Mo含量对亚共晶高碳高铬合金组织及性能的影响

熊 中，徐 强，何 芹，王 艳

（西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039）

Mo含量对亚共晶高碳高铬合金组织及性能的影响

熊 中，徐 强，何 芹，王 艳

（西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039）

将钼铁按一定比例加入焊条药皮并均匀涂覆于H08A焊芯，制成焊条，熔覆于低碳钢板。取试样进行金相组织观察、硬度实验、XRD衍射分析、磨粒磨损实验，研究Mo含量对堆焊层组织及耐磨性的影响。结果表明，Mo的加入能够形成MoC、Mo2C等碳化物；置换M7C3碳化物中的金属原子，形成复杂碳化物；溶入基体，提高堆焊层硬度，并能够使共晶碳化物由菊瓣状转变为网状，适量的Mo能够改善堆焊层耐磨性。

Mo；亚共晶；高碳高铬；耐磨性

0 前言

Fe-Cr-C系列耐磨合金因其良好的耐磨、耐蚀性且易于制取，常常被用于材料表面的处理。目前，已经有许多研究人员[1-3]试图在Fe-Cr-C系列耐磨合金中加入其他元素，从而改变其组织和耐磨性能，并且获得了良好效果。但是，研究大多侧重于过共晶合金，很少有学者对亚共晶合金进行系统研究。在此主要研究Fe-Cr-C系列的亚共晶合金，并且在其中加入一定梯度变化的钼铁，探究不同含量的钼对亚共晶合金组织形貌及耐磨性的影响。

1 实验材料和方法

将钼铁按一定比例加入由大理石、萤石、高铬、石墨等组成的药皮，并将其均匀涂覆于直径为4 mm的H08A焊芯，制成焊条，经晾干和烘干后进行堆焊。施焊前，将焊条置于烘干炉内进行250℃×2 h的烘干作业。采用ZX7-400IGBT型电弧焊机，直流反接，

电流140～170 A，在Q235钢上进行3层交叉堆焊实验。利用DKM280AZ型数控电火花线切割机切取金相及耐磨试样。堆焊层经FeCl3-HCl溶液腐蚀后，用型号为LY-WN-HP SUPER CCD的万能视频成像装置对其组织拍照。采用HVS-1000型数字式显微硬度计进行显微硬度测试，实验载荷0.98kN，加载时间20 s。采用D/MAX-2500/PCX射线衍射仪对堆焊层进行物相分析。在MLG-130型干式橡胶轮磨粒磨损试验机上进行耐磨性能测试，载荷45 N，磨损介质为石英砂。将试样预磨600 r后，利用JA2003型电子天平称重，再进行正式测试1 200 r，再次称重，两次质量之差即为磨损量，从而研究耐磨性能。

2 实验结果和分析

堆焊合金化学成分如表1所示。

表1 堆焊合金化学成分Tab.1Chemical composition of the deposited metals％

堆焊合金中w（C）=2.15％～2.23％，w（Cr）=10.32％ ～15.74％，根据Fe-Cr-C系三元合金相图（见图1），可以发现本次堆焊合金属于亚共晶组织范畴。

图1 Fe-Cr-C三元系合金的液相面投影Fig.1Ternary liquid surface projection of Fe-Cr-C alloy

2.1 堆焊层组织与相分析

堆焊合金组织如图2所示。

图2 堆焊合金组织Fig.2Microstructure of the deposited metals

根据金相照片及亚共晶特征，在大量初生固溶体中间存在着共晶组织，合金凝固过程中，溶液中首先析出初生奥氏体，当合金达到共晶成分时，便形成奥氏体和M7C3碳化物共晶组织[4]。结合对合金中w（Mo）=1.51％的堆焊层X射线衍射分析（见图3），发现其中含有奥氏体和马氏体以及（Cr，Fe）7C3碳化物，

因而认为堆焊合金基体为奥氏体与马氏体，而共晶组织由奥氏体与马氏体和（Cr，Fe）7C3组成。由图2可知，当未加Mo时，共晶组织较多，且呈现典型的菊瓣状；当Mo含量逐渐增加时，共晶组织由菊瓣状向条状演变，最终呈网状分布；即基体含量不断增加，共晶组织逐渐减少。原因在于Mo能够溶于奥氏体及其转变产物，推迟奥氏体转变，使连续冷却曲线右移，扩大α相，提高材料淬硬性[4-5]。同时，X射线衍射分析也验证了Mo的加入能够与C形成MoC、Mo2C等碳化物，该种碳化物能够有效抵御磨料的浸蚀，提高堆焊合金耐磨性。

图3 X射线衍射分析Fig.3X-ray diffraction analysis

2.2 硬度分析

硬度是材料抵抗硬物压入其表面的能力。对堆焊金属进行五点硬度测试，并取其平均值，如表2所示。

表2 堆焊合金硬度Tab.2Microhardness of the deposited metals

由表2可知，合金显微硬度随着Mo含量的增加而增加。究其原因，Mo加入合金中：①溶于奥氏体及其产物，提高材料淬透性；②形成碳化物MoC、Mo2C等；③溶入M7C3型碳化物，取代其中部分原子，形成复杂碳化物[4-6]；故而Mo的加入在提高基体硬度的同时也能增加碳化物的含量，进而提高堆焊层硬度。随着Mo的增加，碳化物总量也在增加，所以其硬度也不断增加。

2.3 磨损性能

合金磨损量如表3所示。堆焊合金在金相显微镜下的磨损形貌如图4所示。

表3 堆焊合金的磨损量Tab.3Wear loss of the deposited metals

综合磨损量及磨损形貌可以发现，随着Mo含量的增加（图4a～图4c），磨损量减少，试样表面犁沟在减轻；但当Mo超过一定含量后（图4d、图4e），犁沟逐渐加深并且伴随着剥落现象。原因在于Mo的加入能够溶入基体，提高基体硬度；形成MoC、Mo2C等碳化物；置换形成（Cr2.5Fe4.3Mo0.1)C3等特殊碳化物，这些碳化物硬度高，抗切削性能好，在磨损过程中对基体有很好的保护作用；基体韧性较好，可以防止裂纹的产生及扩展，对碳化物有支撑作用，防止碳化物在磨损过程中被剥落。但是当Mo含量超过一定值后，虽然可以形成更多的碳化物，提高材料硬度，但在磨粒磨损过程中，过多的碳化物受到挤压而容易发生脱落，一旦碳化物脱落，磨料将直接作用于裸露的基体上，使得磨损量增加；同时，堆焊合金中碳含量有限，可能导致Mo含量过剩，而过剩的Mo则会偏析于晶界，导致堆焊层形成微裂纹而开裂[7]；堆焊合金中共晶碳化物含量不断降低，逐渐呈网状分布，难以与基体相互支撑，这也会导致合金耐磨性降低。综合硬度与耐磨性分析，硬度与耐磨性不成线性关系。本实验中，Mo含量为1.51％时其耐磨性最佳。

3 结论

（1）堆焊合金为亚共晶组织，基体为奥氏体与马氏体，共晶组织由奥氏体、马氏体和（Cr，Fe）7C3组成。

（2）随着Mo含量的增加，共晶组织由菊瓣状向网状演变，且Mo溶于基体、形成碳化物、置换M7C3碳化物中金属原子，形成复杂碳化物，使得堆焊合金硬度不断升高。

（3）在一定范围内，随着Mo含量的增加，硬质

相与韧性基体合理配合，合金磨损量逐渐减小；但超过该范围后，形成过多碳化物，当其受到挤压时易发生脱落，使得磨料直接作用于裸露的基体上，增加磨损量。堆焊合金硬度与磨损量不成线性关系。

图4 堆焊合金磨损形貌Fig.4Wear morphology of the deposited metals

[1]袁有录，李铸国.高体积分数（Cr，Fe）7C3增强Fe基涂层的组织及耐磨性研究[J]．摩擦学学报，2013，33（1）：79-84．

[2]王智慧，贺定勇．硼对Fe-Cr-C耐磨堆焊合金组织的影响[J]．材料工程，2001（10）：18-20．

[3]王智慧，贺定勇．NbC增强Fe-Cr-C耐磨堆焊合金组织与磨粒磨损性能[J]．焊接学报，2007，28（2）：55-58．

[4]郝石坚．铬白口铸铁及其生产技术[M]．北京：冶金工业出版社，2011．

[5]李训华．堆焊焊条性能的研究[J]．焊接技术，2002，31（2）：44-45．

[6]Chung R J，Tang X，Li D Y，et al．Effects of titanium addition on microstructure and wear resistance of hypereutectic high chromium cast iron Fe-25wt.％Cr-4wt.％C[J]．Wear，2009，267（1）：356-361.

[7]王智慧，王宝清．Fe-Cr-C耐磨堆焊合金中碳化物生长方向的控制[J]．焊接学报，2004，25（1）：103-106．

Influence of Mo content on the microstructure and properties of hypoeutectic high carbon high chromium deposited metals

XIONG Zhong，XU Qiang，HE Qin，WANG Yan
（School of Material Science and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

In this experiment，certain proportions of molybdenum iron was added to coverings and then coated to H08A welding core，deposited tolowcarbon steel.With the aid ofmetallographic microscope，X ray diffraction，Vivtorinox hardness tester，abrasive wear testing machine，themicrostructureand wearpropertieswereanalyzed and tested in thestateofdifferentproportionsofMo.Theresultsshowthat with the addition ofMo，carbides such as MoC、Mo2Ccan be formed;in place ofmetal atoms in M7C3，complexcarbide can be formed，dissolve into substrate，improve the hardness of deposited metals，and make the eutectic carbides by chrysanthemum petals into a mesh，a appropriate proportion ofMocan improve the wear resistance ofdeposited metals.

Mo；hypoeutectic；high carbon high chromium；wear resistanc

TG406

A

1001－2303（2016）09－0059-03

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.14

2016-04-23；

2016-07-06

四川省教育厅重点项目（13ZA0030）；汽车高性能材料及成形技术四川省高校重点实验室开放基金（szjj2015-090）、2015省级大学生创新创业训练计划（201510623002）和西华大学2016研究生创新基金（ycjj2016140）

熊中（1989—），男，四川巴中人，在读硕士，主要从事耐磨材料及材料耐磨性能的研究。