一種Fe-Cr-Si-B系合金噴焊層組織及性能

王 勇 ，吳 圣 ，杜 禾 ，張升霞 ，吳 斌 ，，謝 會

（1.徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004；2.上海卡耐新能源有限公司，上海201815；3.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004）

一種Fe-Cr-Si-B系合金噴焊層組織及性能

王 勇1，吳 圣2，杜 禾2，張升霞1，吳 斌2，3，謝 會3

（1.徐州徐工挖掘機(jī)械有限公司，江蘇 徐州 221004；2.上海卡耐新能源有限公司，上海201815；3.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇 徐州 221004）

針對抽油泵、水煤漿泵等產(chǎn)品在工作過程中常見的腐蝕+磨粒磨損問題，采用霧化法研制了一種Fe-Cr-Si-B系合金粉末。采用等離子弧噴焊方法分別制備噴焊耐磨層，并對合金粉末噴焊耐磨層進(jìn)行滲透探傷以及化學(xué)成分、顯微組織、硬度、耐磨性分析。結(jié)果表明，合金粉末的噴焊顯微組織均由Cr3Si硬質(zhì)相和A2基體韌性相組成，晶粒細(xì)小，抗裂性能優(yōu)越，硬度值為58.1HRC；耐磨性為0.428mg/100S，與Fe-36Cr-5C過共晶合金噴焊層耐磨性相當(dāng)。該Fe-Cr-B-Si系合金粉末適合于腐蝕環(huán)境下低應(yīng)力磨粒磨損工況的表面強(qiáng)化。

等離子弧噴焊；顯微組織；硬度；耐磨性

0 前言

抽油泵、水煤漿泵等產(chǎn)品在工作過程中除受到輸送介質(zhì)中顆粒的磨粒磨損外，還會因輸送介質(zhì)中含有腐蝕性介質(zhì)受到一定的腐蝕磨損。采用表面強(qiáng)化方式，提高抽油泵、水煤漿泵等產(chǎn)品的表面耐磨和耐蝕性，延長使用壽命，具有重要的經(jīng)濟(jì)價值[1-2]。

抽油泵、水煤漿泵等產(chǎn)品表面強(qiáng)化通常采用Ni基合金，主要是利用Ni基合金的高韌性和耐腐蝕性，在保證噴焊層不開裂的前提下對基體提供耐磨耐蝕保護(hù)，但Ni基合金較Fe基合金經(jīng)濟(jì)性差，使用受到一定限制。近年來Fe-Cr-Si系三元合金較受關(guān)注，Cr得到更合理運(yùn)用的同時，F(xiàn)e-Si系合金脆性方面得到改善，耐磨耐腐蝕性能也得到了提高[3]。利用Fe基合金替代Ni基合金，進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)適用性使其成為可能。

本研究針對抽油泵、水煤漿泵等的腐蝕+低應(yīng)力磨粒磨損工況，研制了Fe-Cr-Si-B系合金粉末，并測試分析其性能。在噴焊層不開裂、對基體具有一定的耐腐蝕性能的情況下，其耐磨性能與Fe-36Cr-5C合金噴焊層相當(dāng)。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 粉末制備

采用霧化法制備Fe-Cr-Si-B系合金粉末，制備過程如圖1所示。粉末完成制備后經(jīng)檢驗(yàn)粒度為53～150 μm，具有較好的流動性和松裝比重。

1.2 噴焊試驗(yàn)

試塊材質(zhì)為42CrMo，尺寸φ85mm×15 mm，噴焊前去除表面油污、鐵銹、氧化皮等污物，并用丙酮清洗以獲得潔凈表面。采用PTA-400E4-ST-4型等離子噴焊設(shè)備，采用制備的Fe-Cr-Si-B合金粉末及Fe-36Cr-5C合金粉末進(jìn)行試驗(yàn)，工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 等離子噴焊粉末制備Fig.1 Prepared plasma spray welding powder

表1 等離子噴焊工藝參數(shù)Table 1 Plasma spray welding parameters

1.3 試驗(yàn)方法

采用滲透探傷方式檢測制備試樣的表面裂紋。采用ARL-3460型電火花直讀光譜儀測試試樣的噴焊層成分。用于化學(xué)成分分析的平面距離熔合線約2 mm。

用線切割方法在制備的噴焊層上切取規(guī)格10mm×10 mm×15 mm的金相試樣，金相磨制面為噴焊層表面。經(jīng)粗磨、細(xì)磨、拋光后用FeCl3+HCl+酒精溶液腐蝕[4]，腐蝕時間10～20 s，用高純酒精清洗、吹干后在DMI1500型倒置式金相顯微鏡下觀察。

采用THRP-150D型數(shù)顯洛氏硬度計測試試樣的噴焊層表面硬度，洛氏硬度選用C標(biāo)尺，測試載荷150 kg，保荷時間5 s。噴焊層硬度測試面距離熔合線約2mm，每個試樣測定5個硬度值并取平均值。

采用MMW-1型銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測試噴焊層耐磨性。以噴焊層為試驗(yàn)銷、硬度23 HB的砂輪盤為試驗(yàn)盤，每種噴焊材料加工至少2個試驗(yàn)銷，摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)見表2，試驗(yàn)過程如圖2所示。

表2 摩擦磨損試驗(yàn)基本參數(shù)Table 2 Wear test parameter

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 滲透探傷

兩種合金粉末噴焊層表面滲透探傷試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3a可知，F(xiàn)e-Cr-B-Si系合金粉末表面無裂紋。由圖3b可知，F(xiàn)e-36Cr-5C過共晶合金噴焊層表面存在大量裂紋。

Fe-Cr-Si-B系合金噴焊層中含有大量的Cr元素且表面不存在裂紋，因此研制的Fe-Cr-B-Si系合金粉末在腐蝕環(huán)境下對基體有較好的保護(hù)作用。

圖2 銷盤磨損試驗(yàn)過程示意Fig.2 Schematic diagram of wear test

2.2 成分分析

兩種合金粉末噴焊層的化學(xué)成分如表3所示。兩種合金粉末的等離子噴焊層主要由C、Mn、Si、Ni、Cr、B及Fe等元素組成，并且Cr元素含量高。兩種合金粉末噴焊層成分的差別主要是 C、Si、Cr、B的含量不同。Fe-Cr-Si-B合金為降低噴焊層的開裂傾向，減少了C含量，同時為了保證材料的耐磨性能，增加了Si和B的含量，F(xiàn)e-Cr-Si-B合金中Si的含量比Fe-36Cr-5C合金高1倍，這是因?yàn)镕e-Cr-Si-B合金在制備時加入的硅鐵含量較大所致。

圖3 滲透探傷示意Fig.3 Prepared plasma spray welding powder

此外，兩種粉末中均添加了含量約1.5%的B元素，這是為了細(xì)化晶粒，有利于提高強(qiáng)度和塑性[5]。

表3 兩種合金粉末化學(xué)成分Table 3 Composition of two alloy powder %

2.3 組織分析

Fe-Cr-Si-B合金等離子噴焊層橫斷面的金相組織如圖4所示，組織外延生長更加明顯，樹枝晶明顯且含量較多。其中熔點(diǎn)最高也最穩(wěn)定的金屬硅化物Cr3Si優(yōu)先析出，并長成發(fā)達(dá)的樹枝晶，枝晶間的殘余液相中的Cr、Si逐漸貧化，最終凝固成多元化合物基體A2相。Cr3Si相是一種脆性相，但其具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、密度低、耐磨耐蝕及抗氧化等特點(diǎn)；而基體A2相韌性高，為延性相[6]。

圖4 Fe-Cr-Si-B合金噴焊層Fig.4 Phase diagram of Fe-Cr-Si-B alloy spray welding layers

Fe-36Cr-5C合金等離子噴焊層橫斷面的金相組織如圖5所示。該組織為典型的過共晶Fe-Cr-C合金金相，其中白色區(qū)域?yàn)榈湫偷腗7C3硬質(zhì)相[7]。

由圖5可知，F(xiàn)e-Cr-Si-B合金的組織更細(xì)密，硬質(zhì)相尺寸規(guī)格也更小。晶粒的細(xì)化有效地提高了強(qiáng)度和韌性，說明了Fe-Cr-Si-B合金噴焊層未開裂的原因。

2.4 硬度

兩種粉末噴焊層硬度如圖6所示。硬度均大于55HRC，F(xiàn)e-Cr-Si-B合金噴焊層的硬度低于Fe-36Cr-5C合金噴焊層的硬度。由組織分析可知，F(xiàn)e-36Cr-5C合金噴焊層中含有大量的M7C3硬質(zhì)相，且晶粒尺寸相對較大；而Fe-Cr-Si-B合金噴焊層中的Cr3Si硬質(zhì)相晶粒尺寸較小，是宏觀硬度較低的主要原因。

圖5 Fe-36Cr-5C合金噴焊層Fig.5 Phase diagram of Fe-36Cr-5C alloy spray welding layer

圖6 噴焊層硬度Fig.6 Hardness of spray welding layers

由于噴焊層硬度均高于55 HRC，對于42CrMo調(diào)質(zhì)處理的基體材料而言，能較好地提升耐磨性能。

2.5 耐磨性

噴焊層的磨損失重情況如表4所示。Fe-Cr-Si-B合金噴焊層的單位磨損失重為0.428 mg/100S，F(xiàn)e-36Cr-5C合金噴焊層的單位磨損失重為0.433mg/100S，基體材料42CrMo的單位磨損失重為5.147mg/100S。兩種噴焊層的耐磨性能相當(dāng)，約為42CrMo基體材料耐磨性的12倍，說明Fe-Cr-Si-B合金對于低應(yīng)力磨粒磨損工況具有較高的耐磨性能，可以較好的保護(hù)基體。

表4 噴焊層磨損失重情況Table 4 Loss mass of spray welding layers

3 結(jié)論

（1）Fe-Cr-Si-B合金的噴焊層中以Cr3Si相為硬質(zhì)相，A2相為韌性相。合金元素的細(xì)化晶粒作用使得晶粒尺寸細(xì)小，增加噴焊層的強(qiáng)度和韌性，大大降低開裂傾向。

（2）Fe-Cr-Si-B合金的噴焊層宏觀硬度較Fe-36Cr-5C過共晶合金噴焊層宏觀硬度低，主要原因是Cr3Si硬質(zhì)相晶粒尺寸較M7C3硬質(zhì)相小所致。

（3）在低應(yīng)力磨粒磨損工況下，F(xiàn)e-Cr-Si-B合金的噴焊層耐磨性與Fe-36Cr-5C合金噴焊層的耐磨性相當(dāng)，約為42CrMo基體材料耐磨性的12倍。

（4）Fe-Cr-Si-B合金中含有大量的Cr元素，具有一定的耐腐蝕性，因此Fe-Cr-Si-B合金的噴焊層適用于腐蝕環(huán)境中低應(yīng)力磨粒磨損工況，可以延長產(chǎn)品的使用壽命。

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Microstructure and properties of Fe-Cr-Si-B alloy spray welding layer

WANG Yong1，WU Sheng2，DU He2，ZHANG Shengxia1，WU Bin2，3，XIE Hui3

（1.Excavating Machinery Co.，Ltd.，XCMG，Xuzhou 221004，China；2.Shanghai CENAT New Energy Company Limited，Shanghai 201815，China；3.Jiangsu Xuzhou Construction Machinery Research Institute，Xuzhou 221004，China）

Corrosion and wear down was the main problem when oil well pump and coal water slurry pump was working.The method of atomization was used to develop one kind of Fe-Cr-Si-B alloy powders.A plasma spray welding technology was used to prepare wearresisting overlays，and Dye-penetrant test，chemical components，microstructure，hardness and wear resistance were evaluated and compared to the welding overlays.The results show that the microstructure of the spray welding layers are consisted of Cr3Si and A2，the grain is wee，toughness is well，and the hardness is 58.1 HRC，the loss mass of spray welding layers is 0.428 mg/100S.Compare with spray welding layers of Fe-36Cr-5C，the loss mass don't have dissimilarity.The kind of Fe-Cr-Si-B is suitable for the surface strengthening in the condition of corrosion and abrasive wear.

plasma spray welding；microstructure；hardness；resistance

TG456.2

A

1001-2303（2017）10-0119-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.10.26

本文參考文獻(xiàn)引用格式：王勇，吳圣，杜禾，等.一種Fe-Cr-Si-B系合金噴焊層組織及性能[J].電焊機(jī)，2017，47（10）：119-122.

2017-06-21

王 勇（1982—），男，工程師，碩士，主要從事大型挖掘機(jī)械總體設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析及焊接技術(shù)研究工作。E-mail：80138797@qq.com。