铌元素对Fe-Cr-C系药芯焊丝堆焊层耐磨性的影响

2016-12-10胡泽群裘荣鹏宋宏鲁

电大理工 2016年4期

关键词：药芯耐磨性硬质

胡泽群裘荣鹏宋宏鲁

辽宁装备制造职业技术学院(沈阳 110161)

铌元素对Fe-Cr-C系药芯焊丝堆焊层耐磨性的影响

胡泽群裘荣鹏*宋宏鲁

辽宁装备制造职业技术学院(沈阳 110161)

为研究合金元素对Fe-Cr-C系药芯焊丝堆焊层耐磨性的影响机理，提高其工程使用范围。在Fe-Cr-C系堆焊药芯焊丝的基础上，向药芯成分中加入铌元素(Nb)，通过磨料磨损试验研究了铌元素对堆焊层耐磨性的影响，并结合硬度测量、化学成分分析、金相组织分析和磨损表面观察等方法探索了铌元素对堆焊层耐磨性影响的机理。试验结果表明：加入Nb元素的药芯焊丝堆焊层洛氏硬度在58~61HRC之间，远高于没有加入Nb元素的药芯焊丝堆焊层；加入Nb元素的药芯焊丝堆焊层在磨料磨损试验中平均体积损失在5.62~5.88mm3之间，，而没有加入Nb元素的药芯焊丝堆焊层平均体积损失为6.91mm3。经分析认为堆焊药芯焊丝中加入铌元素，堆焊后可形成硬质相NbC，不仅提高堆焊层的硬度和耐磨性，同时具有促进形核，细化晶粒的作用，这是其提高药芯焊丝耐磨性的主要原因。

铌元素；堆焊；药芯焊丝；耐磨性

自保护药芯焊丝(Self-shielded flux cored wire)在矿山、冶金、化工、建材等行业已逐渐取代耐磨焊条作为堆焊材料[1]。其中，Fe-Cr-C系合金堆焊药芯焊丝具有优良的性能、低廉的成本而被广泛使用，尤其是低应力下抗磨料磨损性能较高。但是在更严峻的工况下，其耐磨性往往不能满足工程实际的需求[2~5]。研究表明[6~9]，通过向药芯焊丝成分中加入一定量的合金元素形成硬质相，能够明显改善堆焊层的组织和性能，是一种行之有效的提高堆焊层耐磨性的方法。常见的合金元素有铌(Nb)、硼(B)、钨(W)、钒(V)、鉬(Mo)和钛(Ti)等，主要是在堆焊层中形成碳化物和硼化物作为硬质相。其中NbC硬质相显微硬度高达2 300~2 400HV，能有效提高堆焊层耐磨效果，同时Nb元素还具有细化晶粒、提高抗高温氧化性和耐蚀性，降低钢的韧脆转变温度等作用。但Nb资源有限且价格较高，限制了其大范围的推广使用。与之相比，B资源丰富，成本相对较低，还具有良好的热稳定和抗辐射性，可作为堆焊药芯焊丝的合金元素。因此，本文在Fe-Cr-C系堆焊药芯焊丝的基础上，在药芯焊丝成分中加入一定量的Nb元素和B元素，通过磨料磨损试验观察其耐磨性，并结合硬度测量、化学成分分析、金相组织分析研究其影响机理，以期为堆焊药芯焊丝的研制提供可借鉴的基础性成果。

1 试验材料及方法

为研究Nb元素对堆焊药芯焊丝耐磨性影响，试验用三种堆焊药芯焊丝作对比，其主要合金体系分别为Fe-Cr-C-Nb-B(代号为TA)、Fe-Cr-C(代号为TB)和Fe-Cr-C-Nb(代号为TC)，直径均为2.8mm，均为自行制备。耐磨堆焊用钢板为高强度碳素结构钢A36，其化学成分和力学性能如表1所示，尺寸为3 000mm× 1 500mm×6mm。

接速度200mm/min，送丝速度450cm/min；三种药芯焊丝堆焊层厚度均保证为4mm，堆焊层宽度为30mm；焊接时下部垫冷却板。焊后，每种堆焊药芯焊丝从焊缝中心截取5个试样，尺寸为75mm×25mm ×10mm，按GB/T 12444-2006《金属材料磨损试验方法》打磨制备磨粒磨损试验试样，在MLS-225型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机上进行。试验参数为：橡胶轮直径为221mm，转速为215r/min，橡胶轮邵尔硬度为HS14，载荷为130N，磨料为30~40目石英砂，砂浆比为1500g，配1 000g水。

表1 A36钢化学成分及力学性能

洛氏硬度测试采用HR 150型洛氏硬度计，试样经砂纸打磨后测量5个点取其平均值；在JSM-6460 OLV型扫描电子显微镜下观察分析堆焊层组织形貌；采用GENESIS 2000能谱仪对堆焊层组织进行物相分析；在奥林巴斯GX 51金相显微镜下观察堆焊层表面磨损情况

2 试验结果及讨论

2.1 堆焊层硬度及化学成分

三种堆焊药芯焊丝堆焊层化学成分和硬度值如表2所示。洛氏硬度试验结果显示TA试样堆焊层61HRC，TB试样堆焊层50HRC，TC试样堆焊层58HRC。可见，TA和TC堆焊药芯焊丝堆焊层洛氏硬度值相当，均高于TB堆焊药芯焊丝堆焊层硬度。从堆焊层化学成分发现，TB和TA堆焊药芯焊丝堆焊层C和Cr含量相当，远高于TC堆焊层，但洛氏硬度测量结果显示TB药芯焊丝堆焊层硬度值反而低于TC药芯焊丝堆焊层。经分析认为是因为TC药芯焊丝成分中加入了Nb元素，焊后在堆焊层中形成了硬质相NbC从而提高了其硬度值。

表2 堆焊层化学成分及硬度值

2.2 堆焊层显微组织

堆焊层金相试样用2%硝酸溶液腐蚀后在扫描电镜下进行观察。图1(a)和(b)为TA堆焊药芯焊丝堆焊层显微组织和XRD物相分析，表明TA堆焊药芯焊丝堆焊层基体组织由Fe和Cr形成的多边形碳化物M7C3，以及奥氏体(γ-Fe)和Fe-Cr共晶组织混合物组成，在TA药芯焊丝堆焊层中还分布着NbC硬质相，正是由于NbC硬质相的强化作用，使得TA堆焊药芯焊丝堆焊层耐磨性最好。图1(c)为TB堆焊药芯焊丝堆焊层显微组织，是由Fe和Cr形成的多边形碳化物M7C3，以及奥氏体(γ-Fe)和Fe-Cr共晶组织混合物组成。TC堆焊药芯焊丝堆焊层显微组织如图1(d)所示，由Fe-Cr共晶组织和NbC硬质相组成，与TA药芯焊丝堆焊层硬质相相比，其NbC数量少，分布集中，组织粗大。

2.3 堆焊层耐磨性

低电压下堆焊层磨粒磨损试验结果如表3所示。TA堆焊药芯焊丝堆焊层平均体积损失最小，其次为TC堆焊药芯焊丝堆焊层，TB堆焊药芯焊丝堆焊层平均体积损失最多，说明TB药芯焊丝堆焊层最不耐磨。三种堆焊药芯焊丝耐磨性试验的结果与其硬度测量结果以及显微组织相吻合。对比表2中各堆焊层化学成分发现，TA堆焊药芯焊丝成分中因加入Nb和B元素焊接后过渡到堆焊层中形成NbC和硼化物，虽然图1(b)显示的硼化物衍射峰较弱，但表2中可表明TA药芯焊丝堆焊层中确有一定量的B元素存在于堆焊层中。

图1 堆焊层显微组织及能谱分析

如前所述，NbC的显微硬度最高可达2 400HV，远高于Cr7C3的1 800HV硬度值，能够有效提高堆焊层在低电压磨料磨损试验中的耐磨性。同时，在药芯成分中加入元素Nb通过堆焊过渡到堆焊层中，与Cr相比Nb是强碳化物形成元素，在金属凝固过程中优先形成的NbC能够成为形核中心，后形成的(Cr，Fe)7C3以NbC为晶核长大，因此，加入Nb元素在金属凝固过程中还具有阻碍晶粒长大起到细化晶粒的作用，所以，加入Nb元素的堆焊药芯焊丝耐磨性在一定程度上都会得到提高。

另外，TB堆焊药芯焊丝堆焊层属于过共晶组织，与TA和TC药芯焊丝堆焊层的亚共晶组织相比，在耐磨试验中堆焊层更容易出现微观裂纹和破碎而夹在堆焊层表面与橡胶轮之间，增加了堆焊层的磨损损失。

2.4 堆焊层磨损表面

图2(a)~(c)分别为TA、TB和TC药芯焊丝堆焊层表面磨损形貌。从图2(b)可见，其磨损表面存在大量与磨损方向一致的切削“犁”沟，犁沟两侧材料受挤压向外侧推移，发生塑性变形形成堆积隆起，说明这种堆焊层在磨粒磨损试验中，磨粒可以顺利对该堆焊表面进行显微切削，其耐磨性一般。

表3 堆焊层磨粒磨损试验结果

图2(c)显示的TC药芯焊丝堆焊层表面磨损后沟槽尺寸和数量明显减少，没有明显的塑性变形，只有一定程度的划痕，部分区域有小块颗粒剥落，而大块颗粒只是发生磨损而没有剥落，经分析，这些颗粒物即是NbC硬质相，因而其耐磨性要好于图2(b)所示的TB药芯焊丝堆焊层。

图2 堆焊层表面磨损形貌

图2(a)为TA药芯焊丝堆焊层表面形貌，可见在磨粒磨损试验中，其表面几乎看不出磨损方向，没有塑性变形，结合图1(a)和(b)的显微组织和能谱分析得知，是因为堆焊层组织中存在着大量的NbC硬质相，因而在磨损过程中其本身的高硬度迫使划痕发生转向或终止，有效地增大了磨粒切削阻力，使磨粒难以锲入堆焊层表面，限制了其显微切削运动，因而耐磨性最好。