Co对多元碳化物复合熔覆层 高温性能的影响

龙伟民 刘大双 傅玉灿 吴铭方 贾连辉

摘要：通过药芯焊丝电弧堆焊的方法制备出不同Co添加量的多元碳化物复合熔覆层，该熔覆层相组成为M7（C， B）3、M3（C， B）碳化物、马氏体及少量残余奥氏体（M=Cr、Fe、Mn、Co等），且随着Co添加量的增加，组织中奥氏体枝晶数量增加，尺寸亦有所增大。多元碳化物复合熔覆层经高温回火（600 ℃×4 h）后，初生M7（C， B）3碳化物及共晶M3（C， B）碳化物均未发现明显变化，而奥氏体颜色变为灰黑，随着Co添加量的增加，多元碳化物复合熔覆层的高温回火稳定性逐渐增加。此外，当Co添加量为6%时，多元碳化物复合熔覆层的高温耐磨性最佳，这与该多元复合熔覆层在高温下仍具有最高的硬度及良好的高温回火稳定性密切相关。

关键词：Co含量;多元碳化物;高温耐磨性;复合熔覆层;药芯焊丝

中图分类号：TG422.3          文献标志码：A         文章编号：1001-2003（2020）09-0011-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.09.02

0    前言

在冶金、石化等行业中，大量金属零部件均因磨损及氧化作用而失效。如冶金工业轧钢厂高温耐磨件及石油化工行业高压阀门阀板等，在高温环境里受到强烈磨损，这就要求材料具有优异的高温回火稳定性及高温耐磨性[1]。目前，高温耐磨材料以钴基合金和镍基合金为主，但因其成本高、资源短缺，研究者从未停止寻找替代材料的步伐[2]。铁基合金不仅可通过成分调整在很大范围内优化熔覆层的强度、韧性、耐磨及耐热性，而且价格相对低廉，经济性好，因此在耐磨领域获得了广泛应用[3]。其中，通过在铁基合金组织中形成大量初生Cr7C3碳化物提高了熔覆层耐磨性，为了进一步提高耐磨性、耐热性、抗氧化性，加入一些其他元素，如B、Mn、Si等。其中B可溶入碳化物或置换碳化物中的碳原子，形成硬质硼化物或复合硼碳化合物相，也可能左移共晶点，增加多元复合碳化物数量及硬度值[4]。

钴基合金是一种优良的高温合金，Co对合金材料的高温性能具有显著作用。有研究表明[5]，Co添加至铜基预合金粉中，可以增强高温烧结中胎体对金刚石的把持力，Co在铁基合金中亦可能对高温性能有益。Co对时效硬化工具熔覆合金硬度和红硬性影响的研究结果表明[6]，随着Co含量的增加，熔覆合金硬度和红硬性均有所增加。文献[7]研究了Co对多元碳化物熔覆层常温耐磨性的影响，文中将进一步研究Co对多元碳化物熔覆层高温性能的影响。

1 实验材料与方法

焊丝外皮采用H08A钢带（16 mm×0.3 mm），里面包裹按一定比例均匀混合而成的200～300目石墨及高碳铬铁、锰粉、硅铁、铝镁合金等合金粉末。经焊丝成形机轧制拉拨至2.4 mm，填充率约50%。在药芯中分别添加质量分数为3%，6%，9%，12%的Co粉，制备出不同Co添加量的药芯焊丝。

采用Miller Dimension 812多功能焊机在45钢试板（200 mm×100 mm×25 mm）上实施熔覆，熔覆电流250～300 A，电压28～36 V，干伸长30 mm，焊接速度180 mm/min。连续熔覆4层，层间温度200 ℃，熔覆层厚度大于10 mm。使用线切割机对熔覆层表面切取试样，尺寸分别为15 mm×15 mm×5 mm和5 mm×5 mm×5 mm。利用光谱仪测知熔覆层基本化学成分（质量分数）为：w（C）3.2%，w（B）1.4%，w（Cr）16.8%，w（Mn）2.6%，w（Si）1.0%;四种熔覆层中Co含量分别为1.42%，2.88%，4.37%和 5.75%;余量为Fe。

采用盐酸苦味酸酒精溶液腐蚀试样（5 mm×

5 mm×5 mm），并利用ZEISS金相显微镜对熔覆层进行金相分析。采用HRS-150A数显洛氏硬度计测量硬度。高温回火试验是将试样加热至600 ℃并保温4 h，再炉冷至室温。

利用UMT-2高温摩擦磨损试验机测量复合熔覆层试样（15mm×15mm×5mm）的高溫耐磨性能，磨损温度设定600 ℃，摩擦载荷10 N，速度560 r/min，磨球材质为AISI T2高速工具钢（62 HRC），磨球直径3 mm，磨痕半径4 mm，磨损时间25 min。磨损试验后，采用OLYMPUS OLS4000型共聚焦激光扫描显微镜观察磨损形貌，并使用OLS4000软件自动获取磨痕横截面积S，测算磨损体积。

2 试验结果

2.1 高温回火稳定性

焊态下不同Co含量多元碳化物复合熔覆层的微观组织如图1所示，其相组成为M7（C，B）3、M3（C，B）碳化物、马氏体及少量残余奥氏体[7]。由图1a可知，初生M7（C，B）3碳化物呈六边形结构，内部存在孔洞，呈半闭合状态，但晶粒较为粗大，其周围分布有少量呈网状分布的共晶M3（C，B）碳化物。其中，M代表Cr、Fe、Mn、Co等合金元素，且含量在不同Co含量的熔覆层中存在不同占比。图1b、图1c中存有长块状碳化物，这是由于初生M7（C，B）3碳化物生长方向发生变化所呈现的形貌。由图1还发现，Co含量的增加使得组织中的奥氏体枝晶数量增加，尺寸亦有所增大。

高温回火（600 ℃×4 h）后不同Co含量多元碳化物复合熔覆层微观组织如图2所示。与焊态组织相比，在高温回火组织中，初生M7（C，B）3碳化物及共晶M3（C，B）碳化物均未发现明显变化，而奥氏体颜色变为灰黑。

多元碳化物复合熔覆层高温回火硬度及焊态硬度值及其变化规律如图3所示。可以看出，焊态时不同Co含量多元碳化物复合熔覆层硬度均大于60 HRC，且当Co含量为6%时，合金组织硬度值达到最大值64.3 HRC。经过高温回火处理后，四种不同Co含量多元碳化物复合熔覆层的硬度均有所降低，且硬度降低率从6.37%（Co含量为3%）减少至2.61%（Co含量为12%）。结果表明，合金硬度降低率随着多元碳化物复合熔覆层中Co含量的增加而降低。

2.2 高溫耐磨性

600 ℃高温磨损结果如图4所示。Co添加量为3%时，体积损耗量高达0.47 mm3;Co含量为6%时，体积损耗为0.21 mm3;Co添加量为9%时，体积损耗为0.43 mm3;Co含量达到12%时，体积损耗量为0.29 mm3。可知当Co添加量为6%时，高温耐磨性最佳。这与合金组织、硬度结果相一致。添加适量Co可使多元碳化物复合熔覆层的耐磨性有所提高，但当Co含量超过6%时耐磨性又开始下降。

不同Co添加量多元碳化物复合熔覆层高温磨损形貌如图5所示。由图可知，2、4号试样划痕表面较光滑，3号试样较为粗糙。采用体积法计算得到的体积损耗如图4、图5所示。当Co添加量为3%时，磨损较为严重，并伴有明显的犁沟。当Co添加量增至6%时，磨痕较浅，且可见初生M7（C， B）3碳化物完整地存在于磨损面，作为耐磨骨架显著提升了耐磨性。当Co添加量继续增至9%时，磨损形貌与Co添加量为3%时相似。Co添加量12%时，多元碳化物复合熔覆层的磨损形貌与Co添加量为6%时相似。对于四种含Co多元碳化物复合熔覆层，其磨损机制主要表现为磨粒磨损，未出现明显的粘着磨损特征。

3 分析与讨论

对于不同Co添加量的复合熔覆层微观组织中均存在M7（C，B）3、M3（C，B）多元碳化物，且Co含量对多元碳化物的直接影响并不明显。同时Co作为一种奥氏体形成元素，在多元碳化物复合熔覆层中稳定了奥氏体，增加了奥氏体尺寸及含量。而奥氏体相的增加，一方面可能引起复合熔覆层硬度的降低，但另一方面会增强多元碳化物复合熔覆层的韧性。研究还表明[7]，Co既存在于M7（C，B）3、M3（C，B）多元碳化物中，也存在于马氏体及残余奥氏体中，起到一定的固溶强化作用。综上所述，Co对于多元碳化物复合熔覆层的微观组织及性能的影响是复杂的。当Co含量为6%时，复合熔覆层具有最高的硬度，这是由于多元碳化物的合理分布及Co的固溶强化起到主导作用，当Co含量继续增加，奥氏体含量的增加使得熔覆层软化效应凸显，导致硬度反而下降。

经过高温回火（600 ℃×4 h）的多元碳化物复合熔覆层，奥氏体受到高温作用，可能发生分解，而M7（C，B）3、M3（C，B）多元碳化物几乎不受影响，这是由于高熔点、高硬度的多元碳化物较之奥氏体具有更优异的热稳定性。虽然高温回火处理使得多元碳化物复合熔覆层的硬度均有不同程度的下降，但是下降幅度（即硬度降低率）随着Co添加量的增加而逐渐降低，由此可见，Co元素促进了多元碳化物复合熔覆层的高温回火稳定性。

Co添加量为6%时多元碳化物复合熔覆层的高温耐磨性最佳，这与多元复合熔覆层在高温下仍具有最高的硬度及良好的高温回火稳定性密切相关。虽然600 ℃高温对多元碳化物组织的影响不大，而对奥氏体的稳定性影响更甚，但是Co含量的增加仍然有利于提高多元碳化物复合熔覆层的高温稳定性，因此Co含量为12%时，多元碳化物复合熔覆层显示出仅次于Co为6%时的高温耐磨性。因此，Co对多元碳化物复合熔覆层高温性能的影响是上述多种因素综合作用的结果。

4 结论

（1）通过药芯焊丝电弧堆焊的方法，可以制备出不同Co含量的多元碳化物复合熔覆层，该熔覆层相组成为M7（C，B）3、M3（C，B）碳化物、马氏体及少量残余奥氏体，且随着Co添加量的增加，组织中奥氏体枝晶数量增加，尺寸亦有所增大。

（2）将高温回火（600 ℃×4 h）后的不同Co添加量多元碳化物复合熔覆层微观组织与其焊态组织相比，发现初生M7（C，B）3碳化物及共晶M3（C，B）碳化物均未有明显变化，而奥氏体颜色变为灰黑。

（3）Co添加量在0%～12%范围内，随着Co添加量的增加，多元碳化物复合熔覆层的高温回火稳定性逐渐增加。

（4）当Co添加量为6%时，多元碳化物复合熔覆层的高温耐磨性最佳，这与该多元复合熔覆层在高温下仍具有最高的硬度及良好的高温回火稳定性密切相关。

参考文献：

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Effect of Co additive on high temperature property of hardfacing alloy

LONG Weimin1， LIU Dashuang2， FU Yucan3， WU Mingfang2， JIA Lianhui4

（1. China Innovation Academy of Intelligent Equipment Co.， Ltd， Ningbo 315700， China; 2. School of Materials Science and Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China; 3. College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 211106， China; 4. China Railway Engineering Equipment Group Limited Company， Zhengzhou 450016， China）

Abstract： The multi carbide composite cladding layers with different Co contents were prepared by flux-cored wire arc welding. The microstructure of the cladding layer was composed of M7（C， B）3， M3（C， B） carbide， martensite and a small amount of retained austenite （M = Cr， Fe， Mn， Co， etc.）. With the increase of Co content， the amount and size of austenite dendrite was increased. After high temperature tempering （600 ℃× 4h）， the primary M7（C， B）3 carbides and eutectic M3（C， B） carbides didn’t change obviously， but the color austenite turned gray black， which indicated that austenite was oxidized. Moreover， the high temperature tempering stability of multi carbide composite cladding layer was increased gradually. In addition， when the Co content is 6%， the best high temperature wear resistance of the multi-component carbide composite cladding layer was closely related to the highest hardness and good high-temperature tempering stability of the multi-component composite cladding layer.

Keywords： Co content; multiple carbides; high temperature wear resistance; composite cladding layer; flux-cored wire