氮合金化堆焊硬面合金的抗沖蝕磨損性能研究

楊 可，包曄峰

（河海大學 機電工程學院，江蘇 常州 213022）

在水力機械中，不銹鋼材料被廣泛應用于制造水輪機的葉片等水力設備動力裝置，這些水力裝置常受到水流泥沙的沖蝕，易受到嚴重磨蝕［1－3］。通過使用表面堆焊技術在磨損后的水力裝置部件表面熔敷一層硬面合金，可使這些磨損部件現場快速修復，并使其恢復甚至超過其原有抗磨損能力［4，5］。

目前硬面合金材料普遍采用碳合金化提高使用硬度，使基體中分布大量碳化物質點增強耐磨性能。但此類硬面合金材料具有：（1）碳當量高，抗焊接裂紋性能差；（2）碳化物易沿晶界呈網狀析出，耐蝕性能一般；（3）塑性較低，承受高應力易剝落等三方面明顯的缺點［6，7］。Lee K.Y.等研究結果表明［8，9］，增強或改善材料耐磨性的有效途徑是提供材料的表面硬度和強韌性，較為理想的組織結構為堅韌、連續的基體上均勻分布硬度高、穩定性好的質點。Hertzman S.等［10，11］研究認為氮與碳均為間隙溶質原子，并都能與鈮、鈦等合金元素形成彌散分布的第二相質點，并且氮對焊接性能影響較小，在焊接過程中不會出現裂紋。在堆焊硬面合金中以氮代替碳，可提高抗焊接熱裂性能；同時添加固氮合金元素形成碳氮化物粒子，通過細化晶粒和第二相質點彌散析出來增強硬面合金的強度和韌性［12，13］。因此，本工作在馬氏體不銹鋼硬面材料中以氮代替部分碳，通過鈮、釩、鈦固氮進行合金化，形成氮合金化堆焊馬氏體不銹鋼硬面合金，進行了小角度30°的抗沖蝕性能實驗，研究其抗沖蝕磨損機理，為水力機械抗沖蝕材料的開發和應用提供理論基礎。

1 實驗材料與方法

實驗材料有H08A鋼帶，低碳鉻鐵、錳鐵、硅鐵、鈮鐵及氮合金等合金粉。合金粉混合均勻，利用藥芯焊絲設備制備直徑為3.2mm的兩種埋弧硬面藥芯焊絲，其中一種焊絲有氮作為合金化元素，并采用鈮、鈦鐵合金固氮。用逆變自動焊機進行埋弧堆焊，配用焊劑為自制的馬氏體不銹鋼燒結焊劑，堿度為1.8～2.0。焊接工藝參數如下：焊接電壓為30～32V，焊接電流為400～450A，焊絲伸出長度為15～20mm，焊接速率為18～23m／h。在碳鋼鋼板上堆焊6層以上，保證堆焊層金屬厚度在15mm以上，堆焊層與母材結合良好，沒有出現裂紋等缺陷。在垂直于堆焊層表面分別制備3個尺寸為20mm×10mm×5mm試樣，之后將試樣進行550℃熱處理并保溫1h隨爐冷卻至300℃取出空冷，以便第二相析出和殘余奧氏體的轉變，進而獲得二次硬化的馬氏體組織。堆焊硬面合金試樣主要化學成分（質量分數／%）為S1：0.06～0.15C，11～14 Cr，1.2Nb，V，Ti，1.2～1.8Ni，0.3～0.6Mo，0.12 N，其余為Fe；S2：0.16～0.25C，11～14Cr，1.2～1.8 Ni，0.3～0.6Mo，其余為Fe。兩種堆焊硬面合金試樣均為馬氏體不銹鋼，其中S1試樣具有足量的N，沒有發生氣孔。

將試樣的沖蝕表面用砂紙打磨，沖蝕實驗在沖蝕磨蝕實驗機上進行，沖蝕粒子采用26～40目不規則多角形的石英砂，砂粒被水流加速沖蝕試樣表面，水流速度為2 5m／s，含砂量為5 0kg／m3，沖蝕試樣面積為20mm×10mm，為了考察沖蝕粒子對硬面合金沖擊與磨損的綜合作用，選擇低角度沖蝕角30°［1，14］，沖蝕時間為45min，其工作原理示意圖如圖1所示。試樣磨損試驗前后在精度為1mg的電子天平上稱重，磨損率為試樣磨損失重與沖蝕面積的比值。用洛氏硬度試驗機測量試樣的平均硬度。用光學顯微鏡和Quanta 200型掃描電鏡（SEM）觀測試樣顯微組織和表面磨損后的形貌。

圖1 沖蝕磨損示意圖Fig.1 Schematic diagram of erosion wear test

2 結果與討論

兩種堆焊硬面合金試樣經過沖蝕磨損，得到的S1的磨損率為0.21mg／mm2，S2試樣的磨損率為0.56 mg／mm2。兩種試樣的磨損率都小于0.6mg／mm2，其中S1試樣的沖蝕磨蝕率明顯小于S2，約為S2試樣的三分之一，表明S1試樣具有更優的抗沖蝕磨損性能。

堆焊硬面合金的顯微組織主要為板條馬氏體和第二相析出物，如圖2所示。其中S1試樣的顯微組織為板條馬氏體和大量的細小析出物，這些析出物為MX（M：Nb，V，Ti；X：C，N）復合碳氮化物，沿板條馬氏體基體和晶界彌散分布（圖2（a））［15］；S2試樣的顯微組織主要為沿晶界呈網狀分布的富Cr碳化物（圖2（b））。此外，S1試樣馬氏體束晶區明顯小于S2試樣，S1試樣晶區內馬氏體板條尺寸大小要比S2小。可見，通過堆焊硬面合金氮合金化，可起到明顯細化晶粒作用［16，17］。

圖2 試樣顯微組織形貌 （a）S1；（b）S2Fig.2 Microstructures of two samples （a）S1；（b）S2

測得試樣S1和S2的洛氏硬度值（HRC）分別為42.8和35.5，S1試樣的硬度值明顯高于S2試樣，表明氮合金化堆焊硬面合金具有更高的使用硬度。因此，氮合金化堆焊硬面合金中復合碳氮化物沿板條馬氏體基體和晶界彌散析出，能有效強化基體增強硬度。

兩種堆焊硬面合金試樣的磨損形貌如圖3所示，其磨損形貌為明顯的切削與犁溝剝落。其中S1試樣犁溝前方的塑性堆積呈現出明顯的圓弧狀，堆積物相對較多，而S2試樣則表現較為平直，堆積物較少，如圖3中箭頭所示。

圖3 試樣的磨損形貌 （a）S1；（b）S2Fig.3 Worn morphologies of two samples （a）S1；（b）S2

沖蝕磨損的水流沖擊角度為30°，高流速砂粒對堆焊硬面合金沖蝕面產生的沖擊運動，可分解為平行沖蝕面的切向運動和垂直沖蝕面的法向運動，砂粒的切向運動將產生“刀具”切削運動。當尖銳砂粒與沖蝕表面形成有利的切削角度時，產生微切削，切出一定數量的微體積材料，在堆焊硬面合金表面留下明顯的切削痕；而當砂粒不夠尖銳或即使尖銳但與沖蝕面不能形成有利于切削的角度時，不會對沖蝕面造成直接的切削，而在堆焊硬面合金表面形成犁溝，在沖擊速度方向的前方或兩側形成塑性堆積物。砂粒的法向運動使砂粒壓入沖蝕面，壓入點的材料被擠出并在后來粒子的不斷沖擊作用下剝落，從而加大沖蝕磨損質量損失。從圖3中可知，S1試樣犁溝前方的塑性堆積物明顯多余S2試樣，這表明S1試樣在沖蝕粒子的作用下能具有更好的強韌性，使得犁溝剝落質量損失更少，從而減少磨損質量損失進而降低磨損率。

已有的研究結果表明［14，18］，材料的耐磨性的不僅與硬度有關，而且與材料的組織有關。復合碳氮化物的彌散析出起到更好的強化效果，使得堆焊硬面合金形成具有板條馬氏體基體＋分布均勻碳氮化物硬質點的組織形態。圖4為磨損表面更大放大倍數的掃描電鏡照片，由于細小碳氮化物的彌散強化作用，S1試樣的硬度明顯高于S2試樣，使得切削粒子的壓入深度明顯降低，表現為窄淺塑性切削和犁溝痕；此時由于材料基體逐漸被去除、下凹，凸起的碳氮化物顆粒則承受沖蝕粒子的主要沖擊和切削，在隨后的沖擊下撞落下來，出現明顯的塊狀剝落，如圖4（a）中箭頭所示，而處在碳氮化物顆粒保護作用的基體材料遭受沖擊和切削的幾率變小、程度減輕，使得基體材料磨損大大減小，因而堆焊硬面合金的抗沖蝕性能得到提高。

圖4 試樣的磨損形貌 （a）S1；（b）S2Fig.4 Worn morphologies of two samples （a）S1；（b）S2

綜上所述，堆焊硬面合金的沖蝕磨損由切削和犁 溝剝落形成。氮合金化堆焊硬面合金中復合碳氮化物的彌散析出，起到明顯的細化晶粒和沉淀強化作用，使得板條馬氏體既具有較高的強度，又保持良好的韌性，既能增強抗高速含砂水流沖擊作用，同時又能有效抵御沖蝕粒子的高速切削，從而減少沖蝕磨損質量損失降低磨損率，提高堆焊硬面合金的抗沖蝕磨損性能。

3 結論

（1）堆焊硬面合金的沖蝕磨損由切削和犁溝剝落形成，其磨損機制主要為微切削。

（2）氮合金化堆焊硬面合金中析出物彌散分布，尺寸細小，起到了明顯的細化晶粒和沉淀強化作用，既能增強抗高速含砂水流沖擊作用，同時又能有效抵御沖蝕粒子的高速切削，從而減少沖蝕磨損質量損失降低磨損率，提高堆焊硬面合金的抗沖蝕磨損性能。

（3）氮合金化堆焊硬面合金的沖蝕磨損特征表現為沖蝕粒子沖擊后留下的切削、犁溝以及碳氮化物處造成的塊狀剝離。

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