Fe-Cr-C系堆焊耐磨材料的研究现状与展望

介绍了Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金的主要用途,综述了近年来的研究成果以及将来的发展方向。分析表明,初生M7C3垂直于堆焊层表面、多元合金的强化、硬质相呈弥散分布并与基体组织良好的强韧性匹配、不同磨损工况条件堆焊层强韧关系的合理选择能使耐磨效果达到最佳。特殊工况的Fe-Cr-C系堆焊材料的开发及其特种堆焊技术将成为未来研究的新趋势。

B对碳弧焊Fe-Cr-C系耐磨合金的组织和耐磨性影响

采用碳弧焊的方法,通过在较高范围内（0.4%-2.5%）调节Fe-Cr-C系耐磨堆焊合金粉块中B的含量,探讨B对组织和耐磨性能的影响。结果表明,添加B使得初生碳化物明显细化,数量明显增多,分布也趋于均匀,细小的共晶碳化物增多,并产生硬质相B4C。实验中4种合金粉块均与基体（Q235）有良好的冶金结合。B的质量分数在0.4%-2.5%范围内随着含量的升高,堆焊层的硬度和耐磨性呈上升趋势。当B的质量分数为2.5%时,其硬度达到64.7HRC,磨损质量损失仅为1.1 mg。

Fe-Cr-C系硬面合金及其硬质相的研究进展

针对工件表面的磨损破坏,常通过熔覆、喷涂等手段,在失效位置得到高耐磨性的硬面合金层来进行修复强化。该方法不仅经济方便,还可有效提高工件服役寿命。在表面修复工艺中,硬面层的成分选用极为重要。Fe-Cr-C系硬面合金即一类典型的Fe基表面修复材料,目前正广泛应用于各类工矿耐磨部件的表面修复及强化中,与其他成分的硬面合金相比,它具有几大显著优势:(1)成本低廉;(2)强度、韧度、耐磨性优异且较平衡;(3)性能可调节范围广,能满足于多种磨损工况的修复强化。传统的Fe-Cr-C系硬面合金主要依靠其凝固时产生的M_3C、M_(23)C_6、M_7C_3、高碳马氏体等几种高硬度物相来获得一定的耐磨性。然而在实际磨损工况中,通常会出现硬度更高的SiC、Al_2O_3等磨料,且近年来,随着各种高新技术的竞相出现,大量机械设备规格的转型升级成为大势所趋,这使得各类耐磨部件需要满足于更为苛刻的服役条件。因此,Fe-Cr-C系硬面合金的耐磨性有待进一步改善。针对这一问题,目前国内外的研究焦点多集中于合金微观组织调控,尤其是硬质相的引入及其尺寸形态改善等,且取得了一系列可观的成果。在硬质相引入方面,探索出各有优缺点的两种引入手段——原位合成法与外界加入法。其中,原位合成法一方面可在熔池反应中得到高热力学稳定性的陶瓷硬质相,另一方面也可在一定程度上强化合金组织。然而,由于熔池高温停留时间短,某些高熔点硬质相生成效率较低。虽外界加入法可有效解决这一问题,但是也需注意硬质相溶解烧损、硬质相与基体界面稳定性差等现象;在硬质相形态控制方面,不少学者探索出合金成分、熔覆制备工艺对硬质相含量、尺寸形态、生长方向的影响。对于合金成分,调整Cr和C的质量比(以下均简称为Cr/C值)或增加C含量可提高碳化物的体积分数,适量合金元素的添加也可通过异质形核作用细化硬质相;在熔覆工艺方面,提高焊后冷却速率可抑制合金凝固初期C原子的扩散,使初生M_7C_3碳化物呈细小及高密度形态,控制焊后热梯度方向也可使M_7C_3垂直于堆焊面生长。此外,在焊接熔池中适当引入磁场也可诱导液态金属的一次枝晶臂分离,增加碳化物的形核质点,从而起到细化组织的作用。基于近年来的最新研究成果,本文归纳了Fe-Cr-C系硬面合金中硬质相调控的研究进展。首先介绍了合金的凝固行为与组织结构,然后着重综述了硬质相的引入方式、形态控制手段,最后对Fe-Cr-C系硬面合金未来可能的发展趋势提出见解,并围绕硬质相拟定了潜在的研究方向,以期为进一步改善Fe-Cr-C系硬面合金的耐磨性提供参考。

Fe-Cr-C系及Fe-Cr-C-Ni系合金的磁性

研究了Fe-17.5TCr-0.5％C及Fe-17.5％Cr-0.5％C-Z％Ni(Z=1-2.4)合金的组织和磁性。在低于A_3温度退火后Fe-17.5％Cr-0.5％C合金由铁磁性的α相和M_(23)C_6相组成,合金具有高的比磁导率,好的软磁性。另一方面,当合金固溶处理后,导致有低的比磁导率的顺磁性的γ相组成。合金的比磁导率随温度降低而增加,这是由于γ相转变成磁性的α′相。在Fe-17.5Cr-0.5C合金中添加Ni降低了转变温度M_S,使顺磁性的γ相稳定化。退火Fe-17.5％Cr-0.5C％-Z％Ni合金也会导致形成铁磁性α相和M_(23)C_6相,具有软磁性,但这种软磁性稍低于Fe-17.5Cr-0.5C合金,主要是因为Fe-17.5Cr-0.5C-ZNi合金的晶粒尺寸较小。业已发现Fe-17.5Cr-0.5C-ZNi合金的软磁性能很大程度上取决于合金的残余应力。对该合金进行适合退火后,其软磁性能优于商业用Fe-18％Cr-8％Ni合金。

Fe-Cr-C-B-Nb堆焊合金的制备及耐磨耐蚀性能研究

为了进一步提高Fe-Cr-C系堆焊合金的耐磨耐蚀性能,采用焊条电弧焊的方式,通过向焊条药皮中加入高碳铬铁、碳化硼和铌铁等粉末制备Fe-Cr-C-B-Nb堆焊合金层,采用光学显微镜、洛氏硬度计、磨料磨损试验和电化学腐蚀试验等分析测试方法,对堆焊合金层的组织结构、耐磨损性能和耐腐蚀性能进行探究。结果表明:堆焊合金层的显微组织主要由马氏体和M_(3)(C,B)+Fe共晶组织组成,堆焊合金层洛氏硬度值最高可达66.5HRC;磨粒磨损试验结果显示,堆焊层磨损失质量为0.055 g,仅为Q235钢基体的26.8%;在w(NaCl)3.5%溶液中,堆焊层相较于基体的腐蚀电流密度降低了1.59×10^(-7) A/cm^(2),极化电阻值提高1个数量级,具有良好的耐腐蚀性能。

Fe-Cr-C系相图中M_7C_3体积分数的计算

根据相图和杠杆定律 ,用解析方法计算了 Fe-Cr-C系铸造合金 M7C3 碳化物体积分数 (φ) ,给出了定量描述 ,并以 C,Cr为变量用解析法计算 .与 1 0种不同成分奥氏体基铸造合金实验数据比较 ,解析计算与实验结果相吻合 .该计算方法比经验公式有更精确和更普遍的意义 .