0. 引言

熱作模具長(zhǎng)時(shí)間工作于高溫高壓環(huán)境,常會(huì)因磨損、開裂和腐蝕等原因而發(fā)生失效[1]。通過(guò)表面涂覆、表面改性和表面處理等表面工程技術(shù)在模具表面形成一層性能優(yōu)異的涂層或改性層,是一種經(jīng)濟(jì)有效的提升模具性能的方法[2]。熱作模具表面的涂層或改性層應(yīng)具有抗高溫磨損的能力。目前,國(guó)內(nèi)外主要有鐵基、鈷基和鎳基3大類高溫耐磨材料,其中鐵基材料的耐磨性能良好、價(jià)格低廉、適用范圍較廣。在鐵基合金材料中,碳與合金元素形成NbC、WC、TiC等碳化物,可細(xì)化晶粒、改善材料組織[3-4],并且NbC等硬質(zhì)相均勻分布在韌性較好的鐵基合金中,有利于提升鐵基涂層的硬度及高溫耐磨性能[5-6]。

埋弧堆焊是一種常用的表面強(qiáng)化技術(shù),通過(guò)在基材表面堆焊一層或多層合金熔覆層來(lái)改善基材表面性能[7-8]。埋弧堆焊制備的鐵基合金熔覆層能與基體實(shí)現(xiàn)良好的冶金結(jié)合,并且抗磨損能力較強(qiáng),在熱作模具表面修復(fù)和增強(qiáng)改性方面得到廣泛應(yīng)用[9-10]。艾孝文等[11]采用埋弧堆焊技術(shù)在Q235鋼板表面制備Fe-Cr-C-Nb-V系合金堆焊層,該堆焊層的組織由α-Fe和γ-Fe基體,以及MC、M7C3和M3C硬質(zhì)相等組成,組織致密,常溫耐磨性較好。

目前,針對(duì)鐵基合金熔覆層在800 ℃高溫下的耐磨性能研究較少。堆焊電流是埋弧堆焊關(guān)鍵工藝參數(shù)之一,對(duì)熔池溫度、冷卻速率、熔覆層組織等有著直接影響。作者采用自制的Fe-Cr-W-Nb藥芯焊絲,在Q235鋼基體表面堆焊熔覆層,研究了堆焊電流對(duì)熔覆層組織與硬度的影響,并研究了熔覆層在800 ℃高溫下的耐磨性能,擬為制備高溫耐磨熔覆層提供一定的理論依據(jù)。

1. 試樣制備與試驗(yàn)方法

自制Fe-Cr-W-Nb藥芯焊絲,外皮為430不銹鋼鋼帶,藥芯和鋼帶的化學(xué)成分見表1。藥粉過(guò)60目篩后干燥、混合均勻后裝入U(xiǎn)型不銹鋼鋼帶槽中,采用LZ6/560型藥芯焊絲成型機(jī)軋成直徑為4.4 mm的O型截面焊絲,經(jīng)拉拔處理依次減徑0.5 mm,直至直徑為2.4 mm。藥芯焊絲的粉末填充率約為45%。

Q235鋼基體試樣的尺寸為30 cm×20 cm×12 cm,堆焊前將其表面用角磨機(jī)磨平,去除表面油污以及氧化皮,直至露出金屬光澤。使用MZ1250型埋弧焊機(jī)在處理好的基體表面制備熔覆層,堆焊電流分別為350,400,450,500 A,堆焊電壓為37 V,堆焊速度為35 mm·min?1。

采用數(shù)控走絲線切割機(jī)床在堆焊試樣表層切割出尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣,對(duì)其截面進(jìn)行打磨拋光,用由質(zhì)量比為1∶10∶20的FeCl3、HCl、H2O組成的三氯化鐵溶液腐蝕15 s后,采用多功能ZEISS Axio plan2型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察截面顯微組織。采用X Pert PRO MPD型X射線衍射儀（XRD）分析熔覆層的物相組成,工作電壓為50 kV,工作電流為200 mA。采用Nova 400 Nano型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（FESEM）觀察熔覆層微觀形貌,用附帶的能譜儀（EDS）分析微區(qū)成分。采用HX-500型顯微硬度測(cè)試計(jì)測(cè)試熔覆層的截面顯微硬度,載荷為9.8 N,保載時(shí)間為10 s,沿深度方向每隔20 μm取點(diǎn)測(cè)試,相同深度測(cè)3個(gè)點(diǎn)取平均值。在堆焊試樣上切割出尺寸為?4.8 mm×18 mm的銷試樣,在淬火態(tài)GCr15鋼上切割出尺寸為?44 mm×5 mm的圓柱形底盤,在MUZ-10Z型高溫真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行銷盤摩擦磨損試驗(yàn),試驗(yàn)溫度為800 ℃,轉(zhuǎn)速為100 r·min?1,載荷為100 N,時(shí)間為120 min,測(cè)試3組,每組2個(gè)平行銷試樣。使用精度為0.000 1 g的電子天平稱取試樣磨損前后的質(zhì)量,計(jì)算磨損質(zhì)量損失。采用FESEM觀察磨損形貌。

2. 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相組成

由圖1可知,不同堆焊電流制備的熔覆層均存在Fe-Cr固溶體、M23C6、NbC以及少量M7C3、Fe3W3C等物相,M代表鐵、鉻等元素。Fe-Cr固溶體和M23C6相的衍射峰強(qiáng)度相對(duì)較高,說(shuō)明熔覆層主要由Fe-Cr固溶體和M23C6碳化物組成。

圖 1 不同堆焊電流制備熔覆層的XRD譜

Figure 1. XRD patterns of cladding layer prepared under different surfacing currents

2.2 顯微組織

由圖2可見,不同堆焊電流制備的熔覆層與基體結(jié)合界面處均未出現(xiàn)裂紋、孔洞等缺陷。當(dāng)堆焊電流為350 A時(shí),熔覆層與基體之間的熔合線附近存在大量白色長(zhǎng)條形區(qū)域（箭頭所指）,這是因?yàn)榈碗娏飨聼彷斎胄?熔覆層與鋼基體反應(yīng)不充分；隨著堆焊電流的增大,熱輸入逐漸提升,白色長(zhǎng)條形區(qū)域減少,當(dāng)堆焊電流為450 A時(shí),幾乎不存在白色長(zhǎng)條形區(qū)域,熔覆層與基體之間的熔合線清晰,說(shuō)明在此堆焊電流下熱輸入適中,熔覆層與鋼基體反應(yīng)充分；當(dāng)堆焊電流繼續(xù)增大至500 A時(shí),由于熱輸入較大,熔覆層與基體之間的熔合線較模糊,熔合線附近白色長(zhǎng)條形區(qū)域較少,說(shuō)明基體表面熔化量過(guò)多并與熔覆層混合,過(guò)會(huì)導(dǎo)致熔覆層中合金元素濃度的稀釋,影響熔覆層性能。

圖 2 不同堆焊電流制備熔覆層的OM形貌

Figure 2. OM morphology of cladding layer prepared under different surfacing currents

由圖3可知,從熔覆層向基體方向,鉻和鈮元素含量降低,鐵元素含量增加。這是因?yàn)樵诙押高^(guò)程中的高溫作用下,熔覆層中高含量的鉻和鈮等元素向鋼基體一側(cè)擴(kuò)散,鋼基體中的鐵元素向熔覆層擴(kuò)散,從而在熔合區(qū)形成具有元素濃度梯度變化的區(qū)域；鋼基體與熔覆層之間形成良好的冶金結(jié)合[12]。

圖 3 在堆焊電流450 A下制備熔覆層結(jié)合界面處的EDS線掃描位置及結(jié)果

Figure 3. EDS line scanning position (a) and results (b) at bonding interface of cladding layer prepared at surfacing current of 450 A

由圖4可見,不同堆焊電流下熔覆層中均出現(xiàn)了淺灰色塊狀顆粒、深灰色網(wǎng)狀相和灰色Fe-Cr固溶體基體相。結(jié)合表2和XRD分析可知：淺灰色塊狀顆粒中碳與鈮元素含量較高,且原子比接近于1∶1,推斷為NbC硬質(zhì)相；網(wǎng)狀相中鉻和鐵元素含量高,這2種元素與碳元素原子比約為23∶6,推斷為（Cr,Fe）23C6碳化物。鈮元素是強(qiáng)碳化物形成元素,在埋弧堆焊過(guò)程中和碳原子經(jīng)過(guò)原位反應(yīng)形成NbC硬質(zhì)相[13],對(duì)硬度與耐磨性的影響遠(yuǎn)大于鉻碳化合物[14]；（Cr,Fe）23C6網(wǎng)狀碳化物的硬度高,在具有韌性的Fe-Cr固溶體基體中起到支撐和強(qiáng)化作用,可作為抗磨損的“骨架”提升熔覆層的硬度和耐磨性[15-16]。

圖 4 不同堆焊電流制備熔覆層的FESEM形貌

Figure 4. FESEM morphology of cladding layer prepared under different surfacing currents