Nb和N对Fe-Cr13-C堆焊层金属耐磨性能的影响

冒志伟 杨可 李嘉琪 徐亮 王秋雨 包晔峰

摘要：在Fe-Cr13-C耐磨堆焊焊条药皮中加入Nb和N进行合金化并进行堆焊试验。采用光学显微镜、扫描电镜观察堆焊层金属的显微组织;利用滑动摩擦磨损试验机测试堆焊层金属的耐磨性能，研究Nb和N对Fe-Cr13-C堆焊层金属耐磨性能的影响。结果表明：堆焊层金属中铌和氮的加入能细化马氏体，并且使析出相分布更未均匀，具有明显的细晶强化和析出强化作用，硬度提高约25%;使摩擦磨损磨痕最大深度减小约72%，平均磨痕截面积减小约81%，耐磨性能得到显著提高。

关键词：合金化;堆焊;显微组织;耐磨性

中图分类号：TG422.1 文献标志码：A 文章编号：1001-2303（2020）08-0031-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.08.06

0 前言

在工业环境中，材料的失效行为很大程度上是磨损所导致的，如机械设备的运动部件在接触运转时会产生相对运动，导致摩擦磨损，这将直接影响设备使用寿命[1]。近年来，随着产业技术的革新，许多机械设备需要进行转型升级，以面对更为严苛的工作环境[2]。因此，研究高耐磨性材料具有重要意义。

堆焊技术是一种材料表面改性技术，通过冶金反应在堆焊层与母材之间形成高强度接头，不仅可以使母材获得高耐磨性表面，还能快速修复表面遭到破坏的机械零部件[3]。因此，在水利机械、矿山机械、汽车制造、模具修复等行业领域得到了广泛应用[4-6]。

已有学者尝试通过添加合金元素进一步提高堆焊层金属耐磨性能。Wang[7]等人研究发现，在高铬硬面合金中添加N元素可以细化（Fe，Cr）7C3初生相，不仅能提高材料的冲击吸收能，还能改善材料的耐磨性。王智慧[8]等人在Fe-Cr-C硬面合金中加入NbC发现，NbC可以增强合金中耐磨骨架的支撑作用，显著提高耐磨性。

因此，文中在Fe-Cr13-C合金中加入N，并通过Nb的固氮作用形成合金化Fe-Cr13-C堆焊层金属，进行往复式滑动摩擦磨损实验，研究铌和氮对其耐磨性能的影响，为耐磨材料的开发和应用提供理論依据。

1 实验材料和方法

1.1 实验材料

实验采用1Cr13不锈钢碱性焊条（φ4 mm）。焊条药皮中大理石、萤石、钾长石、锆英砂等可以调整焊缝的脱渣性、飞溅率、熔敷效率和成型性;稀土硅、锰铁、钼铁等使焊缝金属充分脱氧以提高焊缝质量。为满足合金化要求，在药皮中加适量铌铁和氮化铬。

1.2 实验方法

采用ZX7-400 型电焊机将制备的焊条分别在母材上进行电弧堆焊以得到堆焊层金属。焊接工艺参数为：直流反接;焊接电流130～150 A;电弧电压27～32 V;焊接速度15～20 m/h。将未加入铌和氮的堆焊层金属试样记为1#，加入铌和氮的堆焊层金属试样记为2#。利用金相切割机在垂直于堆焊层表面上切取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的金相试样和20 mm×10 mm×10 mm磨损实验试样，将试样表面用砂纸打磨并进行机械抛光。金相试样用CuSO4-HCl溶液（4 g CuSO4+20 mL HCl+25 mL水）腐蚀。采用滑动摩擦磨损试验机分别对两组试样进行滑动摩擦磨损测试，摩擦磨损实验参数为：对磨材料为直径6 mm的ZrO2;施加载荷为10 N;滑动摩擦次数为12 000次;滑动摩擦距离为240 000 mm。采用XJG-05型卧式金相显微镜观察试样金相组织形貌;采用HR-150DT型数显洛氏硬度计测量试样室温下的硬度;采用S3400N 型扫描电子显微镜观察试样显微组织和磨损形貌。

2 实验结果

2.1 堆焊层金属显微组织

1#和2#堆焊层金属试样的金相显微组织如图1所示。可以看出，两种堆焊层金属试样的显微组织都由板条马氏体、少量残余奥氏体和颗粒状析出相组成。

两组试样堆焊层金属的SEM照片如图2所示。可以看出，相比1#试样，2#试样中的马氏体板条尺寸明显减小;1#试样中析出相数量少且尺寸大，2#试样中析出相数量多且尺寸小，在基体上分布更为均匀。

对比两组试样的显微组织可以发现，铌和氮的加入使得堆焊层金属中的马氏体板条发生细化。这是因为在金属冷却凝固过程中，在温度较高阶段会析出含铌的碳、氮化物，根据经典形核理论，先析出的颗粒可以作为奥氏体晶粒异质形核的质点。异质形核有利于增加奥氏体晶粒数量，减小尺寸。随着温度继续降低，奥氏体晶粒发生切变生成马氏体，由于奥氏体晶粒减小，生成的马氏体晶粒也相应减小。因此，堆焊层金属中铌和氮可以起到细化晶粒的作用。

2.2 堆焊层金属硬度

在两组试样上选取5个点测量硬度值，结果如图3所示。经计算得出1#试样的平均洛氏硬度值为38.5，2#试样的平均洛氏硬度值为48.1，2#试样的硬度比1#试样提高约25%。此外，1#试样硬度值的标准差为1.91 HRC，2#试样的硬度值标准差为0.62 HRC，这表明2#试样各处硬度值的差异较小，组织更为均匀。

2.3 堆焊层金属磨损形貌

1#试样堆焊层金属磨损形貌如图4a所示，磨痕表面有大片的剥落坑，磨损机理主要是疲劳磨损，试样表面磨损程度较为严重。2#试样堆焊层金属磨损形貌如图4b所示，磨痕表面有较浅的犁沟，磨损机理主要是磨粒磨损。在磨损过程中析出相会从基体剥落。由于2#试样中析出相数量较多，磨粒磨损明显，因而在磨痕表面主要以犁沟形貌为主，试样表面磨损程度较轻。

使用Nanovea 3D表面扫描仪对两组试样的磨痕进行扫描分析，整理所得数据如图5所示。可以看到，1#试样磨痕最大深度为18.2 μm，平均磨痕截面积为8 090 μm2;2#试样磨痕最大深度为5.09 μm，平均磨痕截面积为1 509 μm2。两者相比，2#试样磨痕最大深度减小约72%，平均磨痕截面积减小约81%。显然2#试样的磨损量明显远远小于1#试样。因此，试样2#的耐磨性明显优于1#试样。

3 讨论

从滑动摩擦磨损实验结果来看，铌和氮的加入显著提高了Fe-Cr13-C堆焊层金属的耐磨性。

堆焊层金属在交变应力反复作用下会出现严重塑性变形，使得材料局部强度降低。在最大剪切应力处裂纹开始萌生，随着变形程度的加深，裂纹会沿着最大剪切应力扩展到表面引起材料表面损伤，并且在滑动摩擦过程中，基体和析出相的结合界面处不断产生塑性变形积累，并引起应力集中。当应力超过二者的临界结合强度时，析出相会从基体脱落，使得基体失去析出相的保护作用，加剧材料的磨损。滑动摩擦磨损是一种切入式磨损，提高材料硬度可以显著提高其耐磨性。由于2#试样中析出相在马氏体基体上分布更为均匀，具有良好的析出强化效果;且2#试样中马氏体晶粒发生细化，有细晶强化的效果;所以，在堆焊层金属中添加铌和氮可以明显提高材料硬度。在摩擦磨损过程中，磨球在高硬度的材料表面压入深度、接触面积以及材料的磨损体积均会减小。因而堆焊层金属的磨损量很小。

堆焊层金属的磨痕上存在被磨屑填实的犁沟，呈现连续的长条状的堆积带。部分断裂的析出相在受到垂直方向压力后会嵌入磨屑堆积带中，减小对基体的磨损作用，在某种程度上磨屑堆积块可以起到保护基体的作用。

此外，根据上文的分析，铌和氮的加入可以产生细化晶粒的效果。细化的晶粒受到外力作用发生塑性变形时塑性变形较均匀，应力集中较小。此外，晶粒越细，晶界面积越大，晶界越曲折，越有利于阻止裂纹扩展。因此，铌和氮的加入使Fe-Cr13-C堆焊层金属表现出良好的耐磨性。

4 结论

（1）加入鈮和氮，Fe-Cr13-C堆焊层金属的显微组织由板条马氏体、残余奥氏体和大量细小弥散分布的析出相组成。铌和氮的加入增加了析出相数量，并使堆焊层金属中的马氏体发生细化。

（2）铌和氮的加入显著提高了Fe-Cr13-C堆焊层金属的硬度和耐磨性，其中硬度提高约25%，磨痕最大深度减小约72%，磨痕面积减小约81%。

（3）加入铌和氮后，Fe-Cr13-C堆焊层金属的磨损机制主要为磨粒磨损，磨损形貌主要为犁沟，磨损程度相对较轻。

参考文献：

[1] 杨可，谢翔，包晔峰，等. 铌钛碳氮析出物对硬面合金耐高温磨损行为的影响[J]. 摩擦学学报，2010，30（4）：333-337.

[2] 禹润缜，刘胜新，王朋旭，等. Fe-Cr-C系硬面合金及其硬质相的研究进展[J]. 材料导报，2018，32（21）：106-114.

[3] 范振，王国平. 氮合金化堆焊材料的研究现状及应用[J].电焊机，2013，43（7）：111-115.

[4] 黄飞，何鹏瞧，陈汉林，等. 明弧堆焊Fe-Cr-C-N-Nb耐磨合金的组织及性能研究[J]. 稀有金属与硬质合金，2017，45（1）：36-39.

[5] 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）： 77-82.

[6] 卢静，李勇，欧阳航，等. 我国堆焊复合技术的应用与发展[J]. 世界有色金属，2018（10）：195-197.

[7] Wang J B，Liu T T，Zhou Y F. Effect of nitrogen alloying on the microstructure and abrasive impact wear resistance of Fe-Cr-C-Ti-Nb hardfacing alloy[J]. Surface & Coating Technology，2017，309（15）：75-78.

[8] 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.

收稿日期：2020-01-15;修回日期：2020-03-29

基金项目：国家重点研发计划资助项目（2017YFE0100100）;国家自然科学基金（51101050）;南通市基础科学研究项目（JC2019063）;河海大学大学生创新创业训练计划项目（2020102941530）

作者简介：冒志伟（1996— ），男，在读硕士，主要从事表面堆焊方面的研究工作。E-mail：away_mao@163.com。