Fe_C_B堆焊合金的组织及性能的研究333

Fe-C-B堆焊合金的组织及性能的研究

葛长路 叶荣昌 刘兆勇

江苏徐州中国矿业大学(221008)

摘要 在条件相同情况下,利用合金硼化物代替合金碳化物作为耐磨合金的耐磨相,既可进一步提高耐磨合金的硬度和耐磨性,还可减少其它贵重、稀缺合金元素的加入量。本文在排除其它合金元素影响的情况下,研究了不同硼含量对Fe-C-B耐磨堆焊合金的组织及性能的影响。研究表明,随着堆焊合金中硼含量增加,堆焊合金组织发生变化,组织中先后出现了作为耐磨相的Fe3(C,B)、Fe23(C,B)6和Fe2B等碳、硼化物,随着其数量的增加,堆焊合金的硬度和耐磨性显著提高,其共晶组织具有最佳的抗冲击韧性。对研究含硼耐磨合金堆焊焊条提供了理论依据。

关键词 硼元素　堆焊合金　组织　性能　影响

硼是我国富有元素,在堆焊合金中,硼化物的硬度和热稳定性均高于碳化物,特别是硼与铁生成的Fe B (HV1800～2000)和Fe2B(HV1400～1500)的硬度不但远高于Fe3C(HV800～900),而且高于铬的碳化物C r7C3(HV1336)。因此在堆焊合金中添加适量硼元素对提高堆焊合金耐磨性,减少铬、钨、钼、钒、钛、锆等合金的加入量,降低堆焊合金成本是非常重要的。

尽管国内外对在堆焊合金中添加硼元素的研究有过报道1、2,但对在合金中加入硼的方式以及不同硼含量对堆焊合金的组织与性能的影响却没有统一评价。本研究是将B4C粉末加入普通碱性焊条药皮中,采用交流电焊机进行堆焊,在排除其它合金元素影响的情况下,研究了硼含量对堆焊层金属组织和性能的影响。

1　试验条件与方法

试验用焊条的焊芯材料为H08A低碳钢,直径4 mm,长400mm,外涂含B4C粉末的碱性药皮,药皮外径为612mm。采用普通交流焊机堆焊,堆焊焊接电流140～180A。试样一律按GB984-85标准在16M n钢板上堆焊后截取,用化学分析方法分析堆焊合金中碳、硼元素的含量,用光学显微镜分析堆焊合金的组织,用洛氏硬度计对堆焊层金属进行宏观硬度检测;用M L-100销盘磨损试验机进行耐磨性试验;用自制的冲击试验机对堆焊层金属进行抗冲击试验。冲击试验机工作时,电动机通过减速机带动链轮转动,冲头(顶端为5 mm2圆形平面)由链条带动上升到一定高度后自由下落,冲击堆焊合金。冲击能量为120J 次,以堆焊合金出现第一条裂纹时的冲击次数代表合金的抗冲击性能。

2　试验结果及分析

211　硼含量对堆焊合金硬度的影响

堆焊合金的碳、硼含量及硬度值见表1。图1是碳、硼含量与堆焊合金硬度的关系曲线。众所周知,影响堆焊合金硬度的因素是碳、硼含量及堆焊层的冷却速度。由于合金是经多次堆焊而成,堆焊后在空气中自然冷却,合金的基体组织为正火组织。曲线1是碳和硼共同对堆焊合金硬度影响曲线,曲线2是不含硼堆焊合金正火后的硬度变化曲线。可以看出,正火条件下碳元素对堆焊合金硬度影响不大,曲线1的变化主要是硼含量的影响。从上述结果可以看出,硼能够非常有效地提高堆焊合金硬度。

表1　堆焊合金的碳、硼含量及合金硬度

试样编号

1234567 C(%)0.080.100.160.170.220.350.45

B(%)00.0030.010.070.641.021.52

合金硬度(HRC)25.830.732.135.545.850.059.1试样编号891011121314

C(%)0.540.560.570.650.740.820.88

B(%)1.922.372.773.173.593.984.70

合金硬度(HRC)58.261.261.062.667.071.570.4

图1　硼含量对合金硬度的影响

212　硼含量对合金组织的影响

2焊接技术 1997年第5期・试验与研究・

在700℃时Fe -C -B 三元合金相图中[3],当合金中碳、硼含量均低于1%时,堆焊合金是由Α相+Fe 3

(C,B )及

Fe 23(C,B )6组成。随着硼含量增加,Fe

3(C,B )

数量减少,硬度更高的Fe 23(C ,B )6数量增加,并出现高硬度的Fe 2B 相。图2是碳含量为0122%、硼含量为

0164%时的堆焊合金组织,为正火后的过共析组织。珠

光体晶界处有Fe 3(C ,B )及Fe 23(C ,B )6析出。随着硼含量的继续增加,由Fe 23(C ,B )6和珠光体组成的共晶组织不断增加,当碳含量达到0156%、硼含量达到2137%时,堆焊合金均变成共晶组织(图3)。由于高硬度的

Fe 23(C ,B )6(HV 1100)数量增多,低硬度的Fe 3(C ,B )数

量减少,堆焊合金的宏观硬度迅速提高到HRC 60以上。硼含量进一步增加,合金中出现条块状Fe 2B 相,其硬度为HV 1400～1500,属正方晶系,合金为过共晶组织(图4)。Fe 2B 数量越多,合金的硬度和耐磨性也随之升高

。

图2 图3 400

×

图4　含0188%C 、417%B 时的堆焊合金组织 400×

213　硼含量对堆焊合金耐磨性的影响

图5a 是硼含量对堆焊Fe -C -B 合金耐磨性影响的关系曲线。可以看出,当硼含量少于2137%时,堆焊合金的耐磨性随硼含量的增加缓慢上升。其间合金组织同亚共析向共晶组织变化,虽然含硼渗碳体Fe 3(C ,

B )、Fe 23(

C ,B )6的数量增加对合金的硬度影响较明显,

但由于含硼渗碳体的硬度不超过HV 1100,所以耐磨性上升比较缓慢。当含硼量超过2137%后,合金中出现块状高硬度的Fe 2B ,随着Fe 2B 的数量增加,形成强大的耐磨骨架,能有效地抵抗高硬度的磨粒切入,因此随着硼含量的增加,耐磨性急剧上升。硼含量超过410%以后,由于合金的脆性和焊接缺陷的增加促使硬度和耐磨性上升趋缓,但合金中添加铬、镍、钛、钼等合金元素以后,通过改善合金的组织提高韧性,增加硬度更高的硼化物品种和数量,如C r B 2(HV 2100)、T i B (HV 2

800)、M oB (HV 2500)等,可进一步提高堆焊合金的耐

磨性。

214　硼含量对抗冲击性能的影响

图5b 是硼含量与抗冲击性能的关系曲线。当硼含量少于0164%时,合金硬度低,受冲头第一次冲击便发生严重变形,因此所有数据均是从硼含量大于0164%开始测定,从图中可以看出,堆焊合金中硼含量为

2137%时,曲线出现最大值,此时的金相组织为共晶组

织(图4)。这是由于远离共晶点的亚共晶组织及过共晶组织中存在着大面积硬度较低的珠光体或硬而脆的

Fe 2B ,在高能量的冲击下会较早地出现塑性变形或脆

性裂纹,而共晶组织由分布均匀、韧性较好的Α相和含硼渗碳体组成,具有最高的抗冲击性能。所以在受冲击耐磨零件表面应堆焊共晶成分的合金,而在受冲击不很强烈的零件表面堆焊过共晶成分的合金

。

图5　硼含量对堆焊合金耐磨性与抗冲击性能的影响

3　结论

(1)随着硼含量的增加,Fe -C -B 堆焊合金的硬

度显著上升,硼是提高堆焊合金硬度的最有效元素。

(2)随着硼含量的增加,堆焊合金组织由亚共析向

共晶及过共晶组织转变,碳化物由Fe 3(C,B )向Fe 23

(C,B )6转变,并在过共晶组织中出现块状的Fe 2B 相。

(3)随着硼含量的增加,堆焊合金的耐磨性随之上

升,硼含量超过2177%以后上升迅速。

(4)Fe -C -B 堆焊合金组织为共晶组织时,堆焊

层金属在120J 能量冲击下具有最大值。

参考文献

　1　H Berns ,A F ischer .m icro structure of Fe -C r -C hardfacing al 2

l oys

w ith additi ons of N b 、T i and B .M ETALLO GRA PH Y ,1987

.　2　МДборисов.Легированиенаплавленногометаллакарбидомбора

.ИзвестиясибирскогоотделенияакадемиинаукСССР:Сериятехническихнаук

,1987(5).　3　侯增寿等.实用三元合金相图.上海:上海科技出版社,1983.　4　邵荷生等.摩擦与磨损.北京:煤炭工业出版社,1992.

(收稿日期:1997206202)

3

W elding T echno logy №5　1997

・试验与研究・