一种Fe-Cr-Si-B系合金喷焊层组织及性能

王 勇 ，吴 圣 ，杜 禾 ，张升霞 ，吴 斌 ，，谢 会

（1.徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏 徐州 221004；2.上海卡耐新能源有限公司，上海201815；3.江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 221004）

一种Fe-Cr-Si-B系合金喷焊层组织及性能

王 勇1，吴 圣2，杜 禾2，张升霞1，吴 斌2，3，谢 会3

（1.徐州徐工挖掘机械有限公司，江苏 徐州 221004；2.上海卡耐新能源有限公司，上海201815；3.江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 221004）

针对抽油泵、水煤浆泵等产品在工作过程中常见的腐蚀+磨粒磨损问题，采用雾化法研制了一种Fe-Cr-Si-B系合金粉末。采用等离子弧喷焊方法分别制备喷焊耐磨层，并对合金粉末喷焊耐磨层进行渗透探伤以及化学成分、显微组织、硬度、耐磨性分析。结果表明，合金粉末的喷焊显微组织均由Cr3Si硬质相和A2基体韧性相组成，晶粒细小，抗裂性能优越，硬度值为58.1HRC；耐磨性为0.428mg/100S，与Fe-36Cr-5C过共晶合金喷焊层耐磨性相当。该Fe-Cr-B-Si系合金粉末适合于腐蚀环境下低应力磨粒磨损工况的表面强化。

等离子弧喷焊；显微组织；硬度；耐磨性

0 前言

抽油泵、水煤浆泵等产品在工作过程中除受到输送介质中颗粒的磨粒磨损外，还会因输送介质中含有腐蚀性介质受到一定的腐蚀磨损。采用表面强化方式，提高抽油泵、水煤浆泵等产品的表面耐磨和耐蚀性，延长使用寿命，具有重要的经济价值[1-2]。

抽油泵、水煤浆泵等产品表面强化通常采用Ni基合金，主要是利用Ni基合金的高韧性和耐腐蚀性，在保证喷焊层不开裂的前提下对基体提供耐磨耐蚀保护，但Ni基合金较Fe基合金经济性差，使用受到一定限制。近年来Fe-Cr-Si系三元合金较受关注，Cr得到更合理运用的同时，Fe-Si系合金脆性方面得到改善，耐磨耐腐蚀性能也得到了提高[3]。利用Fe基合金替代Ni基合金，进一步提升经济适用性使其成为可能。

本研究针对抽油泵、水煤浆泵等的腐蚀+低应力磨粒磨损工况，研制了Fe-Cr-Si-B系合金粉末，并测试分析其性能。在喷焊层不开裂、对基体具有一定的耐腐蚀性能的情况下，其耐磨性能与Fe-36Cr-5C合金喷焊层相当。

1 试验材料和方法

1.1 粉末制备

采用雾化法制备Fe-Cr-Si-B系合金粉末，制备过程如图1所示。粉末完成制备后经检验粒度为53～150 μm，具有较好的流动性和松装比重。

1.2 喷焊试验

试块材质为42CrMo，尺寸φ85mm×15 mm，喷焊前去除表面油污、铁锈、氧化皮等污物，并用丙酮清洗以获得洁净表面。采用PTA-400E4-ST-4型等离子喷焊设备，采用制备的Fe-Cr-Si-B合金粉末及Fe-36Cr-5C合金粉末进行试验，工艺参数如表1所示。

图1 等离子喷焊粉末制备Fig.1 Prepared plasma spray welding powder

表1 等离子喷焊工艺参数Table 1 Plasma spray welding parameters

1.3 试验方法

采用渗透探伤方式检测制备试样的表面裂纹。采用ARL-3460型电火花直读光谱仪测试试样的喷焊层成分。用于化学成分分析的平面距离熔合线约2 mm。

用线切割方法在制备的喷焊层上切取规格10mm×10 mm×15 mm的金相试样，金相磨制面为喷焊层表面。经粗磨、细磨、抛光后用FeCl3+HCl+酒精溶液腐蚀[4]，腐蚀时间10～20 s，用高纯酒精清洗、吹干后在DMI1500型倒置式金相显微镜下观察。

采用THRP-150D型数显洛氏硬度计测试试样的喷焊层表面硬度，洛氏硬度选用C标尺，测试载荷150 kg，保荷时间5 s。喷焊层硬度测试面距离熔合线约2mm，每个试样测定5个硬度值并取平均值。

采用MMW-1型销盘式摩擦磨损试验机测试喷焊层耐磨性。以喷焊层为试验销、硬度23 HB的砂轮盘为试验盘，每种喷焊材料加工至少2个试验销，摩擦磨损试验参数见表2，试验过程如图2所示。

表2 摩擦磨损试验基本参数Table 2 Wear test parameter

2 试验结果和分析

2.1 渗透探伤

两种合金粉末喷焊层表面渗透探伤试验结果如图3所示。由图3a可知，Fe-Cr-B-Si系合金粉末表面无裂纹。由图3b可知，Fe-36Cr-5C过共晶合金喷焊层表面存在大量裂纹。

Fe-Cr-Si-B系合金喷焊层中含有大量的Cr元素且表面不存在裂纹，因此研制的Fe-Cr-B-Si系合金粉末在腐蚀环境下对基体有较好的保护作用。

图2 销盘磨损试验过程示意Fig.2 Schematic diagram of wear test

2.2 成分分析

两种合金粉末喷焊层的化学成分如表3所示。两种合金粉末的等离子喷焊层主要由C、Mn、Si、Ni、Cr、B及Fe等元素组成，并且Cr元素含量高。两种合金粉末喷焊层成分的差别主要是 C、Si、Cr、B的含量不同。Fe-Cr-Si-B合金为降低喷焊层的开裂倾向，减少了C含量，同时为了保证材料的耐磨性能，增加了Si和B的含量，Fe-Cr-Si-B合金中Si的含量比Fe-36Cr-5C合金高1倍，这是因为Fe-Cr-Si-B合金在制备时加入的硅铁含量较大所致。

图3 渗透探伤示意Fig.3 Prepared plasma spray welding powder

此外，两种粉末中均添加了含量约1.5%的B元素，这是为了细化晶粒，有利于提高强度和塑性[5]。

表3 两种合金粉末化学成分Table 3 Composition of two alloy powder %

2.3 组织分析

Fe-Cr-Si-B合金等离子喷焊层横断面的金相组织如图4所示，组织外延生长更加明显，树枝晶明显且含量较多。其中熔点最高也最稳定的金属硅化物Cr3Si优先析出，并长成发达的树枝晶，枝晶间的残余液相中的Cr、Si逐渐贫化，最终凝固成多元化合物基体A2相。Cr3Si相是一种脆性相，但其具有熔点高、强度高、密度低、耐磨耐蚀及抗氧化等特点；而基体A2相韧性高，为延性相[6]。

图4 Fe-Cr-Si-B合金喷焊层Fig.4 Phase diagram of Fe-Cr-Si-B alloy spray welding layers

Fe-36Cr-5C合金等离子喷焊层横断面的金相组织如图5所示。该组织为典型的过共晶Fe-Cr-C合金金相，其中白色区域为典型的M7C3硬质相[7]。

由图5可知，Fe-Cr-Si-B合金的组织更细密，硬质相尺寸规格也更小。晶粒的细化有效地提高了强度和韧性，说明了Fe-Cr-Si-B合金喷焊层未开裂的原因。

2.4 硬度

两种粉末喷焊层硬度如图6所示。硬度均大于55HRC，Fe-Cr-Si-B合金喷焊层的硬度低于Fe-36Cr-5C合金喷焊层的硬度。由组织分析可知，Fe-36Cr-5C合金喷焊层中含有大量的M7C3硬质相，且晶粒尺寸相对较大；而Fe-Cr-Si-B合金喷焊层中的Cr3Si硬质相晶粒尺寸较小，是宏观硬度较低的主要原因。

图5 Fe-36Cr-5C合金喷焊层Fig.5 Phase diagram of Fe-36Cr-5C alloy spray welding layer

图6 喷焊层硬度Fig.6 Hardness of spray welding layers

由于喷焊层硬度均高于55 HRC，对于42CrMo调质处理的基体材料而言，能较好地提升耐磨性能。

2.5 耐磨性

喷焊层的磨损失重情况如表4所示。Fe-Cr-Si-B合金喷焊层的单位磨损失重为0.428 mg/100S，Fe-36Cr-5C合金喷焊层的单位磨损失重为0.433mg/100S，基体材料42CrMo的单位磨损失重为5.147mg/100S。两种喷焊层的耐磨性能相当，约为42CrMo基体材料耐磨性的12倍，说明Fe-Cr-Si-B合金对于低应力磨粒磨损工况具有较高的耐磨性能，可以较好的保护基体。

表4 喷焊层磨损失重情况Table 4 Loss mass of spray welding layers

3 结论

（1）Fe-Cr-Si-B合金的喷焊层中以Cr3Si相为硬质相，A2相为韧性相。合金元素的细化晶粒作用使得晶粒尺寸细小，增加喷焊层的强度和韧性，大大降低开裂倾向。

（2）Fe-Cr-Si-B合金的喷焊层宏观硬度较Fe-36Cr-5C过共晶合金喷焊层宏观硬度低，主要原因是Cr3Si硬质相晶粒尺寸较M7C3硬质相小所致。

（3）在低应力磨粒磨损工况下，Fe-Cr-Si-B合金的喷焊层耐磨性与Fe-36Cr-5C合金喷焊层的耐磨性相当，约为42CrMo基体材料耐磨性的12倍。

（4）Fe-Cr-Si-B合金中含有大量的Cr元素，具有一定的耐腐蚀性，因此Fe-Cr-Si-B合金的喷焊层适用于腐蚀环境中低应力磨粒磨损工况，可以延长产品的使用寿命。

[1]赫庆坤.抽油泵柱塞表面激光合成TiC/NiCrBSi熔覆层研究[D].山东：中国石油大学，2009.

[2]马永会.水煤浆泵耐磨耐蚀涂层的研究[D].天津：河北工业大学，2003.

[3]贵永亮，张良，王振磊，等.Fe-Cr-Si系合金的研究现状与展望[J].材料导报，2013，27（22）：343-345.

[4]董加坤.制作奥氏体不锈钢金相试样的高效浸蚀剂配方及使用方法[J].金属热处理，2011，36（5）：133-135.

[5]吴斌，马国，黄松，等.失效销轴表面修复用Fe-Cr-B-Si系合金粉末[J].电焊机，2016，46（8）：71-75.

[6]由臣，陈民芳，孙家枢，等.Fe-Cr-S合金喷焊层组织及抗高温氧化机理研究[J].兵器材料科学与工程，2003，26（6）：23-25.

[7]周野飞.Fe-Cr-C-X堆焊合金显微组织演变及其耐磨性[D].河北：燕山大学，2013.

Microstructure and properties of Fe-Cr-Si-B alloy spray welding layer

WANG Yong1，WU Sheng2，DU He2，ZHANG Shengxia1，WU Bin2，3，XIE Hui3

（1.Excavating Machinery Co.，Ltd.，XCMG，Xuzhou 221004，China；2.Shanghai CENAT New Energy Company Limited，Shanghai 201815，China；3.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China）

Corrosion and wear down was the main problem when oil well pump and coal water slurry pump was working.The method of atomization was used to develop one kind of Fe-Cr-Si-B alloy powders.A plasma spray welding technology was used to prepare wearresisting overlays，and Dye-penetrant test，chemical components，microstructure，hardness and wear resistance were evaluated and compared to the welding overlays.The results show that the microstructure of the spray welding layers are consisted of Cr3Si and A2，the grain is wee，toughness is well，and the hardness is 58.1 HRC，the loss mass of spray welding layers is 0.428 mg/100S.Compare with spray welding layers of Fe-36Cr-5C，the loss mass don't have dissimilarity.The kind of Fe-Cr-Si-B is suitable for the surface strengthening in the condition of corrosion and abrasive wear.

plasma spray welding；microstructure；hardness；resistance

TG456.2

A

1001-2303（2017）10-0119-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.26

本文参考文献引用格式：王勇，吴圣，杜禾，等.一种Fe-Cr-Si-B系合金喷焊层组织及性能[J].电焊机，2017，47（10）：119-122.

2017-06-21

王 勇（1982—），男，工程师，硕士，主要从事大型挖掘机械总体设计、结构分析及焊接技术研究工作。E-mail：80138797@qq.com。