多元合金在强化高铬堆焊合金微观组织及其耐磨性中的作用研究

董兵天，许鹏

（甘肃有色冶金职业技术学院，甘肃 金昌 737100）

以铬元素为基本组成元素的合金，是一种熔化难度较大的合金，这是因为铬元素的熔点很高，为1860℃。20世纪50年代，人们开始对高温材料铬合金进行研究。研究发现，当合金中的铬元素质量分数达到一定比例时，合金的塑性变差。进一步研究发现，只有加入能沉淀固溶合金元素的碳、氧、氮元素等间隙杂质元素（也称“净化元素”），才能改善高铬合金的塑性和高温抗蠕变性能，这一过程也被称为沉淀强化或弥散强化，这类合金被称为沉淀强化合金和弥散强化合金。

1 多元合金强化机制

合金强化是一个相对广泛的概念，目前还没有具体的规范和定义。根据其原理，人们一般可以认为是在一些金属中加入合金元素，提升合金的塑性和形变强度，确切地说，是提升金属抗形变能力的一种有效且常用的方式。具体的过程则是，合金元素以多种形式共存于一个基体中，合金元素作为溶质原子无序分布于固溶基体中，与溶剂原子构成一种有序的结构，最终形成与基体不同的弥散质点，特点是结构和成分有区别，最终的产物是复相混合物，而这些混合物兼具了间隙元素的一些特性，如难溶、室温塑性好、高温抗蠕变性能等，具体表现为对位错运动有不同程度的阻碍效果，提升了合金的强度。也有一些通过改变基体的点阵类型，细化基体的晶粒大小，增大基体的淬透性，增大原子间的结合力，进而增强原子的自扩散性能，间接地提升合金的强度。合金主要组成元素不同，其强化过程和强化机制也会存在一些差异。总体而言，可分为沉淀强化合金机制和弥散强化合金机制。

1.1 沉淀强化合金

沉淀强化合金是加入了一些能沉淀固溶合金元素的间隙元素，如C、O、N等间隙杂志元素，与合金材料发生化学反应，导致合金原子的位错力学作用不同，而相互作用，形成位错滑移的障碍，最终以均匀的单相固溶体形式存在，从而改变强化合金原有的塑性和形变性能的过程。以合金碳化物为例，加入一定量的碳元素后，碳元素与材料中的固溶合金元素发生反应。从微观方面来说，一般由于碳化物的熔点高，在高温下相对稳定，不易聚集，可以阻碍奥氏体晶粒长大，减缓奥氏体的形成速度，对钛合金材料的影响较为显著。氮化物也有相同的特点，但是，加入的元素自身特性不同，所形成的合金具有的特性不同，钨、钼、铬等元素对合金的沉淀效果就相对弱一些，对硅、镍等的非碳化物组成元素的影响就更弱了，几乎没有。

1.2 弥散强化合金

弥散强化是从技术方面来讲的，是利用合金中的第二相质点，配合引入内氧化和粉末烧结的方法。弥散强化中的质点一般会利用硬度较高的氧化物、氮氧化物和铬合金等。原理是通过合金中原子的位错运动产生的不同作用效果，改变合金的形变性能。瑞典专利中披露了一种FeCrAl弥散强化材料，这种材料一般是由钴、镍、硅、锰、锆、钛和少量的钇以及铪元素进行结合，当这种合金加热到1050～1200℃时，会产生熔融效果，活性变大，可以提升合金的抗蠕变强度，一般用于制作辐射管。瑞典又有一项专利提出了一种利用气体雾化工艺来生产FeCrAl弥散强化材料的方法。在这项申请中提到的主要是生产含有钛的弥散强化材料，TiN和TiC的小颗粒在填料时形成，部分颗粒会附着在堆焊的熔融管嘴上，形成堆焊，导致管口堵塞。

2 堆焊合金

堆焊是一种将金属熔化堆在工具或机器零件上的焊接方法，具体从概念方面来讲，是一种用于结合两及以上零件或者结构部件的工艺。常被用作修复机件磨损或崩裂的部分，常见方式有电焊或气焊法。高铬堆焊合金是一种以铬为基体的含有多种金属元素的合金，本研究特指一种弥散强化合金，其元素组成及质量分数如下：碳（C）为小于等于0.08%，硅（Si）为小于等于0.7%，铬（Cr）为10%～25%，铝（Al）为1%～10%，钼（Mo）1.5%～5%，锰（Mn）为小于等于0.4%，铁（Fe）为平衡量即可，还有一些常见的杂质。这些间隙杂质优先选择铪、锆、氮、碳和氧。

3 多元素合金对堆焊组织的耐磨性能和抗裂变性能的影响

在高温1200℃下，元素铬Cr和碳C可以形成（Cr，Fe）7C3和（Cr，Fe）23C6碳化物硬质相。当磨料与材料表面接触时，一般会出现犁沟和微观切削两种材料去除过程。犁沟是由于材料受到磨料的挤压而向两侧蔓延形成的隆起，置于其间的挤压痕，这种操作会形成二次切屑。微观切削是材料在磨料的作用下发生如刨削一样的切削现象，这样的操作会形成一次切屑。由于各元素与碳元素发生反应所形成的碳化物都是以硬质相存在于堆焊层组织中的，这样会导致堆焊层硬度变大，阻碍了磨料在材料亚表层的滑动。从微观上讲，也是一种位错力学的作用，这样就有效地抑制了犁沟及微观切削现象的发生，达到了增强堆焊层耐磨性能的效果。

4 具体的多合金质量分数调整

针对获得的实验结果，可以考虑从以下角度有针对性地改善高铬合金在堆焊组织中的相关性能。

4.1 增加碳元素的含量

铬基于其本身的耐腐蚀性和抗氧化性，可以有效提升合金的相应性能，但是，由于其耐高温和硬度大等特点，塑形性较差。加入足量的碳元素，会使得高铬合金的堆焊层组织率先出现碳化物——含铬渗碳体（Cr，Fe）3C，然后出现碳化铬（Cr，Fe）7C3，最终出现（Cr，Fe）23C6。这些碳化物的硬质相本质对提升合金的抗磨损性能起着重要作用。

4.2 调整铬的质量分数，使之与碳含量相匹配

铬的质量分数并不是越高越好，基于其固溶强化作用，会使合金中的铁素体组织增加，奥氏体组织减少，堆焊层的硬度和耐磨性能也不可避免地增加，但可塑性变差，脆性变大。因此，只有加入的铬质量分数与所需的碳含量控制在一定的配比范围内，才能基于碳的间隙净化性能沉淀产生的残余奥氏体与硬质相基体组织结合，获得良好的韧性和硬度调控效果，进而获得良好的耐磨性能。根据刘政军等的实验结果，当铬的质量分数在11%～25%范围内时，随着铬的质量分数的增加，试样堆焊层的平均硬度呈直线趋势从HRC47.8增加到HRC56.2。分析其原因，是在进行堆焊实验时，碳元素在高温作用下，呈现出良好的活性和亲和力，特别是对合金元素Cr的亲和力较好。在高温熔池中，铬元素与C形成了Cr73和Cr23C6等硬质相。随着Cr质量分数的增加，硬质相Cr7C3和Cr23C6的比例也会逐渐增加，这些硬质相具有较大的硬度，所以堆焊层的硬度也增加了，堆焊层耐磨性也有了显著提高。实验给出的结论是当铬的质量分数为25%时，堆焊层中Cr7C3的含量很多，形状、分布都很均匀，在这一范围下，堆焊层的硬度和耐磨性能处于最佳值。当铬元素质量分数超过25%时，碳化物的含量已经相对固定，不再增加。继续增大铬元素质量分数，反而会使得生产成本增加，而对应的耐磨性则没有明显变化。

4.3 适当增加硅、铝、硼、钨、氮等其他元素，与铬和碳元素形成多元合金

根据刘政军等的实验结果，铬、硼、镍、钨、钒、碳等多合金元素配比是相对理想的多元合金组合，这样研制出的堆焊合金除了具有优异的抗磨损性能外，其脆性还会减弱，韧性增强，获得良好的抗裂性能及优异的硬化性能。多元合金的优势较为明显。

5 结语

本文通过对多元合金机制进行探究，分析了沉淀强化机制和弥散强化机制，大致探索出多元合金对高铬堆焊层组织的耐磨性能的优化影响，从增加碳元素的质量分数、研究最优铬的质量分数，增加硅、铝、硼、钨、氮等其他元素的质量分数几个方面，得出碳元素等亲和性较好的间隙元素在加入了高铬堆焊合金后，能有效提升高铬合金堆焊层的硬度、韧性、耐磨性和抗蠕变性能。