W对Fe-Cr-C-W-B系堆焊合金组织和性能的影响

邹宗轩; 刘政军; 韩旭

doi:10.12073/j.hjxb.20210208001

W对Fe-Cr-C-W-B系堆焊合金组织和性能的影响

沈阳工业大学，沈阳，110870

详细信息

作者简介:
邹宗轩，硕士；主要从事焊接性方面的研究；Email：15942492610@163.com

通讯作者:
刘政军，博士，教授，博士研究生导师；Email：liuzhengjun1962@163.com.

中图分类号: TG 455
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出版历程
- 收稿日期: 2021-02-07
- 网络出版日期: 2021-08-30
- 刊出日期: 2021-07-30

Effect of W on microstructure and properties of Fe-Cr-C-W-B surfacing alloy

Shenyang University of Technology, Shenyang, 110870, China

摘要

摘要: 机械设备的使用寿命会因为磨损而减少，因而应该提升材料耐磨性能以提高机械设备的使用时间. 利用埋弧焊机采用明弧堆焊的方法制备Fe-Cr-C-W-B堆焊合金，在一定试验条件下分析了改变药芯焊丝中W的质量比例后堆焊合金硬质相的数量以及耐磨性能的变化情况. 结果表明，当W含量提高后，堆焊层中硬质相的所占比例增加，从而显著改善其硬度和耐磨性能. 在堆焊层金属W质量分数为2.73%时，堆焊层主要含钨硬质相为FeWB，Fe₂W，FeW₃C. 当堆焊层金属W含量在5.47%时堆焊层耐磨性能达到最佳，磨损量为0.382 5 g，洛氏硬度为61.63 HRC. 当堆焊层金属W含量为6.35%时，堆焊层洛氏硬度达到最高为64.22 HRC，磨损量为0.418 2 g，由于堆焊层的淬硬性增加，在磨损过程中硬质相易脱落，导致耐磨性能稍有下降. 为了获得更好的耐磨性能，W质量分数应控制在5.47%左右.
- 堆焊合金 /
- 耐磨性能 /
- 药芯焊丝 /
- 堆焊 /
- 硬质相
Abstract: The service life of mechanical equipment will be reduced due to wear, so the wear resistance of materials should be improved to increase the service time of mechanical equipment. Fe-Cr-C-W-B surfacing alloy was prepared by open arc surfacing with he submerged arc welding machine. The changes of hard phase quantity and wear resistance of surfacing alloy after changing the mass proportion of W in flux-cored wire were analyzed under certain test conditions. The results show that when the W content increases, the proportion of the hard phase in the surfacing layer increases, thereby significantly improving its hardness and wear resistance. When the mass fraction of metal W in the surfacing layer is 2.73%, the surfacing layer mainly contains tungsten hard phases of FeWB, Fe₂W, FeW₃C. When W content of the surfacing layer is 5.47%, the wear resistance of the surfacing layer reaches the best, the wear amount is 0.382 5 g, and the hardness is 61.63 HRC. When W content of the surfacing layer is 6.35%, the hardness of the surfacing layer reaches the highest 64.22 HRC, the wear extent is 0.418 2 g. As the hardenability of the surfacing layer increases, the hard phase is easy to fall off during the wear process, so the wear resistance decreases slightly. In order to obtain better wear resistance, the W mass fraction should be controlled at about 5.47% .
- surfacing alloy /
- wear resistance /
- flux-cored wire /
- surfacing /
- hard phase

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0. 序言

相关统计研究发现，目前全球消耗的钢材中，有超过一半的都和磨损有关，因而很有必要采取合理措施来降低材料磨损，延长设备寿命，和当前工业生产领域的绿色环保理念相符合^[1-2]. 堆焊技术在表面处理领域被广泛的应用，其优势表现为方便操作，改善效果好，经济实惠^[3-5]. 和普通电弧堆焊相比，药芯焊丝堆焊的效率显著提高，且其操作简单，飞溅小，对操作者的要求相对低. 焊接时，可根据需要合理调节药芯中药粉的配比，改善焊接性能，提升零件耐磨性能^[6-9].

为改善药芯焊丝的焊接效果，可在其中加入一定量合金元素，这样可起到细化晶粒，增强硬度的作用，从而降低零件磨损率^[10]. Prijanovi等人^[11]通过添加铬，形成Cr₇C₃等硬质相而实现固溶强化效果，有利于改善材料的耐蚀性. Gou等人^[12]通过在药芯焊丝中加入B₄C和V元素制备了高铬合金，结果表明添加B₄C对于细化晶粒有明显效果，并且可以抑制Cr和V元素的固溶，使碳化物(Fe，Cr)₇C₃的含量增加并且呈弥散分布. Fe-Cr-C系耐磨药芯焊丝堆焊所得合金中含M₇C₃，M₂₃C₆等硬质相，这种组织可大幅度提高堆焊合金的硬度和抗磨损性能^[12-14].

目前，对铁基合金系的Fe-Cr-C堆焊合金的耐磨性已有较多相关研究成果，而关于W对Fe-Cr-C堆焊合金的影响研究较少，文中在Fe-Cr-C合金的基础上，向药芯焊丝中加入钨粉、硼铁、碳化硼等，制备Fe-Cr-C-W-B堆焊合金，研究W元素对Fe-Cr-C-W-B堆焊合金组织和性能的影响，以焊接冶金方法合成新型硼化钨硬质相.

1. 试验方法

堆焊试验所用母材为Q235钢，试验选用H08A低碳钢带. 母材及带材的化学成分如表1所示.

表 1 Q235钢和H08A低碳钢带的化学成分(质量分数, %)

Table 1. Chemical compositions of Q235 steel and H08A low carbon steel strip

材料	Mn	Si	C	S	P	Fe
Q235	0.45 ~ 0.55	＜ 0.30	＜ 0.15	＜ 0.045	＜ 0.045	余量
H08A	0.20 ~ 0.25	0.01	0.01	＜ 0.020	＜ 0.020	余量

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该粉体的主要成分包括高碳铬铁、铬粉、钨粉、硼铁、碳化硼、银片石墨等，同时加入铝粉、氧化铝粉、氟化钙粉，并添加氧化钙粉用作渣系材料，以达到产生熔渣、保护气体和防止氧化的目的^[15-16]，渣系成分见表2. 为了保证较高的粉末填充率，将添加到钢带中的粉末粒度控制在60 ~ 80目.

表 2 药芯焊丝渣系成分(质量分数, %)

Table 2. Compositions of flux cored wire slag

CaF₂	CaO	Al	Al₂O₃
0.5	0.3	2.0	0.2

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试验采用MZC-1250交流埋弧自动焊机进行堆焊层的制备，堆焊试样选择六道双层结构. 这种结构可明显降低母材组织对堆焊合金稀释的影响，同时也增加了堆焊层高度. 焊前对焊接速度、焊丝伸出长度以及电化学参数等多次调节，获得最优的堆焊工艺参数，如表3所示.

表 3 堆焊工艺参数

Table 3. Surfacing process parameters

电弧电压 U/V	焊接电流 I/A	焊接速度 v/(mm·s⁻¹)	焊丝伸长度 l/mm
25	160	12	16

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通过荧光光谱技术对采集的试样进行分析，确定出其中Cr，W，Fe元素的占比，同时进行钻样并采集合金粉末，基于化学分析法进行检测从而确定出其中C和B的含量. 用OMLPUS BX-6型光学显微镜和HITACHI S-3400 N型扫描电镜分析堆焊合金的显微组织. 对堆焊层金属试样通过衍射仪检测，设置的参数为：扫描速度4 °/min，扫描范围20° ~ 100°. 用洛氏硬度计和维氏硬度计测量试样的宏观硬度和显微硬度，取试验平均值作为结果. 磨擦磨损试验过程中选择了MLS-23型磨损测试仪，工作参数：砂浆浓度为70%，石英砂粒径为250 μm，转速为240 r/min，磨擦磨损试验时间为5 min. 图1为摩擦磨损试验示意图. 采用BL410F型电子天平(1 mg)对试样磨损前后质量进行测试.

图 1 摩擦磨损试验示意图

Figure 1. Schematic diagram of friction and wear test

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2. 试验结果与分析

2.1 堆焊合金的相分析

Fe-Cr-C-W-B药芯焊丝中W的添加量为5% ~ 24%，当测量不同的W添加量时，堆焊合金的元素含量如表4所示. W1 ~ W5堆焊层金属样品W元素质量分数分别为1.82%，2.73%，3.43%，5.47%和6.35%.

表 4 堆焊合金成分 (质量分数, %)

Table 4. Surfacing alloy compositions

编号	Cr	C	B	W
W1	12.32	1.47	2.34	1.82
W2	12.57	1.53	2.61	2.73
W3	12.44	1.52	2.73	3.43
W4	12.62	1.61	2.51	5.47
W5	12.83	1.49	2.62	6.35

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图2为W含量分别为2.73%，6.35%时堆焊合金XRD衍射图谱. 由图2a可知，当W质量分数为2.73%时，奥氏体、马氏体为堆焊合金基体组织的主要组成，分析可知其中的含钨硬质相包括FeWB，Fe₂W，FeW₃C. 由图2b可知，当W质量分数为6.35%时，在其中W元素含量增加后，对应的FeWB，FeW₃C衍射峰也同步增加. 由此可判断出W元素含量和这些硬质相的生成量存在正相关关系. 因而可通过提高W含量而增加堆焊层合金的硬质相数量，以此来改善堆焊合金性能.

图 2 堆焊合金XRD衍射图谱

Figure 2. XRD diffraction patterns of surfacing alloy. (a) 2.73%W; (b) 6.35%W

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根据热力学反应原理，当化学反应中温度和压力一定时，必须要满足条件ΔG < 0，才能自发的进行反应，式(1) ~ 式(4)反映出Fe-Cr-C-W-B堆焊合金形成时的可能发生的反应. 图3为各物质吉布斯自由能与温度关系.从图3可以看出，在熔池温度范围内，WB，WC，W₂C的吉布斯自由能小于零，说明经过焊接冶金反应有生成以上物质的可能. 当温度高于1 021 K时，Fe₃C吉布斯自由能为负值，说明在温度高于1 021 K时堆焊层有生成Fe₃C的可能. 在试验过程中基于衍射仪已检出W₂C和FeW₃C的衍射峰，不过没有检测到WC. FeW₃C的生成吉布斯自由能为11.538 5 kJ/mol，低于WC的16.346 2 kJ/mol，所以FeW₃C比WC更容易形成，而且更加稳定^[17].

图 3 各种物质吉布斯自由能与温度关系

Figure 3. Relationship between gibbs free energy and temperature of each substance

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$$\;\;\;\left\{ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{W + B = WB}}}\\ {\Delta {G} = - 54\;500 - 19.795T,\; {298\;{\rm{K}} < T < 2\;000 \;{\rm{K}}} } \end{array}\right. \!\!\!\!\!\!$$

(1)

$$\left\{ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{W + C = WC}}}\\ {\Delta {G} = - 42\;260 + 4.98T,\; {1\;173\;{\rm{K}} < T < 1\;575\;{\rm{K}}} } \end{array}\right. $$

(2)

$$\;\left\{ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{2W + C = }}{{\rm{W}}_{\rm{2}}}{\rm{C}}}\\ {\Delta {G} = - 30\;540 - 2.34T,\; {1\;575\;{\rm{K}} < T < 1\;673\;{\rm{K}}} } \end{array}\right. $$

(3)

$$\;\left\{ \begin{array}{*{20}{l}} {{\rm{3Fe + C = F}}{{\rm{e}}_{\rm{3}}}{\rm{C}}}\\ {\Delta {G} = 29\;040 - 28.03T,\;{298\;{\rm{K}} < T < 1\;000\;{\rm{K}}} }\\ {\Delta {G} = 11\;234 - 11.0T,\; {1\;000\; {\rm{K}} < T < 1\;410\;{\rm{K}}} } \end{array}\right. $$

(4)

式中：ΔG为吉布斯自由能，J/mol；T为温度，K.

2.2 堆焊合金的显微组织分析

图4为堆焊合金的金相形貌. 由图4可见，堆焊层组织由基体组织和共晶组织(共晶奥氏体和硬质相)构成. 当合金冷却结晶时，先共晶奥氏体首先在熔池中结晶，当合金的温度降低时，初生奥氏体继续长大. 在液相中C原子和B原子相遇，温度进一步降低而低于共晶温度条件下，熔池内会产生共晶反应，所得产物分布在初生相周围. 在焊后冷却速度较快时，奥氏体会反应而形成马氏体.

图 4 堆焊合金的金相组织

Figure 4. Metallographic structure of surfacing alloy. (a) 1.82%W；(b) 2.73%W；(c) 3.43%W；(d) 5.47%W；(e) 6.35%W

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分析图4a可知，在堆焊层金属中W含量为1.82%条件下，其中含有很多初生相，共晶组织少，而晶粒也较粗大. 在其中W含量为2.73%时，初生相数量明显减少，而共晶组织比例提高，晶粒也变得细小. 根据图4e结果可知，在堆焊层金属中W含量为6.35%条件下，组织中共晶组织最多，而奥氏体晶粒最细小. 液相中溶质含量提高后，反应所生成的共晶组织增加，其中的W元素对奥氏体相区的扩展有一定阻碍作用，从而减小了此相区的范围；W元素可促进铁素体形成，因而其含量增加后，铁素体形成温度范围增大，而产生了更多的铁素体，所得产物为共晶组织的组分. 由此可推断出钨元素含量提高后，所得合金中奥氏体含量下降，而共晶组织在增加. 由于这两方面因素的影响，W含量提高后，合金中形成更多的共晶组织. 堆焊合金中W增加后，W元素和C，B元素结合生成的硬质相增多，而形成非自发形核的核心，对晶粒长大起到一定阻碍作用，这样就可实现细化晶粒的效果. 在W含量达到一定阈值时，一部分W和C，B元素形成化合物，还有一部分形成固溶体，在两者的作用下大幅度增加了形核机率，细化组织的效果得到增强.

图5为堆焊合金的扫描形貌. 由图5可知，提高W含量后，所得合金中共晶组织的形貌产生明显变化，且其中含FeWB的共晶组织比例提高. 在其中W元素的质量占比为1.82%条件下，形成的合金中共晶组织大部分为鱼骨状，且含残余奥氏体的基体相对多，如图5a所示. 在W元素的质量比为2.73%时，其中的共晶组织含量提高，且主要表现为菊花形，而基体组织所占比例下降(图5b). 在其中W的质量比例进一步增加后，所得合金中共晶组织含量更多，析出的FeWB，Fe₂W，FeW₃C等含W硬质相数量增加. 同时，过量的W元素进入基体中，而使得堆焊层组织的硬度明显提高. 在其中W元素的含量为6.35%时，形成的合金中共晶组织数量最多(图5e).

图 5 堆焊合金组织扫描形貌

Figure 5. Microstructure scanning morphology of surfacing alloy. (a) 1.82%W；(b) 2.73%W；(c) 3.43%W；(d) 5.47%W；(e) 6.35%W

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2.3 W元素对堆焊合金硬度和耐磨性的影响

如表5和图6所示，随着堆焊层金属中W元素含量的增加，堆焊层金属的硬度逐渐增加. 当堆焊层金属中W含量从1.82%增加到6.35%时，堆焊层金属的硬度从53.24 HRC增加到64.22 HRC. 由于W含量的增加，促进了FeWB，Fe₂W，FeW₃C等硬质相的形成，同时增加W在堆焊层基体组织中的固溶量，提高堆焊层的硬度. 当W元素在堆焊层金属中的质量分数从1.82%增加到3.43%时，磨损量显著减少. 堆焊层金属中W含量为5.47%时，堆焊层金属的耐磨性最好，磨损量最少为0.382 5 g. 继续增加W含量后，磨损量增加，表明磨损量与硬度不一定呈正相关. 堆焊层的耐磨性水平不仅与堆焊层金属的硬度有关，还与基体和硬质相的类型和分布有关. 堆焊层金属中W含量为6.35%时，硬质相数量最多，硬度最高为64.22 HRC，磨损量为0.419 5 g. 但堆焊层组织中C，B元素含量有限，过多的W溶解在基体中，导致堆焊层淬硬性增加，堆焊层韧性下降，耐磨性能略有降低. 为了获得较好的耐磨性，堆焊层中W含量应控制在合理的范围内.

表 5 堆焊合金的硬度和磨损量

Table 5. Hardness and wear of surfacing alloy

W质量分数w(%)	硬度H(HRC)	磨损量△W/g
1.82	53.24	0.634 7
2.73	56.43	0.525 7
3.43	58.35	0.436 3
5.47	61.63	0.382 5
6.35	64.22	0.419 5

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图 6 堆焊合金的硬度和磨损量

Figure 6. Hardness and wear weight loss of surfacing alloy

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图7为W含量分别为2.73%和5.47%时堆焊层的磨损形态，均为磨料磨损. 如图7a所示，试样划痕较多较深. 此时，由于W元素含量较少，生成的FeWB，Fe₂W，FeW₃C等硬质相含量较少，试样的耐磨性较差. 如图7b所示，堆焊层表面划痕数量明显减少，划痕深度变浅，此时产生FeWB，Fe₂W，FeW₃C硬质相数量增加，材料的硬度和耐磨性大大提高.

图 7 堆焊合金的磨损形貌

Figure 7. Wear morphology of surfacing alloy. (a) 2.73%W；(b) 5.47%W

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3. 结论

(1) 根据XRD衍射图谱表明，堆焊层合金W含量为2.73%时，合金中含钨硬质相有FeWB，Fe₂W，FeW₃C等. W含量为6.35%时，FeWB，Fe₂W，FeW₃C衍射峰增强，生成数量增多.

(2) 增加Fe-Cr-C-W-B堆焊合金中W元素含量，能缩小奥氏体相区，细化奥氏体晶粒，同时促进硬质相和共晶组织的生成，提高堆焊层硬度和耐磨性.

(3) 当堆焊层金属中W含量为6.35%时，堆焊层硬度达到最高为64.22 HRC. 当堆焊层金属中W含量在5.47%时，堆焊层耐磨性能达到最佳，磨损量为0.382 5 g.

图 1 摩擦磨损试验示意图

Figure 1. Schematic diagram of friction and wear test

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图 2 堆焊合金XRD衍射图谱

Figure 2. XRD diffraction patterns of surfacing alloy. (a) 2.73%W; (b) 6.35%W

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图 3 各种物质吉布斯自由能与温度关系

Figure 3. Relationship between gibbs free energy and temperature of each substance

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图 4 堆焊合金的金相组织

Figure 4. Metallographic structure of surfacing alloy. (a) 1.82%W；(b) 2.73%W；(c) 3.43%W；(d) 5.47%W；(e) 6.35%W

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图 5 堆焊合金组织扫描形貌

Figure 5. Microstructure scanning morphology of surfacing alloy. (a) 1.82%W；(b) 2.73%W；(c) 3.43%W；(d) 5.47%W；(e) 6.35%W

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图 6 堆焊合金的硬度和磨损量

Figure 6. Hardness and wear weight loss of surfacing alloy

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图 7 堆焊合金的磨损形貌

Figure 7. Wear morphology of surfacing alloy. (a) 2.73%W；(b) 5.47%W

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表 1 Q235钢和H08A低碳钢带的化学成分(质量分数, %)

Table 1 Chemical compositions of Q235 steel and H08A low carbon steel strip

材料 Mn Si C S P Fe

Q235 0.45 ~ 0.55 ＜ 0.30 ＜ 0.15 ＜ 0.045 ＜ 0.045 余量
H08A 0.20 ~ 0.25 0.01 0.01 ＜ 0.020 ＜ 0.020 余量

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表 2 药芯焊丝渣系成分(质量分数, %)

Table 2 Compositions of flux cored wire slag

CaF₂ CaO Al Al₂O₃

0.5 0.3 2.0 0.2

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表 3 堆焊工艺参数

Table 3 Surfacing process parameters

电弧电压
U/V 焊接电流
I/A 焊接速度
v/(mm·s⁻¹) 焊丝伸长度
l/mm

25 160 12 16

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表 4 堆焊合金成分 (质量分数, %)

Table 4 Surfacing alloy compositions

编号 Cr C B W

W1 12.32 1.47 2.34 1.82
W2 12.57 1.53 2.61 2.73
W3 12.44 1.52 2.73 3.43
W4 12.62 1.61 2.51 5.47
W5 12.83 1.49 2.62 6.35

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表 5 堆焊合金的硬度和磨损量

Table 5 Hardness and wear of surfacing alloy

W质量分数w(%) 硬度H(HRC) 磨损量△W/g

1.82 53.24 0.634 7
2.73 56.43 0.525 7
3.43 58.35 0.436 3
5.47 61.63 0.382 5
6.35 64.22 0.419 5

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施引文献(10)

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0. 序言
1. 试验方法
2. 试验结果与分析
2.1 堆焊合金的相分析
2.2 堆焊合金的显微组织分析
2.3 W元素对堆焊合金硬度和耐磨性的影响
3. 结论

W对Fe-Cr-C-W-B系堆焊合金组织和性能的影响

作者简介: 邹宗轩，硕士；主要从事焊接性方面的研究；Email：15942492610@163.com

通讯作者: 刘政军，博士，教授，博士研究生导师；Email：liuzhengjun1962@163.com.

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