔敷金属，即直接生成初生Mo2C、强化初生M7C3和强化基体［7］。

表2 不同堆焊层的硬度Tab.2 Hardness of different deposited metals HRC

镍是弱碳化物形成元素，在堆焊层金属熔池形成过程中不与碳元素结合形成碳化物，但在冷却过程中却可以抑制贝氏体相变从而促进马氏体相变，因此添加镍元素后，堆焊层的硬度得以提高。

当同比例提高钼、镍质量分数为4%时，堆焊层的硬度（与2%时相比）有所下降。这是因为随着钼质量分数的增加，堆焊层金属生成的δ相作用增强，当钼含量过高时，会使堆焊层金属难以获得单一的马氏体组织，而且堆焊层熔池在冷却过程中还可能会在奥氏体晶界和马氏体板条边界析出一种脆性的Laves相［8］，从而使堆焊层的硬度降低。

2.2.2 对高温耐磨性能的影响

由图5 可知，当钼、镍的质量分数为2%，4%时，堆焊层的磨损质量损失分别为3.6，7.2mg，分别较未添加钼、镍的下降了82.3%和64.5%。

图5 钼、镍质量分数与磨损质量损失之间的关系Fig.5 Relationship between Mo，Ni elements content and loss mass

材料的耐磨性受其显微组织影响，如：残余奥氏体的数量、硬质相的分布、初生碳化物的尺寸等。添加适量的钼元素一方面可以细化晶粒，晶粒细小晶界面积就会增加，晶界处原子排列相当紊乱，晶界阻力大，使塑性变形和微裂纹很难由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒；另一方面，作为碳化物形成元素，形成的碳化物Mo2C均匀弥散地分布在基体中，生成的细小弥散第二相粒子与位错交互作用，钉扎在奥氏体晶界上，阻碍位错运动，从而使材料的强度和耐磨性提高［9］。

镍是稳定奥氏体元素，它可以与铁无限互溶［10］，由于镍的固溶，降低了γ→α的转变速度，特别是增大了α-Fe的形核功，从而提高了过冷奥氏体的稳定性，造成组织中存在残余奥氏体。残余奥氏体有利于耐磨性的提高，这是因为一方面奥氏体和碳化物在界面上的结合很牢固，在磨损过程中，能有效防止碳化物脱落；另一方面在磨损时，部分奥氏体在应力作用下转变为马氏体，体积增大，在马氏体间产生压应力，降低了磨损表面的初始拉应力，从而减缓裂纹的形成［11］。由图5 可知，耐磨性并不是钼、镍的含量越高越好，当它们的质量分数达到4%时，堆焊层中的马氏体晶粒粗大，耐磨性反而降低。

在较高的温度环境下，堆焊层表面形成了一层致密的氧化膜（如图6所示）附着在基体表面，使摩擦过程变成在此氧化膜之间进行，造成的磨损较小，能对基体起到较好的保护作用。

图6 堆焊层2磨损表面、磨屑的SEM形貌和EDS谱Fig.6 SEM morphology wear surface （a）and abrasive dust（b）and EDS spectrum（c）of abrasive dust on weat surface of deposited metal 2

3 结 论

（1）自制马氏体不锈钢药芯焊丝的堆焊层组织虽均由马氏体、残余奥氏体、碳化物，但显微组织有较大的不同。

（2）添加钼和镍元素后能够提高堆焊层金属的硬度和高温耐磨性，且当钼、镍的质量分数均为2%时，得到的堆焊层的硬度和高温耐磨性能均最好，硬度为47.8HRC，磨损质量损失为3.6mg。

［1］邵荷生，张清.金属的磨损与耐磨材料［M］.北京：机械工业出版社，1988.

［2］孙宜华，李晨辉，熊惟皓.铁基高铬合金激光熔敷层和堆焊层的组织性能对比［J］.机械工程材料，2008，32（1）：59-62.

［3］SAPATE S G，RAMA R A V.Effect of carbide volume fraction on erosive wear behavior of hardfacing castiron［J］.Wear，2004，256（3）：774-786.

［4］CHATTERJEE S，PAL T K.Wear behavior of hardfacing deposits on castiron［J］.Wear，2003，255（1／6）：417-425.

［5］杨可，余圣甫，杨华.氮合金化堆焊硬面合金组织与耐高温磨损性能［J］.焊接学报，2011，32（1）：5-8.

［6］吴树森，柳玉起.材料成型原理［M］.北京：机械工业出版社，2008.

［7］王清宝，白波.Nb和Mo对高碳自保护药芯焊丝熔敷性能的影响［J］.焊接学报，2009，30（1）：81-84.

［8］仝建民，李明义.材料的冲击磨料磨损耐磨性及其疲劳磨损机制［J］.机械工程材料，1993，17（3）：10-13.

［9］AKSOY M，YILMAZ O，KORKUT M H.The effect of strong carbide-forming elements on the adhesive wear resistance of ferritic stainless steel［J］.Wear，2001，249（8）：639-646.

［10］曹艺，王昭东，吴迪，等.Mo和Ni对低合金耐磨钢连续冷却转变的影响［J］.材料热处理学报，2011，32（5）：74-78.

［11］王英杰，栗卓新，蒋旻.含钒高铬铸铁自保护金属芯堆焊焊丝的研制［J］.新工艺技术，2007（5）：39-41.