含硬质相铁基耐磨堆焊合金的研究进展

戴衍 孙昊 刘飞 李文杰

摘 要：硬质相对耐磨堆焊合金的硬度和耐磨性有重要影响，在介绍铁基耐磨堆焊合金的基础上，文章介绍硬质相尺寸、形态和分布对堆焊合金耐磨性的影响，以及含超细硬质相堆焊合金的发展现状，含超细硬质相的合金具有优良的硬度和韧性，从而具有优异的耐磨性。

关键词：耐磨；硬质相；堆焊合金；韧性

中图分类号：TG455 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）08-0074-02

1 背景概述

磨损是工业领域中造成材料和能源损失的重要原因。据统计，由磨损造成的损失约占能源消耗的1/3～1/2，材料报废的80%[1]。我国电力、冶金、煤炭、化工等行业磨损件的消耗量相当大，而其中火力发电行业是一磨损消耗大户。火力发电中磨损件主要发生在与燃煤相关的系统中，如：破碎机、制粉机、煤粉输送管、煤灰输送管、喷燃器、风机等。提高易磨损件的使用寿命，具有很高的经济效益和社会效益。

对因磨损而导致失效的零件研究表明，这些失效多数发生在表面。采用表面工程技术提高合金材料表面的耐磨性能，对材料的性能提升和广泛应用具有重要意义。采用堆焊技术修复和强化零部件表面耐磨性能已得到大规模应用，开发制备出具有更高性价比的耐磨材料是科研工作者面临的巨大挑战。目前，采用表面工程技术能够修复并恢复零部件使用性能的比例占报废零部件的10%以上，每年消耗各类耐磨堆焊材料可达1万t以上[2]。

由此可见，耐磨堆焊技术的市场潜力是十分巨大的，在不断研发的耐磨堆焊材料中，其都有各自的耐磨条件。近年来，有研究表明，含超细硬质相的耐磨合金具有良好匹配的硬度和韧性，能够获得高的耐磨性。

2 铁基耐磨堆焊合金及发展现状

铁基堆焊合金由于其性能变化范围广，韧性和抗磨性匹配良好，能满足许多不同工况要求，且价格低而被广泛应用，同时铁基耐磨堆焊合金技术成熟，合金体系可以分为Fe-Cr-C系、Fe-B-C系、Fe-Cr-B系和铁基碳化钨系堆焊材料。堆焊合金本身硬质相的尺寸、形态、分布及其类型决定了其耐磨性，同时韧性不仅和其数量、基体组织性质、形态及分布等有关，同时也和硬质相的尺寸、形态、分布及类型有关。

Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金的硬质相主要是（Fe，Cr）7C3，呈六方形。学者们[3-4]认为，当Cr<10%时，耐磨相为M3C，硬度不稳定而且很低，当Cr>10%时才能形成形态明显硬度很高的M7C3。

文献系统地研究了Cr、C不同含量堆焊合金材料的微观组织结构以及耐磨性能，研究表明Fe-Cr-C系合金的耐磨性受硬质相M7C3的分布、大小、形态及种类与基体的匹配关系影响，合金耐磨性和初生碳化物面积分数有着简单的线性关系。通过调整冷却速率以及铬碳元素含量比例等条件，可以控制初生碳化物生长的方向，能够使其生长方向与耐磨层表面垂直，因此合金的耐磨性能可以得以提升。

Fe-B-C系耐磨堆焊合金的硬质相主要为硼化物，包括：Fe2B、Fe23（C，B）6、FeB、Fe3（B，C）。目前国内外科研人员在对堆焊耐磨合金研究后发现，FeB（HV1 800～2 000）和Fe2B（HV1 400～1 800）的微观硬度不仅高于Fe3C（HV800～900），而且高于堆焊耐磨合金中常形成的铬的碳化物Cr7C3（HV1 300～1800），用硼化物代替碳化物Cr7C3作为耐磨合金的耐磨硬质相，可明显提高耐磨合金材料的耐磨性能，还可减少钼、钒、钛、铬、钨等合金元素的加入量，降低成本，提高性价比。增加堆焊合金材料中的硼含量，会导致堆焊合金微观组织发生变化，微观组织中出现了Fe2B、Fe23（C，B）6和Fe3（C，B）等碳、硼化合物耐磨硬质相，随着硬质相数量的增加，堆焊合金材料的耐磨性能大大提高，另外，试验表明合金材料中含有的共晶组织越多，合金的抗冲击韧性越好。Ji Hui kim通过研究发现，B不仅能够有效提高堆焊合金的耐磨性，而且Mn和B能够细化晶粒尺寸，促进应力诱导马氏体相变，可以提高铁基耐磨合金的耐空蚀性。

Fe-Cr-B系耐磨堆焊合金耐磨骨架为高硬度的M2B共晶硼化物，M2B硬度高，合金耐磨性优异，但韧性不足。Guo Changqing等人研究发现Fe-Cr-B合金的微观组织由树枝晶和在其间分布着的共晶体构成，其主要耐磨硬质相有的在晶粒的中心位置分布着的呈细片状的硼化物和少量呈棒状的碳硼化物，呈网状不规则片状分布的M2B以及夹在这类硼化物之间呈片状的富钼硼化物。

另外，在铁基堆焊合金中加入钒、钼和铬等元素，有助于增加硼在铁基堆焊合金中的固溶度，改善铁基堆焊合金的性能。

3 硬质相对铁基堆焊合金耐磨性的影响

当材料和磨料相互作用时，对材料耐磨性或磨损过程影响最大的因素主要有材料的组织和由组织所决定的性能，以及磨损的工作条件，环境因素。

就其堆焊合金本身而言，影响其耐磨性的因素有合金的硬度，韧性、显微组织等因素。显微组织的影响，主要表现在硬质相的形态、分布、数量、大小、基体的性质、以及基体与硬质相的匹配等。

潘春旭等人通过与实际工况磨损状态和堆焊层硬度测试数据对比分析发现：高铬铸铁耐磨堆焊层的显微组织，如硬质相的形态、尺寸和分布、基体相的性质等是决定其耐磨性的主要因素，而不是一般认为的硬度因素。

3.1 硬质相种类对合金性能的影响

硬质相对堆焊合金的耐磨性有重要的影响。硬质相的种类不同，则硬质相的硬度就不同，对材料的耐磨性有不同的影响，如WC的硬度很高，WC作为主硬质相的堆焊合金往往硬度很高，有助于提高合金抗磨料压入表面的能力，具有优良的耐磨性。

M7C3碳化物（约1 200 HV）和VC（约1 600 HV）的硬度高于磨粒（1 000～1 100 HV）的硬度，因而能够有效地阻止磨粒磨损，显著提高合金耐磨性。

合金中形成不同的硬质相对合金起到强化作用，提高合金的强度和韧性，硬质相弥散的分布在基体中，能有效的保护基体受磨损。

3.2 硬质相尺寸与分布对合金性能的影响

硬质相的大小和分布对合金耐磨性也有重要的影响，硬质相作为合金的骨架，均匀的分布有助于提高合金的耐磨性能，另外，硬质相聚集生长的区域容易产生应力集中，提高了硬质相在磨损过程中的剥落趋势。

Fe C Ti Cr系堆焊合金微观组织及耐磨性能研究中，Ti元素含量增加到7.5%时，TiC化合物有聚集生长趋势，在磨料磨损工况中服役时，碳化钛的聚集生长会导致碳化钛脱落，导致磨损性能下降。

通常情况下，硬质相颗粒越细，合金的耐磨性越好。少数情况下，当硬质相硬度高于磨料时，随着硬质相颗粒尺寸增加，合金的耐磨性得到提高。

研究发现随着硬质相的颗粒尺寸增加，硬质相与基体之间产生显微裂纹的趋势增加，随着磨损时间的延长，裂纹不断扩大，当裂纹尺寸达到一定的临界值时，碳化物将从基体中脱落，导致堆焊合金材料的耐磨性能降低。潘春旭等人[16]研究认为如果硬质相颗粒尺寸细小或呈细杆状均匀分布，则需要在界面处形成较大的应力才能促使裂纹形成，硬质相颗粒也不容易脱落。相反，如果硬质相颗粒颗粒较大且呈长条形叶片状，周围就容易产生应力集中，硬质相颗粒容易脱落，从而导致合金耐磨性能下降。

文献中提到，当合金微观组织中存在韧性的树枝晶，并且细小的碳化物和硼化物硬质相均匀分布在树枝晶中，这类合金具有很高的韧性，有的高达73.3 MPam1/2，同时这种微观组织结构有利于提高合金的耐磨性能。

3.3 硬质相与基体匹配性对合金性能的影响

硬质相和基体的匹配性对耐磨性能有重要影响，如马氏体具有良好的固定碳化物的作用，但对于严重的磨料磨损工况，稳定奥氏体基体显得更为重要。在冲击的磨料磨损的工况条件下，马氏体基体脆性显得偏高，固定碳化物的能力不够，在磨损过程中碳化物容易发生脆断和剥落，导致耐磨性能变差。大量的硬质相构成了抗磨损的骨架，基体在提高抗裂纹形成和扩展能力的同时，对硬质相还具有良好的固定作用[21]，因此，硬质相和基体的匹配性能有效地阻止磨料的切入，从而提高的合金材料的耐磨性能。

4 含超细硬质相堆焊合金的研究现状

由于硬质相的大小、形态和分布对合金耐磨性有重要的影响。随着堆焊合金的不断发展，科研工作者们试图通过改变硬质相来改善合金组织与性能，优化合金成分，得到硬质相和基体的良好匹配，从而获得优良的综合性能。

田大标等人对铌在高铬铸铁堆焊合金中的存在状态进行了研究，发现球形的碳化铌与金属基体具有良好的匹配性能，能够提高合金材料的韧性。菱形的碳化铌存在两个锐角，其对基体的割裂作用要大于六方形的碳化铬，这种微观结构的碳化铌将降低合金材料的韧性。王宝森等人研究认为共晶碳化物呈网状或长条状形状存在于晶界时，会大幅度降低堆焊合金的韧性及抗裂性，所以要改善堆焊合金的韧性和抗裂性，必须改善堆焊合金中共晶碳化物的分布，使其以细小的颗粒状均匀分布于晶内和晶界处，既可提高堆焊合金的硬度和耐磨性，又可提高堆焊合金的韧性和抗裂性。

细化碳化物有变质和孕育处理、快速冷却、合金化、热速处理、悬浮铸造等方法。对于堆焊合金，合金化、变质和快速冷却较为常用。通过加快冷却速度，增大过冷度，使碳化物来不及长大从而得到细化。潘春旭研究的高铬铸铁堆焊合金材料中，通过控制堆焊工艺，控制硬质相M7C3碳化物的过度长大，得到细小且分布均匀的硬质相，这能提高堆焊合金的耐磨性。田琴等人研究发现过流冷却体可以改变高铬铸铁熔体的成分场和温度场，且熔体与过流冷却体间、合金熔体间存在剪切应力，能够使奥氏体组织和M7C3碳化物细化。胡亮亮等人通过改变不同的冷却速度，对比研究了CrC和VC的组织变化，降低冷却速率，Cr形成的网状结构减少，随着合金中含Cr量减少，较小的冷却速率使Cr元素主要固溶于基材中，合金硬度反而降低，而对于主要含VC的合金中，VC的大小和数量几乎没有变化，同样，Liming Lu等人的研究认为Fe-Cr-C合金的显微组织与合金凝固速率有关，纤维状组织的间距和直径随凝固速率的增加而减小，合金的抗拉强度增加明显。

由于合金中添加特定的元素，能够使合金中形成细小的硬质相，而均匀分布的硬质相有助于提高合金的耐磨性能。Ti和V变质剂加入到铁液中能形成（TiC、VC、TiN）等高熔点硬质相，成为初生碳化物的形核质点，从而细化初生碳化物。吴晓俊等人研究发现Ti在高铬铸铁中将形成细小的TiC相，这些TiC成为初生M7C3碳化物形核质点，起到加速形核的作用；Ti富集在碳化物表面，阻碍合金中的Fe、Cr、C等碳化物形成元素的原子向碳化物晶体扩散，降低碳化物的生长速率，从而细化碳化物。

宗琳等人研究不同组织和碳化物对合金耐磨性的影响，发现合金中随着V元素含量的增加，VC的数量增加，且初生碳化物M7C3和VC硬质相颗粒更加细小。在堆焊合金熔池凝固过程中，碳化物的形成会释放凝固潜热，将过冷度降低，随着碳化物形成数量增加，释放的凝固潜热越多，过冷度降低的越快，碳化物的长大受到抑制，从而碳化物得到细化，随着碳化物细化，合金的磨损性能得到提高，当V的含量增加到一定值时，由于基体中形成大量的共晶组织消耗了碳元素，使碳化物数量减少，合金的耐磨性反而降低。堆焊合金含有细小的硬质相时，具有良好的综合性能。根据大量的研究结果可知，堆焊合金中均匀分布有纳米级硬质相时，合金具有良好的硬度和韧性。

5 结 语

堆焊合金耐磨性不仅取决于硬质相的数量，同时和硬质相的分布形态以及晶粒大小紧密有关，只有在熔覆层中含有一定数量硬质相、同时硬质相分布均匀及晶粒大小适中的前提下，才能得到最佳的耐磨性。科研工作者通过改变合金中硬质相的形态、尺寸和分布获得优良综合性能的堆焊合金具有重要意义。

参考文献：

[1] 董丽虹，朱胜，徐滨士，等.耐磨损耐腐蚀粉末等离子弧堆焊技术的研究 进展[J].焊接，2004，（7）.

[2] 彭天祥，孙敏.耐磨堆焊合金粉末的研究进展及应用[J].黑龙江科技信 息，2009，（19）.

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