铝对高铬合金埋弧堆焊层组织和耐磨性的影响

邓小君，任艳艳，李晓东

（河南职业技术学院机电工程系，河南郑州450046）

铝对高铬合金埋弧堆焊层组织和耐磨性的影响

邓小君，任艳艳，李晓东

（河南职业技术学院机电工程系，河南郑州450046）

采用合金粉末与实心焊丝埋弧堆焊相结合的方法，在Q235钢表面堆焊含铝和不含铝的高铬合金堆焊层，使用扫描电镜、能谱仪和磨粒磨损机等手段研究铝对高铬合金堆焊层的组织和耐磨性的影响。结果表明，未加铝粉的堆焊层中主要有含（Fe，Cr）3C型碳化物，含3％Al的堆焊层中主要有M7C3碳化物和黑色小块状氧化铝硬质相存在；两种堆焊层磨损形貌均呈凿槽或犁沟形态，碳化物形成耐磨骨架。加3％Al堆焊层中的氧化铝硬度高，能有效减少磨粒的显微切削运动，堆焊层犁削划痕比未加铝粉的浅而细小，耐磨性较好。

埋弧堆焊；高铬合金堆焊层；铝；耐磨性

0 前言

随着现代工业的发展，大量工程零部件都处于高温高压等复杂恶劣的工作环境，因磨损造成机械零部件使用寿命缩短和材料浪费的现象很严重。如何修复磨损失效的零部件，延长其使用寿命成为迫切解决的问题。表面堆焊技术作为修复零件和改善材料表面性能的一种工艺，现常用的有焊条电弧焊、埋弧焊、氩弧焊、激光焊、等离子弧等堆焊方法。对于耐磨堆焊材料，铁基合金中的Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金以其优良的抗磨损性能和优异的性价比广泛应用于工矿企业的抗磨损部件上，但单纯的Fe-Cr-C合金无论是硬度还是耐磨性都不够理想，为了进一步提高此系耐磨合金的性能，许多研究者在堆焊合金中加入Nb、Ti、V、Zr、W、Mo等合金元素，以求达到最佳的效果[1]。但关于铝对Fe-Cr-C耐磨堆焊层影响的报道相对较少。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

埋弧堆焊试板为600mm×300mm×30mm的Q235钢，埋弧焊焊丝为H08A，φ4 mm，焊剂为HJ431。所用堆焊合金粉主要是高碳铬铁粉（150～380 μm）和铝粉（纯度大于等于99.0％，75～150 μm），其中高碳铬铁粉成分如表1所示。

表1 铬铁粉末FeCr67C6.0的化学成分％Tab.1Composition of ferrochrome powder FeCr67C6.0

1.2 试验方法

施焊前将焊剂烘干，烘干温度200℃～250℃，烘干时间1～2 h，认真清理焊接试板的铁锈、油污等，直至露出金属光泽。试验分两组，一组合金粉为50 g高碳铬铁粉；另一组按高碳铬铁粉97％和铝粉3％的比例称取50 g合金粉，将其于V型混料机中混合均匀。然后将两组合金粉按30 mm×2 mm（宽×厚）均匀地平铺在已清除氧化皮的Q235钢板试样上。按表2中的焊接参数进行堆焊试验。堆焊结束后，待堆焊层冷却至室温，在堆焊层中间利用线切割取10 mm×10 mm×30 mm试样用于组织分析；每组取φ6mm×25mm的试样3个用于磨损试验，注意取样避开起弧和收弧处，在SARTORIUS-BS201S电子天平上称量磨损前试样质量G0，磨损14个周期后停机，将试样放入乙醇溶液中用超声波清洗2 min，吹风机吹干后用1‱天平秤量磨损后质量G1。计算磨损量ΔG=G0－G1。利用JSM-5610LV扫描电子显微镜、能谱仪和ML-100磨粒磨损机分析对比两组试样的组织和耐磨性。

表2 堆焊工艺参数Tab.2Welding parameters

2 试验结果和分析

2.1 堆焊层显微组织分析

堆焊层的显微组织及能谱如图1所示，堆焊层的X射线衍射图如图2所示。图1a为未加铝堆焊层的放大组织，堆焊层组织中碳化物以鱼骨状分布在晶界附近，结合未加铝堆焊层的X射线衍（见图2a）可知该碳化物主要是合金碳化物（Fe，Cr）3C。图1b为含3％Al堆焊层的放大组织，碳化物以杆状、块状、长条块状分布，结合图2b可知碳化物主要是M7C3，包括（Cr，Fe）7C3、Fe7C3和Cr7C3，除碳化物外还存在少量黑色小块状物，结合能谱图（见图1c）和含3％Al堆焊层的X射线衍（见图2b）可知黑色小块状物为氧化铝。合金碳化物和碳化物形成原因是：Cr作为强碳化物形成元素是耐磨材料中最常用的合金元素，它与C的亲和力较大，在一定Cr/C比下，容易形成一系列的铬碳化物，如Cr7C3、Cr26C3和Cr3C2等，其中Cr7C3和Cr3C2是稳定化合物[2-3]。氧化铝的存在主要有两方面原因：一是在电弧的高温下，氧原子的活泼性能较高，氧原子和铝原子容易结合，形成氧化铝；二是铝与氧化铁在高温下发生铝热反应，生成氧化铝。由于氧化铝熔点高，先从熔体中结晶出来，低熔点液相则填充于其周围一起凝固，使得氧化铝分布于碳化物边缘[4]。

2.2 堆焊层耐磨性

磨损试样的平均磨损量如图3所示。每组磨损试验取三个试样的平均值，计算得到未加铝堆焊层的磨损量为0.3482g，3％Al堆焊层的磨损量为0.2364g，由此可知，含3％Al堆焊层的耐磨性优于0％Al堆焊层的耐磨性。

堆焊层的磨损形貌如图4所示。所有堆焊层磨损形貌都呈凿槽或犁沟形态，主要磨损机制为显微切削和多次塑性变形磨损[5]，但其磨损形貌不同。图4a磨损表面出现犁削划痕，个别划痕比较深且宽，表面有明显的即将剥落的金属，剥落凹坑相对较大。图4b磨损形貌显示，其表面划痕较浅，有少量的细小划痕，表现出较好的耐磨性。其耐磨原理：堆焊层中有硬质相碳化物镶嵌于基体上形成耐磨骨架，可减轻磨粒的嵌入和切削，抑制复合材料的塑性变形，提高材料磨损性。另外氧化铝硬质相镶嵌在基体组织中，一定程度上提高了堆焊层的耐磨性[6]。

3 结论

（1）未加铝粉的堆焊层组织中存在以鱼骨状分布的（Fe，Cr）3C碳化物，含3％Al的堆焊层中主要有M7C3碳化物和黑色小块状氧化铝硬质相存在。

（2）未加铝粉的堆焊层磨损量为0.348 2 g，含

铝堆焊层的磨损量为0.236 4 g；堆焊层磨损形貌均呈凿槽或犁沟形态，加3％Al堆焊层的氧化铝硬质相硬度较高，镶嵌在基体组织中，可减少堆焊层的磨损，其犁削划痕比未加铝粉的浅而细小，耐磨性较好。

图1 堆焊层的显微组织及能谱图Fig.1Microstructure and EDS of surfacing alloys

图2 不同铝含量堆焊层的X射线衍射Fig.2XRD patterns of surfacing alloys

图3 堆焊层的磨损量Fig.3Wear loss of surfacing alloys

图4 堆焊层的磨损形貌Fig.4Worn morphology of surfacing alloys

[1]徐滨士.再制造工程与纳米表面工程[J].上海金属，2008，30（1）：1-7.

[2]刘政军，苏允海.M7C3的形态分布对铁基复合层耐磨性能的影响[J].焊接学报，2008，29（1）：65-72.

[3]单际国，张迪，任家烈.镍基合金粉末光束堆焊层的微观组织及强化机理[J].材料研究学报，2002，16（2）：151-157.

[4]余圣甫，张远钦.Al2O3陶瓷/不锈钢自蔓延高温原位合成连接[J].焊接学报，2004，25（2）：119-122.

[5]宋小波.Fe-Cr-Nb-B-C耐磨堆焊层性能的研究[D].北京：北京工业大学，2010.

[6]杨可，余圣甫，杨华.氮合金化堆焊硬面合金组织与耐高温磨损性能[J].焊接学报，2011，32（1）：5-8.

Influence of aluminum on the microstructures and wear resistance of high chromium alloy submerged arc surfacing layer

DENG Xiaojun，REN Yanyan，LI Xiaodong
（Department of Mechanical and Electrical Engineering，He′nan Institute of Vocational&Technology，Zhengzhou 450046，China）

The high chromium alloy surfacing layers containing aluminum and without aluminum were obtained using alloy powder combined with solid wire submerged arc welding method on the surface of Q235 steel.Influence of aluminum on the microstructures and wear resistance ofhigh chromium alloy surfacing layer were analyzed by scanning electron microscope，energy dispersive spectrometer and weartester.Theresultsshowthatthemicrostructureofsurfacingalloylayerswithoutaluminummainlyconsistof（Fe，Cr）3C，themicrostructure of surfacing alloy layers with 3％aluminum consist of M7C3and the little black block of alumina.The wear morphology of two kinds of surfacing layer is gouge or furrows form，and the wear-resistant skeleton is made up of carbide.High hardness of aluminum oxide can effectively reduce the micro abrasive cutting movement in surfacing alloy layers with 3％aluminum.The plough cut scratches of surfacing alloylayers is more shallowand small than without aluminumpowder and wear resistance is better than it.

submerged arc surfacing；high chromium alloy surfacing layer；Al；wear resistance

TG406

A

1001－2303（2016）09－0097-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.09.22

2016-08-02；

2016-08-16

河南省自然科学基金项目（152300410146）

邓小君（1964—），女，副教授，学士，主要从事焊接材料及工艺的研究工作。