稀土元素Y对铁基耐磨堆焊层组织和性能的影响

刘治宇，冯宇轩，刘政军，刘 峥，王振宇

1.沈阳市市场监管事务服务中心（沈阳市检验检测中心） 沈阳计量测试院，辽宁 沈阳 110027

2.沈阳工业大学 材料科学与工程学院，辽宁 沈阳 110870

0 前言

在制造业发展飞速的时代，工业生产对材料耐磨性能的要求越来越严格，开发新型耐磨材料势在必行［1-3］。Fe-Cr-C-B 系合金作为高铬铸铁基本合金体系，因其广泛的应用范围和良好的力学性能得到学者们的广泛关注［4-8］。一些学者［9-12］将各种合金元素加入此合金体系中，使堆焊层组织中大量地产生原位生成的合金碳化物，形成了复杂共晶化合物和金属间化合物等，同时还使硬质相尺寸和分布形态发生良性转变，从而显著提高堆焊层的耐磨性能，但同时也产生了B元素带来的硬质相脱落问题。近年来，中外许多研究人员［13-15］发现，在堆焊层中添加稀土元素能够使材料的性能发生良性转变，优化合金组织，细化焊料基体中的金属间化合物尺寸，从而大幅提升硬度及耐磨性。但目前中外学者对Y元素对堆焊层组织性能的影响研究较少。

本文采用Q235 钢作为母材，在Fe-Cr-C-B 合金系中加入稀土元素Y制备药芯焊丝，采用熔化极气体保护焊技术制备耐磨堆焊合金。研究稀土元素Y 的添加对堆焊层耐磨性能产生影响的机理及规律，并确定其堆焊层最佳性能时的Y 元素含量。研究结果对于延长材料的服役时间、提高材料性能、扩大材料适用范围具有正面作用，同时对基础研究和工程化应用具有一定意义。

1 试验材料及方法

1.1 堆焊合金制备

首先制备不同Y 元素含量（0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6%、2.0%）的Fe-Cr-C-B-Y合金粉末，因为药粉极易吸收水分而产生气孔、裂纹等缺陷，所以需要将其放入烘干炉，150 ℃烘干保温1 h，随炉冷却后，称重并混合均匀待用。选用连轧法制备药芯焊丝，将制成的金属粉末放入清洗干净的H08A 钢带，药粉填充率为35%，钢带成分见表1，经过多次辊压拉拔，将填有药粉的U 型钢带接口逐级封闭，最终形成直径2.4 mm全封闭O型截面药芯焊丝。

表1 H08A化学成分（质量分数，%）Table 1 Chemical composition of H08A （wt.%）

试验采用尺寸为180 mm×150 mm×20 mm 的Q235低碳钢板作为母材，因其广泛的应用范围而具有代表性和研究价值。母材在进行堆焊前应采用机械打磨去除氧化皮，并用无水乙醇清洗，采用熔化极气体保护焊，将药芯焊丝堆焊到母材表面，工艺参数见表2。

表2 堆焊工艺参数Table 2 Surfacing parameters

1.2 试验方法

采用线切割的方法从堆焊合金上切取尺寸为10 mm×10 mm×10 mm的金相试样。使用200～2 000目砂纸，依次递增打磨使试样表面光滑平整。使用3.5 粒径的水溶性金刚石研磨膏对完成细磨的试件在抛光机上进行抛光，直至在100 倍显微镜下无明显划痕，抛光结束后使用无水乙醇清洗。使用4%的硝酸酒精溶液腐蚀试件，直至表面变成银灰色停止腐蚀。腐蚀完成后再次使用无水乙醇清洗。

采用XRD-7000 X射线衍射仪分析堆焊层的物相组成，具体参数为：纯Cu 靶材，管电压40 kV，电流30 mA，步长4 degree/min，扫描范围20º～100º。采用配备能谱仪的S-3400N 扫描电子显微镜观察堆焊层及磨损后试样的微观组织形貌，放大倍数为1 000倍。使用HR-150A洛氏硬度计对堆焊层进行宏观硬度测试，载荷15 kg，加载时间10～15 s。采用MLS-23 型湿砂橡胶轮式磨损测试机进行磨损测试，冲击角30 ℃，石英砂250 μm，砂浆浓度70%，转速240 r/min，试验时间5 min，磨损试件尺寸56 mm×27 mm×10 mm，采用BL410F 电子天平（1 mg）对试样磨损前后质量进行对比计算磨损量。

2 结果与分析

2.1 Y元素对相结构的影响

堆焊试样X 射线衍射图谱如图1 所示，Y 元素含量的添加并没有改变堆焊合金的物相种类，但各相比例发生了变化。在衍射图谱中，通过对比标准PDF 卡片可以看出，奥氏体、铁素体、M7（C，B）3、M2B具有最高的衍射峰，说明它们是构成堆焊层组织的主要相，M 代表Fe、Cr 元素。其中奥氏体衍射峰强度最大，说明其为堆焊层基体，同时堆焊层中C、B原子固溶到碳化物中，形成了复合的硼碳化合物作为硬质相，如M7（C，B）3、M2B 等。未加入Y 元素的Fe-Cr-C-B 堆焊层XRD 图谱中，碳硼化物的衍射峰比较多，情况比较复杂，而加入Y元素后，衍射峰强度有所增加，面积略有降低，碳硼化合物的衍射峰稍有简化，说明组织晶粒进一步细化，同时Y元素的添加促进了碳硼化合物在晶界处生成。

图1 Fe-Cr-C-B-Y堆焊层X射线衍射图谱Fig.1 X-ray diffraction pattern of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

2.2 Y元素对显微组织的影响

不同Y 含量的Fe-Cr-C-B-Y 堆焊层扫描电子显微镜组织如图2所示。堆焊层组织呈典型的枝晶结构，与未添加Y元素时相比，Y元素的添加使晶粒尺寸明显减小，同时使硬质相分布更为均匀，致使堆焊合金的耐磨性显著提高。这是因为Y 元素具有较高的表面活性，可以作为形核核心，促进晶粒形核，同时析出相起到钉扎原奥氏体晶界的作用，阻碍晶界迁移。随着Y元素含量的增加，由碳硼化物硬质相构成的共晶组织逐渐增多，且从连续层片状向多边形转变，但在添加量达到1.6%以后不再发生明显变化。

图2 Fe-Cr-C-B-Y堆焊层扫描电子显微组织Fig.2 Scanning electron microstructure of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

为进一步明确堆焊层各相的结构类型，对Y含量为1.6%的试样取四点进行成分分析，取点位置及能谱图像如图3所示，结果如表3所示。可以看出A点各元素成分中Fe 占据绝大部分，还有少部分Cr、C、B固溶到其中，可以确定A点各元素成分中（Fe+Cr）∶（C+B）=7∶3，该多边形组织是M7（C，B）3；B 点是奥氏体基体；C点各元素成分中（Fe+Cr）∶B=2∶1，可以确定该菊花形状组织是M2B；而黑色区域D 被灰色碳硼化合物包裹着，说明添加的Y2O3可能作为初生M7（C，B）3碳硼化合物的异质形核核心。

图3 1.6%Y的堆焊层能谱分析Fig.3 Energy spectrum analysis of 1.6% Y surfacing layer

表3 1.6%Y的堆焊层EDS分析（原子分数，%）Table 3 EDS analysis of 1.6% Y surfacing layer （at.%）

从堆焊层性能的角度分析，因为共晶碳硼化物呈连续网状形态分布，所以硬度低，对基体还有割裂作用。但若基体组织与共晶硬质相在数量和分布形态等方面有良好配合，即在基体组织中固溶一定量的C、Cr和B原子时，可以起到第二相强化的作用，能够在提高硬度的同时，保持良好的韧性，使之与周围的共晶硬质相通过互相作用共同抵抗磨粒的磨削，则能大幅度提高堆焊层的硬度与耐磨性。而Y 元素的添加进一步使Fe-Cr-C-B 堆焊合金的组织细化，改善了原合金共晶硬质相过多而易脱离基体组织的保护、在磨损过程中成块脱落，导致耐磨性下降的缺点。

2.3 Y元素对硬度和耐磨性的影响

为进一步明确Y 元素对堆焊层性能的影响，对堆焊层进行硬度及耐磨性测试。应用洛氏硬度计对Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金进行取点测量，所得硬度值如表4所示，平均硬度值最小值为57.3 HRC，最大值为67.5 HRC。添加Y 元素的堆焊层硬度显著高于未添加Y元素的硬度，可见添加Y元素后，堆焊合金的硬度明显提高。

表4 Fe-Cr-C-B-Y堆焊层洛氏硬度值Table 4 Rockwell hardness of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

Fe-Cr-C-B-Y 堆焊层平均硬度与磨损失重对比曲线如图4所示，随着Y添加量的增加，堆焊层平均硬度先增加后减小，而磨损量出现与之相反的趋势。在Y 添加量为1.6%时，平均硬度为67.5 HRC，磨损量达到最小值0.864 g。此后，随着Y的继续添加，平均硬度出现下降趋势，磨损量逐渐上升。结果表明，适量Y的添加对提高堆焊层的耐磨性有显著效果，但添加过量Y则会导致耐磨性下降。

图4 Fe-Cr-C-B-Y堆焊层平均硬度与磨损失重对比曲线Fig.4 Comparison curve of average hardness and wear loss of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金的扫描电镜磨损形貌如图5所示，其变化规律基本与磨损曲线一致，可以看出其中有着明显的犁沟，两侧有塑性变形产生的隆起，说明其磨损机制主要为磨粒磨损。随着Y含量的增加，犁沟逐渐变浅，数量逐渐减少，其中Y含量为1.6%时，Fe-Cr-C-B-Y堆焊层的犁沟最浅、数量最少，最为平整，且没有磨损剥落，故磨损量也最小，而当Y含量再增加时，犁沟又加深、增多。

图5 Fe-Cr-C-B-Y堆焊层磨损形貌Fig.5 Wear morphology of Fe-Cr-C-B-Y surfacing layer

当Y 元素添加量较小时，析出的第二相碳硼化合物具有较高的硬度值，阻碍了位错的运动，从而使堆焊层硬度值提高。而且Y 元素的添加还可以增加堆焊层的晶界数量，细化晶粒尺寸。因此在Y元素添加量较少时，由于第二相强化和细晶强化的作用，可以大大地稳定堆焊层的性能，提升堆焊层的硬度，同时有效改善硬质相脱落引起的耐磨性下降问题。但是当其添加量过大时，硬质相碳硼化物将发生球化，使堆焊合金硬度降低，进而导致其耐磨性降低。综上所述，可以看出Y元素的添加应适量，在1.6%时性能最佳。

3 结论

（1）对于Fe-Cr-C-B-Y 堆焊合金而言，Y 元素的添加并没有使堆焊层的物相种类发生改变，组织依然由奥氏体（γ-Fe）、铁素体（α-Fe）、M7（C，B）3、M2B相组成。

（2）Y2O3可作为M7（C，B）3碳硼化合物的异质形核核心，随着Y 含量的增加，堆焊层组织中碳硼化物形状结构、尺寸数量都发生变化，其由板条状转变为多边形结构，对组织的细化效果显著提升。

（3）随着Y 含量的增加，硬度呈现先增加后减小的趋势，磨损量先减小后增加，当Y 添加量为1.6%时，基体相与共晶组织匹配最佳，耐磨性最好。