氮合金化堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能研究

杨 可，包晔峰

（河海大学 机电工程学院，江苏 常州 213022）

在水力机械中，不锈钢材料被广泛应用于制造水轮机的叶片等水力设备动力装置，这些水力装置常受到水流泥沙的冲蚀，易受到严重磨蚀［1－3］。通过使用表面堆焊技术在磨损后的水力装置部件表面熔敷一层硬面合金，可使这些磨损部件现场快速修复，并使其恢复甚至超过其原有抗磨损能力［4，5］。

目前硬面合金材料普遍采用碳合金化提高使用硬度，使基体中分布大量碳化物质点增强耐磨性能。但此类硬面合金材料具有：（1）碳当量高，抗焊接裂纹性能差；（2）碳化物易沿晶界呈网状析出，耐蚀性能一般；（3）塑性较低，承受高应力易剥落等三方面明显的缺点［6，7］。Lee K.Y.等研究结果表明［8，9］，增强或改善材料耐磨性的有效途径是提供材料的表面硬度和强韧性，较为理想的组织结构为坚韧、连续的基体上均匀分布硬度高、稳定性好的质点。Hertzman S.等［10，11］研究认为氮与碳均为间隙溶质原子，并都能与铌、钛等合金元素形成弥散分布的第二相质点，并且氮对焊接性能影响较小，在焊接过程中不会出现裂纹。在堆焊硬面合金中以氮代替碳，可提高抗焊接热裂性能；同时添加固氮合金元素形成碳氮化物粒子，通过细化晶粒和第二相质点弥散析出来增强硬面合金的强度和韧性［12，13］。因此，本工作在马氏体不锈钢硬面材料中以氮代替部分碳，通过铌、钒、钛固氮进行合金化，形成氮合金化堆焊马氏体不锈钢硬面合金，进行了小角度30°的抗冲蚀性能实验，研究其抗冲蚀磨损机理，为水力机械抗冲蚀材料的开发和应用提供理论基础。

1 实验材料与方法

实验材料有H08A钢带，低碳铬铁、锰铁、硅铁、铌铁及氮合金等合金粉。合金粉混合均匀，利用药芯焊丝设备制备直径为3.2mm的两种埋弧硬面药芯焊丝，其中一种焊丝有氮作为合金化元素，并采用铌、钛铁合金固氮。用逆变自动焊机进行埋弧堆焊，配用焊剂为自制的马氏体不锈钢烧结焊剂，碱度为1.8～2.0。焊接工艺参数如下：焊接电压为30～32V，焊接电流为400～450A，焊丝伸出长度为15～20mm，焊接速率为18～23m／h。在碳钢钢板上堆焊6层以上，保证堆焊层金属厚度在15mm以上，堆焊层与母材结合良好，没有出现裂纹等缺陷。在垂直于堆焊层表面分别制备3个尺寸为20mm×10mm×5mm试样，之后将试样进行550℃热处理并保温1h随炉冷却至300℃取出空冷，以便第二相析出和残余奥氏体的转变，进而获得二次硬化的马氏体组织。堆焊硬面合金试样主要化学成分（质量分数／%）为S1：0.06～0.15C，11～14 Cr，1.2Nb，V，Ti，1.2～1.8Ni，0.3～0.6Mo，0.12 N，其余为Fe；S2：0.16～0.25C，11～14Cr，1.2～1.8 Ni，0.3～0.6Mo，其余为Fe。两种堆焊硬面合金试样均为马氏体不锈钢，其中S1试样具有足量的N，没有发生气孔。

将试样的冲蚀表面用砂纸打磨，冲蚀实验在冲蚀磨蚀实验机上进行，冲蚀粒子采用26～40目不规则多角形的石英砂，砂粒被水流加速冲蚀试样表面，水流速度为2 5m／s，含砂量为5 0kg／m3，冲蚀试样面积为20mm×10mm，为了考察冲蚀粒子对硬面合金冲击与磨损的综合作用，选择低角度冲蚀角30°［1，14］，冲蚀时间为45min，其工作原理示意图如图1所示。试样磨损试验前后在精度为1mg的电子天平上称重，磨损率为试样磨损失重与冲蚀面积的比值。用洛氏硬度试验机测量试样的平均硬度。用光学显微镜和Quanta 200型扫描电镜（SEM）观测试样显微组织和表面磨损后的形貌。

图1 冲蚀磨损示意图Fig.1 Schematic diagram of erosion wear test

2 结果与讨论

两种堆焊硬面合金试样经过冲蚀磨损，得到的S1的磨损率为0.21mg／mm2，S2试样的磨损率为0.56 mg／mm2。两种试样的磨损率都小于0.6mg／mm2，其中S1试样的冲蚀磨蚀率明显小于S2，约为S2试样的三分之一，表明S1试样具有更优的抗冲蚀磨损性能。

堆焊硬面合金的显微组织主要为板条马氏体和第二相析出物，如图2所示。其中S1试样的显微组织为板条马氏体和大量的细小析出物，这些析出物为MX（M：Nb，V，Ti；X：C，N）复合碳氮化物，沿板条马氏体基体和晶界弥散分布（图2（a））［15］；S2试样的显微组织主要为沿晶界呈网状分布的富Cr碳化物（图2（b））。此外，S1试样马氏体束晶区明显小于S2试样，S1试样晶区内马氏体板条尺寸大小要比S2小。可见，通过堆焊硬面合金氮合金化，可起到明显细化晶粒作用［16，17］。

图2 试样显微组织形貌 （a）S1；（b）S2Fig.2 Microstructures of two samples （a）S1；（b）S2

测得试样S1和S2的洛氏硬度值（HRC）分别为42.8和35.5，S1试样的硬度值明显高于S2试样，表明氮合金化堆焊硬面合金具有更高的使用硬度。因此，氮合金化堆焊硬面合金中复合碳氮化物沿板条马氏体基体和晶界弥散析出，能有效强化基体增强硬度。

两种堆焊硬面合金试样的磨损形貌如图3所示，其磨损形貌为明显的切削与犁沟剥落。其中S1试样犁沟前方的塑性堆积呈现出明显的圆弧状，堆积物相对较多，而S2试样则表现较为平直，堆积物较少，如图3中箭头所示。

图3 试样的磨损形貌 （a）S1；（b）S2Fig.3 Worn morphologies of two samples （a）S1；（b）S2

冲蚀磨损的水流冲击角度为30°，高流速砂粒对堆焊硬面合金冲蚀面产生的冲击运动，可分解为平行冲蚀面的切向运动和垂直冲蚀面的法向运动，砂粒的切向运动将产生“刀具”切削运动。当尖锐砂粒与冲蚀表面形成有利的切削角度时，产生微切削，切出一定数量的微体积材料，在堆焊硬面合金表面留下明显的切削痕；而当砂粒不够尖锐或即使尖锐但与冲蚀面不能形成有利于切削的角度时，不会对冲蚀面造成直接的切削，而在堆焊硬面合金表面形成犁沟，在冲击速度方向的前方或两侧形成塑性堆积物。砂粒的法向运动使砂粒压入冲蚀面，压入点的材料被挤出并在后来粒子的不断冲击作用下剥落，从而加大冲蚀磨损质量损失。从图3中可知，S1试样犁沟前方的塑性堆积物明显多余S2试样，这表明S1试样在冲蚀粒子的作用下能具有更好的强韧性，使得犁沟剥落质量损失更少，从而减少磨损质量损失进而降低磨损率。

已有的研究结果表明［14，18］，材料的耐磨性的不仅与硬度有关，而且与材料的组织有关。复合碳氮化物的弥散析出起到更好的强化效果，使得堆焊硬面合金形成具有板条马氏体基体＋分布均匀碳氮化物硬质点的组织形态。图4为磨损表面更大放大倍数的扫描电镜照片，由于细小碳氮化物的弥散强化作用，S1试样的硬度明显高于S2试样，使得切削粒子的压入深度明显降低，表现为窄浅塑性切削和犁沟痕；此时由于材料基体逐渐被去除、下凹，凸起的碳氮化物颗粒则承受冲蚀粒子的主要冲击和切削，在随后的冲击下撞落下来，出现明显的块状剥落，如图4（a）中箭头所示，而处在碳氮化物颗粒保护作用的基体材料遭受冲击和切削的几率变小、程度减轻，使得基体材料磨损大大减小，因而堆焊硬面合金的抗冲蚀性能得到提高。

图4 试样的磨损形貌 （a）S1；（b）S2Fig.4 Worn morphologies of two samples （a）S1；（b）S2

综上所述，堆焊硬面合金的冲蚀磨损由切削和犁 沟剥落形成。氮合金化堆焊硬面合金中复合碳氮化物的弥散析出，起到明显的细化晶粒和沉淀强化作用，使得板条马氏体既具有较高的强度，又保持良好的韧性，既能增强抗高速含砂水流冲击作用，同时又能有效抵御冲蚀粒子的高速切削，从而减少冲蚀磨损质量损失降低磨损率，提高堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能。

3 结论

（1）堆焊硬面合金的冲蚀磨损由切削和犁沟剥落形成，其磨损机制主要为微切削。

（2）氮合金化堆焊硬面合金中析出物弥散分布，尺寸细小，起到了明显的细化晶粒和沉淀强化作用，既能增强抗高速含砂水流冲击作用，同时又能有效抵御冲蚀粒子的高速切削，从而减少冲蚀磨损质量损失降低磨损率，提高堆焊硬面合金的抗冲蚀磨损性能。

（3）氮合金化堆焊硬面合金的冲蚀磨损特征表现为冲蚀粒子冲击后留下的切削、犁沟以及碳氮化物处造成的块状剥离。

［1］JONES L C.Low angle scouring erosion behaviour of elastomeric materials［J］.Wear，2011，271（9—10）：1411－1417.

［2］刘国宇，鲍崇高，张安峰.不锈钢与碳钢的液固两相流冲刷腐蚀磨损研究［J］.材料工程，2004，（11）：37－40.LIU Guo－yu，BAO Chong－gao，ZHANG An－feng.Study on erosion－corrosion property of metal material［J］.Journal of Materials Engineering，2004，（11）：37－40.

［3］奚运涛，刘道新，韩栋，等.低温离子渗氮提高2Cr13不锈钢的冲蚀磨损与冲刷腐蚀抗力［J］.材料工程，2007，（11）：76－81.XI Yun－tao，LIU Dao－xin，HAN Dong，et al.Improvement of erosion－corrosion resistance of 2Cr13stainless steel by low temperature plasma nitriding［J］.Journal of Materials Engineering，2007，（11）：76－81.

［4］刘娟，许洪元，齐龙浩.水力机械中冲蚀磨损规律及抗磨研究进展［J］.水力发电学报，2005，24（1）：113－117.LIU Juan，XU Hong－yuan，QI Long－hao.The development of study on the abrasive rules and anti－abrasive technique of hydraulic machines［J］.Journal of Hydroelectric Engineering，2005，24（1）：113－117.

［5］杨可，张志玺，胡网勤，等.1Cr13NbTi不锈钢堆焊材料氮合金化分析［J］.焊接学报，2012，33（2）：13－16.YANG Ke，ZHANG Zhi－xi，HU Wang－qin，et al.Analysis of nitrogen－alloying deposited material of 1Cr13NbTi stainless steel［J］.Transactions of the China Welding Institution，2012，33（2）：13－16.

［6］KIRCHGAβNER M，BADISCH E，FRANEK F.Behaviour of iron－based hardfacing alloys under abrasion and impact［J］.Wear，2008，265（5－6）：772－779.

［7］HANLON D N，RAINFORTH W M.The rolling sliding wear response of conventionally processed and spray formed high speed steel at ambient and elevated temperatureJ.Wear20032557－12）：956－966.

［8］LEE K Y，LEE S H，KIM Y，et al.The effects of additive elements on the sliding wear behavior of Fe－base hardfacing alloys［J］.Wear，2003，255（1－6）：481－488.

［9］ARABI J R，HARATI E，SHAMANIAN M.Effects of surface alloying on microstructure and wear behavior of ductile iron surface－modified with a nickel－based alloy using shielded metal arc welding［J］.Materials and Design，2011，32（3）：1531－1536.

［10］HERTZMAN S.The influence of nitrogen on microstructure and properties of highly alloyed stainless steel welds［J］.ISIJ International，2001，14（6）：580－589.

［11］BAZALEEVA K O.Mechanisms of the influence of nitrogen on the structure and properties of steels（a review）［J］.Metal Science and Heat Treatment，2005，47（9－10）：455－461.

［12］HAWK J A，SIMMONS J W，RAWERS J C.Effect of nitrogen alloying on the microstructure and abrasive wear of stainless steels［J］.Journal of Materials Engineering and Performance，1994，3（2）：259－272.

［13］YANG K，YU S F，LI Y B，et al.Effect of carbonitride precipitates on the abrasive wear behaviour of hardfacing alloy［J］.Applied Surface Science，2008，254（16）：5023－5027.

［14］林福严，邵荷生.低角冲蚀磨损机理研究［J］.中国矿业大学学报，1991，20（3）：28－34.LIN Fu－yan，SHAO He－sheng.Study on mechanisms of metal erosion at low impact angle［J］.Journal of China University of Mining and Technology，1991，20（3）：28－34.

［15］杨可，余圣甫，陶潘峰，等.硬面合金中碳氮析出物的研究［J］.郑州大学学报，2009，30（1）：57－60.YANG Ke，YU Sheng－fu，TAO Pan－feng，et al.Study on carbonitride precipitates in hardfacing alloy with nitrogen strengthening［J］.Journal of Zhengzhou University，2009，30（1）：57－60.

［16］YANG K，YU S F，DENG Y，et al.Microstructure and wear property of hardfacing alloy with nitrogen strengthening ［J］.China Welding，2009，18（3）：51－54.

［17］SOURMAIL T.Precipitation in creep resistant austenitic stainless steels［J］.Materials Science and Technology，2001，17（1）：1－14.

［18］陈永清，陈登崖，顾佩芝.韧性材料冲蚀磨损的机理研究［J］.上海交通大学学报，1989，23（3）：99－106.CHEN Yong－qing，CHEN Deng－ya，GU Pei－zhi.Erosion mechanism of ductile material［J］.Journal of Shanghai Jiaotong Uni－versity，1989，23（3）：99－106.