原位自生TiC对高铬铸铁堆焊金属组织与性能的影响

王 驰，孙俊生，徐 虎，靳 军，澹台凡亮，田洪芳

(1. 山东大学，材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，济南 250061；2. 山东能源重装集团大族再制造有限公司，泰安 271000)

0 引 言

过共晶高铬铸铁堆焊金属具有优异的耐磨性能[1]，其优异的耐磨性能主要与液相凝固过程中析出的初生碳化物Cr7C3有关。Cr7C3的尺寸、形状、体积分数和分布对过共晶高铬铸铁堆焊金属的性能有很大影响，同时初生Cr7C3周围起支撑作用的奥氏体和铁素体也会影响其性能[2-3]。但是，粗大柱状Cr7C3碳化物在冲击载荷作用下容易脱落，导致高铬铸铁堆焊金属的耐磨性能较差，不适合应用于冲击磨损工况[4]。因此，如何提高过共晶高铬铸铁堆焊金属的韧性，改善其抗冲击性能，受到业界的普遍关注。

药芯焊带具有熔敷速率高、焊缝宽、稀释率低、易实现自动堆焊等特点[5]，广泛用于磨辊[6]、锤头锤柄[7]等耐磨件的表面堆焊强化。智小慧等[8-10]研究发现，TiC对采用铸造工艺制备的过共晶高铬铸铁中碳化物具有细化作用。但是铸造条件下获得的结论是否适于熔池高温停留时间短、冷却速率快的堆焊工艺有待研究。基于此，作者设计了一种高铬铸铁药芯焊带，通过改变药粉中钛铁粉的含量，研究了原位自生TiC对堆焊金属组织和性能的影响规律，分析了TiC的作用机理，为调控高铬铸铁组织以及提高堆焊金属的抗裂性、抗冲击性能提供试验数据。

1 试样制备与试验方法

在内径6 mm、壁厚0.2 mm的304不锈钢管中填充药粉，压制成型制得高铬铸铁堆焊药芯焊带。药粉原料为碳化铬粉(Cr2C3质量分数99.2%)、高碳铬铁粉(其中铬质量分数69.8%，碳质量分数8.4%)、铁粉、钛铁粉(其中钛质量分数41%)。控制药粉中铬、碳等元素含量使堆焊金属达到过共晶成分要求，并保证堆焊金属中形成Cr7C3初生碳化物，设计的配方如表1所示。药芯焊带的药粉填充率，即药粉质量与药芯焊带质量之比为0.7，焊带长度为40 cm，宽度为8 mm，厚度为2 mm。

表1 制备药芯焊带所用药粉的配方(质量分数)

以药芯焊带为焊接材料，在尺寸为200 mm×50 mm×10 mm的Q235低碳钢基板中心沿长度方向，采用非熔化极惰性气体保护焊(TIG)进行单层单道堆焊试验，焊接工艺参数为钨极直径3 mm、焊接电流140150 A、电弧电压20 V、熔覆速度2 mm·s-1、氩气流量16 L·min-1。在单层堆焊金属上沿垂直于焊接方向截取金相试样，经打磨、抛光，用体积比为2…3…5的硝酸、盐酸、氢氟酸混合溶液腐蚀后，采用XJP-6A型光学显微镜观察堆焊金属横截面不同位置的显微组织。采用JSM-6600V型扫描电镜(SEM)观察微观形貌，并用附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。采用Imagepro Plus软件对堆焊金属背散射电子图像进行处理，统计出硬质相的尺寸和体积分数。采用DHV-1000型显微硬度计测堆焊金属的截面显微硬度，载荷为4.9 N，保载时间为15 s，测试间隔为1 mm，相同测试深度测3次取平均值。在基板和堆焊金属上截取尺寸为10 mm×10 mm×30 mm的试样，采用M-2000型磨损试验机进行磨损试验，对磨球为经渗碳处理的表面硬度为59.2～60.2 HRC、直径为40 mm的20CrMnTi钢球，磨损转速为400 r·min-1，载荷为150 N，磨损时间为60 min。经乙醇浸泡、超声波清洗、吹风机吹干处理后，采用精度为0.1 mg的电子天平称取磨损前后试样的质量，计算磨损质量损失。

2 试验结果与讨论

2.1 对显微组织的影响

由图1可知，不同钛铁含量药粉的药芯焊带堆焊金属组织主要由长条状和块状硬质相以及共晶组织组成。不含钛铁(钛铁粉质量分数为0)时，堆焊金属中的硬质相粗大，分布不均匀且数量偏少；堆焊金属上部的硬质相比中部和下部的粗大，这是因为熔池上部冷却慢，液态存在时间长，硬质相容易长大；堆焊金属下部硬质相数量较少，这是由于在Q235钢基板的稀释作用下，熔合线附近铬、碳含量少所致。当加入钛铁粉后，堆焊金属的硬质相得到细化，分布较均匀，数量明显增多，且堆焊金属中部的硬质相尺寸最小。在试验条件下，含质量分数5.2%钛铁粉的药芯焊带堆焊金属的硬质相细化最明显，分布最均匀。紧密细小的共晶组织填充在硬质相中间，提高了硬质相与基体组织的结合强度。

图1 含不同质量分数钛铁粉药芯焊带堆焊金属不同位置的显微组织Fig.1 Microstructures of different positions of flux-cored welding tape surfacing metal with different mass fractions of ferro-titanium powder:(a-d) upper part; (e-h) middle part and (i-l) lower part

由图2和表2可以看出：含质量分数5.2%钛铁粉的药芯焊带堆焊金属中部位置1的铬含量很高，堆焊金属以过共晶方式结晶，因此位置1的物相为Cr7C3初生碳化物，呈典型的块状和条状；位置2的钛质量分数高达87.15%，碳质量分数为0.4%，钛是强碳化物形成元素，因此该相为TiC；TiC被Cr7C3包围，说明TiC与Cr7C3结合良好。TiC和Cr7C3的错配度为9.3%，二者具有很好的晶格匹配关系[8]，TiC可作为Cr7C3异质形核的核心而促进形核。位置3含有大量的铁元素以及少量的铬、镍元素，应是固溶了铬、镍的铁基固溶体。

图2 含质量分数5.2%钛铁粉药芯焊带堆焊金属中部的SEM形貌和EDS分析位置Fig.2 SEM morphology and EDS analysis position of middle part of flux-cored welding tape surfacing metal with 5.2wt% ferro-titanium powder

表2 图2中不同位置的EDS分析结果(质量分数)

2.2 硬质相细化与TiC的细化机理

由表3可以看出：药芯焊带药粉中添加钛铁粉后，堆焊金属中硬质相Cr7C3的体积分数增大，尺寸减小；当钛铁粉质量分数为3.5%时，Cr7C3的体积分数最大，比药粉中不含钛铁粉的提高了13.26%；当钛铁粉质量分数为5.2%时，Cr7C3的细化最明显，其平均尺寸为药粉中不含钛铁粉的56%。

表3 含不同质量分数钛铁粉药芯焊带堆焊金属中硬质相的长度和体积分数

Fe-Cr-Ti-C系合金熔池内涉及的冶金反应如下：

Ti+Fe=FeTi

(1)

Ti+2Fe=Fe2Ti

(2)

3Fe+C=Fe3C

(3)

3Cr+2C=Cr3C2

(4)

7Cr+3C=Cr7C3

(5)

Ti+C=TiC

(6)

2Fe+B=Fe2B

(7)

Cr+2B=CrB2

(8)

借助HSC Chemistry软件，计算冶金反应吉布斯自由能ΔG，设定温度范围为2003 000 ℃，结果如图3所示。如果ΔG为负值，则说明反应可自发进行，反之则不能自发进行。由图3可知：在2 000 ℃下钛和铁可自发反应生成FeTi和Fe2Ti，而铁与碳生成Fe3C的反应基本不能自发进行，其余的各反应均可自发进行；在200～3 000 ℃范围，钛与碳反应生成TiC的ΔG绝对值高于铬与碳反应生成Cr3C3的，ΔG绝对值越小，反应越容易进行，所以TiC先于Cr7C3生成。由此可知，TiC可以作为Cr7C3的异质形核核心而细化Cr7C3。

图3 Fe-Cr-Ti-C系合金反应的吉布斯自由能随温度的变化曲线Fig.3 Curves of Gibbs free energy vs temperature ofFe-Cr-Ti-C alloy reaction

分析可知TiC的作用机理：在TIG电弧的持续作用下，药芯焊带中含有铬、碳、硼、钛等的粉末全部熔化形成熔池；根据Fe-Cr-Ti-C系合金相图[11]，当熔池温度降到TiC的析出温度1 650 K时，TiC开始从液相中析出，当温度降低到Cr7C3的析出温度1 520 K时，Cr7C3以TiC为核心析出并长大，形成块状和长条状Cr7C3硬质相；钛元素会在Cr7C3表面富集，阻碍铁、碳、铬等原子向Cr7C3扩散，减缓Cr7C3碳化物的生长，从而起到细化Cr7C3的作用；随着温度的继续降低，剩余液相发生共晶反应生成碳化物和Fe-Cr-Ni固溶体。

2.3 对硬度与耐磨性能的影响

由图4计算得到，当药粉中钛铁粉质量分数分别为0，1.7%，3.5%，5.2%时，药芯焊带堆焊金属的平均显微硬度分别为740.6，821.0，974.7，1 078.7 HV，硬度逐渐增大。药粉中添加钛后，在焊接过程中原位反应生成的TiC可作为初生Cr7C3的异质形核中心，降低初生Cr7C3的形核阻力，细化初生碳化物；随着药粉中钛含量的增加，堆焊金属中尺寸细小且分布均匀的硬质相增多，因此显微硬度提高。部分钛也可通过固溶强化与细晶强化的方式提高堆焊金属的硬度。药粉中加入钛铁粉后堆焊金属的硬度波动较大，且堆焊金属中部的硬度明显高于下部和上部的，这可能是由于TiC的密度(4.93 g·cm-3)[12]低于Cr7C3的(6.92 g·cm-3)[13]，在熔池凝固过程中易在中部形成导致的，这与图1观察到的堆焊层中部Cr7C3硬质相的数量较下部明显增加、尺寸较小的现象相符合。

图4 含不同质量分数钛铁粉药芯焊带堆焊金属的显微硬度分布曲线Fig.4 Microhardness distribution curves of flux-cored welding tape surfacing metal with different mass fractions of ferro- titanium powder

含质量分数0，1.7%，3.5%，5.2%钛铁粉的药芯焊带堆焊金属的磨损质量损失分别为8.2，5.4，3.6，2.5 mg。可知药粉中添加钛可以显著提高堆焊金属的耐磨性能，且耐磨性能随着药粉中钛含量的增加而提高。含质量分数5.2%钛铁粉的药芯焊带堆焊金属的磨损质量损失仅为不加入钛铁粉的30.5%，这与TiC使硬质相Cr7C3细化、分布更均匀、数量增加以及与TiC的复合强化有关。

3 结 论

(1) 高铬铸铁堆焊金属组织主要由长条状和块状Cr7C3、共晶组织组成。药芯焊带药粉中不含钛铁时，堆焊金属中Cr7C3粗大，分布不均匀且数量少，加入钛铁粉后，组织中原位析出TiC相，Cr7C3尺寸减小，分布较均匀，数量明显增加。当钛铁粉质量分数为5.2%时，Cr7C3细化最明显，分布最均匀，其平均尺寸为药粉中不含钛铁的56%。

(2) 药芯焊带药粉中加入钛铁可提高堆焊金属的硬度和耐磨性能，添加质量分数5.2%钛铁粉药芯焊带堆焊金属的平均硬度比不加入钛铁粉的提高了338.1 HV，磨损质量损失仅为不加入钛铁粉的30.5%。

(3) TiC作为Cr7C3的异质形核核心，降低了Cr7C3的形核阻力，细化了Cr7C3；钛元素会在Cr7C3表面富集，阻碍铁、碳、铬等原子向Cr7C3扩散，减缓Cr7C3碳化物的生长速率，从而起到细化Cr7C3的作用。