基于CALPHAD的耐磨堆焊合金成分优化设计

屈晓田

（山西大学 物理电子工程学院，山西 太原 030006）

在维修、再制造领域，零部件常常因为表面过度磨损而失效或报废，采用药芯焊丝表面堆焊的方法对失效的零部件进行修复、再制造，是一种行之有效的方法。堆焊材料可以分为铁基合金、镍基合金、钴基合金以及一些掺杂WC、ZrC增强陶瓷颗粒的复合金属材料。其中，高碳高铬铁基耐磨合金因其低廉的价格和良好的耐磨性，被广泛应用于煤矿、水泥以及冶金等领域［1］，该合金的成分可以分为亚共晶、共晶以及过共晶三类［2］。相比前两者，过共晶成分的高碳高铬铁基耐磨合金耐磨性更好［3－4］，过共晶合金的耐磨性主要取决于其组织中含有大量的M＝（Cr，Fe）7C3碳化物。然而，当M＝（Cr，Fe）7C3型碳化物的形貌较为粗大时，会导致在使用过程中容易剥落，缩短再制造产品的服役周期［5］。

目前，针对该类堆焊材料，通常采用定性试验的方法，研究微合金元素对铁基合金组织－性能的变化规律［6－9］。然而，当多元素含量同时变化时，往往需要进行正交试验，试验周期较长。因此，通过计算机辅助设计、预测不同元素对耐磨合金的相组成影响规律是非常必要和高效的。

CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）方法多用于研究合金的平衡相图，然而该方法也可以用来研究合金的相析出规律。Li等人计算了高铬铸铁的平衡相图［10］，并通过试验证实了计算结果的有效性。因此，本文在上述研究的基础上，采用CALPHAD方法对高碳高铬耐磨堆焊合金进行成分设计，研究微合金元素Ti、V、Nb在铁基合金中的作用。

1 试验材料与方法

1.1 平衡相图计算

采用热力学和相图计算Thermo-Calc软件，对高碳高铬铁基耐磨合金的平衡相图进行计算，研究碳含量对相析出规律的影响。数据库选用TCSAB钢／铁基合金数据库TCFE2，计算所用的合金成分质量分数为5.0%C-27%Cr-Fe.

1.2 验证试验

为验证计算所得平衡相图的有效性，采用试验的方法进行验证。制备不同碳含量的药芯焊丝，在45号钢基体表面施焊，制备铁基耐磨合金堆焊层，合金的化学成分列于表1，明弧堆焊的工艺参数列于表2。

采用线切割设备从堆焊金属中部切取待分析试样，采用D／max-2500／PC X射线衍射仪对其相类型进行分析，采用Axiovert 200 MAT光学显微镜对其显微组织进行观察。

1.3 微合金元素的影响

在对高碳高铬铁基耐磨合金的平衡相图进行计算结果有效的情况下，计算微合金元素Ti、V、Nb对高碳高铬铁基耐磨合金的相析出规律的影响。

表1 铁基耐磨合金化学成分Table 1 Chemical composition of Fe-based wear-resistant alloy

表2 焊接工艺参数Table 2 Parameters of welding technology

2 试验结果与分析

2.1 相析出规律计算

对高碳高铬铁基耐磨合金进行平衡相图计算，计算结果如图1所示。可以看出，该系合金的共晶反应发生在碳含量质量分数为3.15%处；当碳含量小于3.15%时，发生亚共晶反应，从液相中首先析出γ-Fe；当碳含量大于3.15%时，发生过共晶反应，从液相中首先析出M7C3型碳化物。

在亚共晶区域，γ-Fe的析出温度约为1 338℃，随后M7C3型碳化物析出，析出温度约为1 285℃；当温度降至860℃时，共析反应发生，γ-Fe→P（α-Fe＋M7C3），此成分在室温的为珠光体＋变态莱氏体。在过共晶区域，当铁基合金的碳含量为3.5%时，M7C3相的析出温度约为1 305℃；当温度降至约1 285℃时，共晶反应（Liquid→γ-Fe＋M7C3）发生，生成 M7C3相及γ-Fe相，随后液相消失，γ-Fe相与 M7C3相共存；当温度降至约800℃时，共析反应（γ-Fe→α-Fe＋M7C3）发生，生成α-Fe，此时α-Fe相、γ-Fe相与 M7C3相三相共存。随着碳含量的升高，其组织中M7C3相的析出温度随之升高。

温度变化时，不同碳含量的高碳高铬铁基耐磨合金的相质量分数如图2所示。可以看出，其结果与图1相对应。在过共晶区域，随碳含量的升高，M7C3型碳化物的析出温度升高，而且其质量分数逐渐增大。

2.2 验证试验

不同碳含量的高碳高铬铁基耐磨合金XRD图谱如图3所示。由图可以看出，该类合金主要由（Cr，Fe）7C3型碳化物、马氏体以及残余奥氏体组成。当铁基合金中碳含量质量分数为2.5%时，图谱中γ-Fe相的峰值较强；随碳含量的增加，（Cr，Fe）7C3相的峰值逐渐增强，更多的碳原子与铬原子结合，生成（Cr，Fe）7C3型碳化物。此外，γ-Fe相峰值左移，其晶格常数增大。

不同碳含量的高碳高铬铁基耐磨合金显微组织如图4所示。当铁基合金的碳含量为2.5%时，其组织如图4（a）所示为初生奥氏体＋（Cr，Fe）7C3／γ（Cr，Fe）共晶显微组织组成。当合金的碳含量大于3.5%时，其组织由初生（Cr，Fe）7C3型碳化物以及（Cr，Fe）7C3／γ（Cr，Fe）共晶组织组成。当碳含量为3.5%时，如图4（b）所示，初生（Cr，Fe）7C3型碳化物形貌较为细小，其共晶组织在组织中所占的体积分数较大。碳含量为4.5%的堆焊合金显微组织如图4（c）所示，随碳含量的增加，初生（Cr，Fe）7C3型碳化物的质量分数增大，与此同时，共晶组织的相含量减小。碳含量为5.5%的堆焊合金显微组织如图4（d）所示，可以看出初生（Cr，Fe）7C3型碳化物的尺寸变得更为粗大。说明碳含量的增加可以促进初生（Cr，Fe）7C3型碳化物的生成。

Fig.1 Calculation results of high C and high Cr Fe-based wear-resistant alloy equilibrium phase diagram图1 高碳高铬铁基耐磨合金平衡相图计算结果

Fig.2 Phases Mass fraction vs.temperature of high C and high Cr Fe-based wear-resistant alloy with different C content（a）2.5%；（b）3.5%；（c）4.5%；（d）5.5%图2 不同碳含量的高碳高铬铁基耐磨合金相质量分数－温度曲线

Fig.3 XRD patterns of high C and high Cr Fe-based wear-resistant alloy图3 高碳高铬铁基耐磨合金XRD图谱

Fig.4 Microstructure of high C and high Cr Fe-based wear-resistant alloy with different C content（a）2.5%；（b）3.5%；（c）4.5%；（d）5.5%图4 不同碳含量的高碳高铬铁基耐磨合金显微组织

采用定量金相的方法，对过共晶区的高碳高铬铁基耐磨合金显微组织进行分析，并与计算结果进行对比，结果列于表3。可见，初生碳化物的质量分数随碳含量的升高而增多。尽管两者由于试验误差等原因数值略有差别，但试验结果与计算结果趋势相同。因此，可以通过CALPHAD的方法对高碳高铬铁基耐磨合金的相析出规律进行研究，从而实现对该类合金成分进行设计。

表3 初生碳化物定量分析结果Table 3 Results of quantitative analysis of the primary carbides

2.3 微合金元素的影响

采用类似的方法，研究Ti、Nb以及V对高碳高铬铁基耐磨合金的影响，计算结果如图5所示。图5（a）为不加微合金元素的合金相析出曲线；图5（b）-（d）分别为加入质量分数为5%Ti、5%Nb以及5%V的铁基合金相析出曲线。由图5可以看出，当加入微合金元素Ti、Nb、V后，在高碳高铬铁基耐磨合金的析出相中，出现了M（M＝Ti，Nb，V）C型碳化物。其中，当高碳高铬铁基耐磨合金中加入Ti或Nb后，析出的MC型碳化物为初生相，该相的析出导致M7C3型碳化物在液相中析出的质量分数减小，从而有利于合金中M7C3型碳化物的细化，提高组织的均匀性。而加入微合金元素V后，如图5（d）所示，其M（M＝V）C型碳化物为二次碳化物。二次MC型碳化物的析出对M7C3型碳化物的质量分数影响不大，但V的加入会部分固溶于M7C3型碳化物中，并置换出Cr原子，从而对合金基体起到固溶强化的目的。

通过上述分析，不同的微合金元素形成的MC型碳化物对初生M7C3型碳化物的作用机制并不相同。因此，在药芯焊丝设计时，可以根据使用工况要求，在焊丝中加入适量的微合金元素Ti、Nb和V，起到细化碳化物，改善高碳高铬铁基耐磨合金的性能的目的。

3 结论

通过CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams）方法，对高碳高铬铁基耐磨合金成分进行设计，并采用试验的方法，对相图计算的结果进行验证。试验结果表明，不加入微合金元素时，铁基耐磨合金的显微组织由初生（Cr，Fe）7C3型碳化物及共晶（Cr，Fe）7C3／γ（Cr，Fe）组成；随碳含量升高，初生（Cr，Fe）7C3型碳化物含量随之升高。加入微合金元素Ti、V、Nb后，在堆焊金属中析出M（M＝Ti，V，Nb）C型碳化物，M（M＝Ti，Nb）C型碳化物的存在可以促进初生（Cr，Fe）7C3型碳化物的细化，提高高碳高铬铁基耐磨合金的性能，延长堆焊零部件表面的服役时间。

Fig.5 Influence of micro-alloying elements to high C and high Cr Fe-based wear-resistant alloy phase precipitation rule（a）Original sample；（b）5%Ti；（c）5%Nb；（d）5%V图5 微合金元素对高碳高铬铁基耐磨合金相析出规律的影响

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