线澜清，庄明辉，陈 超，牟立婷，井 瑞，马 振
(1.佳木斯大学材料科学与工程学院，黑龙江 佳木斯 154007；
2.山东大学材料科学与工程学院，山东 济南 250100)
磨损降低零部件的使用寿命，导致严重的经济损失，通过表面堆焊技术可在零部件表面制备耐磨堆焊合金材料，延长零件的使用寿命。因此，开发高硬度、高耐磨性的堆焊合金材料，以减少损耗，满足苛刻的工作环境，将具有重要的意义。与传统的高铬高碳铁基堆焊合金相比，Fe-B合金因其具有高硬度、高耐磨性和良好的热稳定性等优点，成为材料工作者关注的焦点[1-3]。硼在Fe中的溶解度较低，微量硼的添加可以提高碳钢的力学性能，过量的硼的添加将会形成Fe-B合金，形成硬度较高、耐磨性能优异的硼化物，如FeB(1 800～2 000 HV)、Fe2B(1 400～1 600 HV)，其硬度高于高铬高碳硬质相。另外，硼铁在地球上储量丰富，价格低廉。鉴于上述，Fe-B合金在导辊、锤头、高硼高速钢轧辊等耐磨零部件上的应用将具有广阔的前景。
Fe-B合金的研究和应用主要集中于亚共晶成分的铸造合金，而采用堆焊方法制备的Fe-B系堆焊合金的应用很少，尤其是过共晶Fe-B堆焊合金的应用更鲜有报道，制约其应用的核心问题是硼化物的脆性，特别是在高应力条件下的应用。针对硼化物脆性的问题，材料学者试图通过理论计算、合金化等方法来调控硼化物的脆性。文献[4，5]计算发现过渡金属元素Cr、Mn等合金元素可以取代Fe2B中的Fe，提高其硬度和韧性。龚铁夫等[6]研究了Cr、Mn、W等合金元素的作用，发现通过形成(Fe，M)2B可改善Fe2B的脆性和硬度。Huang等[7]通过向Fe-B堆焊合金中添加合金元素Cr发现，Cr的添加可以改善堆焊合金中Fe2B的断裂韧性，当Cr为2%(质量分数)时堆焊合金材料几乎没有发现裂纹。Jian等[8]研究发现向Fe-3B堆焊合金中添加合金元素Mn，可提高堆焊合金的硬度，同时提高Fe2B的断裂韧性。
目前，对于高硼铁基堆焊合金的研究较多，但主要集中在合金元素Cr对于高硼合金中硼化物组织、硬度及耐磨性的影响，而关于合金元素Mo对合金组织形态和性能的相关研究报道较少。基于此，本工作采用等离子弧电弧堆焊方法，通过改变合金粉体中钼铁粉的含量，制备不同Mo含量的Fe-Cr-B堆焊合金材料，研究合金元素Mo对高硼铁基堆焊合金的相构成、组织结构及性能的影响，以提高堆焊合金的耐磨性。
堆焊用基材为Q235，试样尺寸50 mm×120 mm×12 mm，堆焊前除油除锈，基材化学成分构成：C含量为0.150%(质量分数，下同)、Mn含量为0.300%、Si含量为0.250%、S含量为0.040%、P含量为0.025%，余量为Fe。堆焊用的合金粉体主要有硼铁粉，金属Cr粉，钼铁粉，硅铁、低碳锰铁和还原铁粉，粒度为80目，通过改变合金粉体的配比来改变堆焊合金的成分，合金粉体的设计(质量分数，%)为Fe-10Cr-5B-xMo，其中Mo的添加量分别为2.0%、4.0%、8.0%。堆焊合金的制备采用等离子弧堆焊方法，送粉气和保护气为氩气，堆焊3层，堆焊工艺参数如表1。采用线切割设备将堆焊合金切割成10 mm×10 mm×10 mm的试样，然后用80～2 000目碳化硅砂纸制备金相试样。采用铜靶Kα辐射的X射线衍射仪(XRD，D8-ADVANCE，Germany)，2θ扫描范围20°～90°、扫描速度4 (°)/min、步长0.04°，分析堆焊合金的相构成。采用4%HNO3酒精溶液腐蚀，利用场发射扫描电子显微镜(SEM，JSM-7800F，Japan)对堆焊层进行显微组织结构分析。采用HR-150A洛氏硬度计对堆焊层进行宏观硬度检测，载荷1 500 N，随机检测5个点，取平均值。采用ML-100型圆盘销磨损试验机，依据JB/T 7506-94对不同Mo含量的堆焊合金进行磨粒磨损试验，试样尺寸为φ4 mm×15 mm，取5个试样，接触载荷为24 N，对磨盘的砂纸为棕刚玉(180目，鹰牌，上海玉立工贸有限公司)，采用精度为0.000 1 g的电子分析天平测量质量损失，每个试样做3次。相对耐磨性为ε=1/W，式中ε为相对耐磨性，W为试样平均失重量，单位为g。
表1 等离子堆焊工艺参数Table 1 Process parameters of plasma arc surfacing welding
2.1 Mo含量对Fe - Cr - B堆焊合金显微组织的影响
图1为不同Mo含量条件下Fe-Cr-B堆焊合金的背散射电子衍射(Back-Scaterred Electron，BSE)显微组织形貌。图1a为未添加Mo元素的Fe-Cr-B堆焊合金显微组织形貌。由图观察可知，堆焊合金中有大量的块状组织，直径约为10～20 μm，块状组织间分布着似鱼骨状组织。依据Fe-B相图可知，硼含量为5.0%(质量分数，下同)，大于共晶点(3.8%)，成分含量点位于过共晶成分合金区域。在Fe-B堆焊合金体系中，随着焊接熔池温度降低，堆焊合金液相中首先形成呈方形的Fe2B，即初生Fe2B相[9]。随着焊接熔池温度的进一步降低，初生Fe2B长大时向熔池中排出硼原子。当熔池将至1 149 ℃时，发生共晶反应，形成共晶Fe2B和γ-Fe组织。由于堆焊合金中硼含量为5.0%，B在γ-Fe中的溶解度很低，随着温度的进一步降低，过饱和硼析出，依附共晶Fe2B形成二次硼化物Fe2B[10]。当凝固温度低于910 ℃时，γ-Fe向α-Fe转变。综上可知，过共晶Fe-B堆焊合金的组织由初晶Fe2B和共晶Fe2B+Fe组成。当向Fe-B合金中添加合金元素Cr后，Cr原子的半径为0.185 nm，Fe原子半径为0.172 nm，两者半径接近，且电负性相差不大，Cr和α-Fe的晶体结构都为体心立方，两者本质特性相似，性质更接近，可形成无限固溶体，故堆焊合金中Fe2B硼化物中的Fe元素将被Cr部分取代，形成(Fe，Cr)2B，即M2B型硼化物[11]。
图1b为添加2.0%Mo的Fe-Cr-B堆焊合金的显微组织。由图1b可知，堆焊合金的显微组织主要由初生M2B和共晶M2B+(Fe，Cr)组成。与未添加合金元素Mo比较，堆焊合金组织结构并未发生显著变化。然而，在共晶组织间析出数量较少的亮白色新相，呈不规则形状。当Mo含量达到4.0%时，堆焊合金仍主要由初生M2B和共晶M2B+(Fe，Cr)组成。由图1c观察发现，随着堆焊合金中Mo含量的增加，当堆焊合金中添加量为4.0%Mo时，分布在共晶组织间的亮白色析出相的数量增多，无序分布，呈长条状或不规则状。随着堆焊合金中Mo添加量进一步增加至8.0%时，堆焊合金中亮白色析出相的数量、尺寸显著增加，且析出相形状由不规则状向方形块状转变，块状亮白色析出相体积分数多于不规则状。
2.2 堆焊合金的物相
不同Mo添加量的Fe-Cr-B堆焊层的XRD分析结果如图2所示。
物相分析结果表明，未添加钼铁粉的堆焊合金由(Fe，Cr)2B和(Fe，Cr)两相组成。当堆焊合金中Mo的添加量为2.0%时，XRD分析结果中并未发现新的特征衍射峰出现，表明堆焊合金中没有新相形成。然而，由图1b中可明显观察到有亮白色析出相，数量较少，说明该FeMo2B2的体积分数较低，XRD检测不到。随着堆焊合金中Mo含量进一步增加，当Mo含量为4.0%时，堆焊合金中有新相FeMo2B2的特征衍射峰出现，且随着Mo添加量的增加，堆焊合金中FeMo2B2的衍射峰强度逐渐增加，而初生(Fe，Cr)2B的衍射峰强度并未有明显的变化，证实了图1观察结果。随着堆焊合金中Mo的增加，亮白色析出相的尺寸、体积分数逐渐增大，其形状由不规则向块状转变。
2.3 堆焊合金的硬度与耐磨性
不同Mo添加量的堆焊合金的洛氏硬度和磨粒磨损实验结果如表2所示。由表2可知，随着合金元素Mo的添加，堆焊合金层的洛氏硬度和耐磨性的变化具有明显的规律性，呈逐渐升高的趋势。未添加Mo元素的堆焊合金组织主要为初生M2B和共晶M2B+(Fe，Cr)，洛氏硬度值为55.7 HRC，磨粒磨损试验后，失重量较大，耐磨性差。随着Mo添加量的增加，当Mo含量为4.0%时，堆焊合金中析出一定数量的FeMo2B2硼化物陶瓷相，无序分布在初生M2B相之间，洛氏硬度明显升高，达到62.5 HRC，磨损失重量呈减小的趋势，耐磨性较未添加Mo提高了约15%。随着Mo添加量的进一步增加，当Mo为8.0%时，堆焊合金中析出的FeMo2B2硼化物体积分数、尺寸相应增加，无规则的分布在初生M2B相之间，堆焊合金的洛氏硬度明显升高，达到64.5 HRC，较未添加Mo试样的耐磨性提高了约1.2倍。
表2 堆焊合金平均洛氏硬度与耐磨性Table 2 Average Rockwell hardness and wear resistance of surfacing alloys
综上可知，Mo对初生Fe2B的组织形貌影响不明显，堆焊合金中仍有大量的棒状M2B硼化物硬质相，Mo的加入促堆焊合金中形成具有硬度高、耐磨性优异的FeMo2B2[12]，析出相无序、弥散地分布在初生Fe2B相之间。初生M2B、共晶组织和FeMo2B2协同作用，相互保护，使得堆焊合金材料的耐磨性和硬度得以提高。Mo含量越高，形成的FeMo2B2体积分数越大，堆焊合金的硬度越高，降低磨损量。
图3为不同Fe-5B-10Cr-xMo堆焊合金磨损试验后的扫描电镜形貌。由图3可以看出，不同Mo添加量的Fe-10Cr-5B系堆焊合金磨损后，试样磨损表面有不同深度的犁沟和剥落坑出现。与未添加合金元素Mo的试样比较，随着Mo添加量的增加，磨损表面的犁沟深度逐渐变浅、宽度变窄。
当未添加Mo时，堆焊合金中虽没有含Mo的耐磨硬质相形成，但堆焊合金中初生M2B和共晶M2B+基体协同作用，能够一定程度抵抗磨粒的压入和磨削，磨损后试样表面出现数量较多的犁沟，并有一定数量的剥落凹坑，其磨损方式为微观切削+断裂磨损。当堆焊合金中Mo的含量为2.0%和4.0%时，堆焊合金磨损表面犁沟深度变浅、变窄，但仍有一定数量的剥落凹坑出现。堆焊合金材料的磨损方式没有发生改变，仍为微观切削+断裂磨损方式。当Mo的添加量达到8.0%时，堆焊合金中析出大量的FeMo2B2，初生M2B、共晶M2B和FeMo2B2耐磨硬质相共同作用，有效抵抗磨料的压入和磨削，磨损表面的犁沟深度较小、压痕较浅、数量少，说明堆焊合金材料的耐磨性好。
(1)Fe-10Cr-5B-xMo(x=0，2%，4%，8%，质量分数，下同)堆焊合金主要由初生M2B、共晶M2B+(Fe，Cr)和FeMo2B2组成。随着Mo添加量的增加，堆焊合金中FeMo2B2的体积分数、尺寸增加，并分布在初生M2B相之间，与共晶组织交织存在。
(2)未添加合金元素Mo堆焊合金的洛氏硬度为55.7 HRC，随着Mo添加量的增加，堆焊合金的硬度呈增加的趋势，当Mo的添加含量为8.0%时，洛氏硬度为64.5 HRC，较未添加Mo的提高约15%。
(3)随着Mo添加量的增加，堆焊合金中FeMo2B2硬质相析出，其体积分数增加，堆焊层的耐磨性逐渐升高。当Mo添加量为8.0%时，堆焊合金中析出数量较多的、呈块状的FeMo2B2硬质相，且无序地分布在初生相之间，其耐磨性较未添加Mo的堆焊合金提高约1.2倍。
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