铬镍钨铌系铁基PTA堆焊合金的抗磨损机理

铬镍钨铌系铁基PTA堆焊合金的抗磨损机理

采用AVK-A型高温硬度计测硬度，分别在CW/ML-M9销盘式磨损试验机和胶

轮磨损试验机上进行高温磨损和常温磨损试验，用常温金相和高温金相、SEM、X 射线衍射观察试样的组织、碳化物，分析堆焊层成分和相组成。

2 试验结果及分析

为了比较合金堆焊层的耐磨性，以stellite No12粉末堆焊层作标准试样。试验结果见表2。

表2 试验数据

由表2可见，两者比较接近，这表明铬镍钨铌系铁基合金适合于高温下使用。

2.1 堆焊层的微观组织及成分

2.1.1 常温分析

铬镍钨铌系铁基PTA堆焊合金的常温金相组织见图1。由图1可见到灰色组织与奥氏体基体，灰色呈花朵状组织为奥氏体和碳化物的共晶体，白色不规则组织为碳化物。

图1 常温金相组织400 ×

图2 X射线微区分析

图2是X射线微区分析结果，可见1号黑色物为奥氏体基体，以铁为主，其中固溶了铬、镍、钨、铌。镍是稳定奥氏体的元素，钨、铌是固溶强化元素，铬固溶于基体中为合金提供了良好的抗氧化和抗热腐蚀能力。因此，该基体具有一定的硬度和耐磨性。富铬奥氏体的室温硬度为400 HV，在磨料压入工件表面并产生切削作用后，材料塑性变形可诱发表面组织中的奥氏体相变，产生密排六方的ε马氏体和体心立方α马氏体，金属表面发生形变硬化，工件表面硬度急剧提高，材料抗磨能力显著增强［1］。2号不规则有棱角的白色块状物富含铌，又由图3可知，这是NbC，NbC是高硬度(2 400 HV)、高熔点(3 600 ℃)的硬质相。3号不规则灰色物质富含铬和铁，由图3可知，它是碳化物(Cr.Fe)7C3，是密排六方点阵结构，其硬度很高(1 200～1 800 HV)。由图1可看出，(Cr.Fe)7C3呈束集分布状态，不连续的碳化物大大减轻了对金属基体的分割作用，使堆焊层的硬度和韧性显著提高。4号也是奥氏体基体。5号白色块状物富含钨，由图3可知，此是WC。WC是高硬度(1 800 HV)、高熔点(2 785 ℃)的碳化物，密排六方结构，对室温和高温下的耐磨性都起着有益的作用。6号条状物富含铁和铬，它是(Cr.Fe)7C3，和3号不同的是，它是条状晶体。3号、6号都是(Cr.Fe)7C3的两种形态。

图3 常温X射线衍射图谱

综上所述，堆焊层的组织是在较硬的奥氏体基体上弥散分布着高熔点、高硬度的硬质相，所以堆焊层在常温下有一定的耐磨性。

2.1.2 高温分析

合金粉末中铬和碳的含量分别为19.1%～20.0%、1.5%～1.8%,查Fe-Cr-C准稳定态相图可知，此时无相变，又查等温截面相图知，所对应于铬、碳含量的点是奥氏体和Cr.Fe)7C3的组合［2］。由此可以充分证明，常温分析时的基体和碳化物分析的正确性。

图4 760 ℃金相组织200×

图4中白色的是奥氏体基体，黑色(由于有氧化)不连续分布的是共晶体，白色有棱角的块状物是碳化物，试验证明是NbC、WC。比较图1和图4可知，高温状态下，碳化物的数量增多，形状变小，碳化物之间已失去联系。比较图3和图5可知，基体没有大的变化，又出现了一种碳化物Cr23C6，这证明高温时有碳化物析出，同时多了些氧化物，如Nb2O5、WO3。基体仍然是具有一定硬度的奥氏体，能够抵抗由磨损而产生的塑性变形，因而碳化物就可以有良好的支撑，不会

产生严重的脱落，而且碳化物还大量的存在，形态上无较大变化，具备了抗磨的先决条件。加之在760 ℃时，有氧化物的存在，它有减摩作用，详细研究镍基合金和铁基合金在常温和升温过程中的摩擦磨损行为发现［3］，随着温度的上升，几种合金的摩擦系数和磨损率都发生从高到低的明显转变，这种转变与合金表面氧化形成一层釉状物密切相关。

由760 ℃高温下的高温硬度可知，其中仍然还有较硬的基体和硬质相存在，堆焊层比较耐磨，仅次于钴基合金标准试样的高温耐磨性。

图5 760 ℃X射线衍射图谱

2.2 堆焊层高温耐磨机理

由金相观察可知，高温下基体仍有很多的硬质相存在，这正是堆焊合金高温耐磨的主要原因。堆焊层中含有大于17.73%的合金元素铬，不仅能够增强堆焊层的高温抗氧化能力和固溶强化基体，而且还能形成(Cr.Fe)7C3,Cr23C6，Cr2B，CrB等硬质相，同样增加堆焊层的红硬性，另外堆焊层中还含有WC、NbC，它们也进一步增加了堆焊层的红硬性。随着温度的不断上升，硬质相的体积不断变小，常温下呈大块状的(Cr.Fe)7C3，至760 ℃保温30 min，已变成小块，周围遍布白色基体。经X射线衍射分析可知，Cr23C6增多，其他化合物没有变化，因此碳化物会随温度的升高存在析出和溶解。

由菲克第一定律D=D0e-ED/RT可知，扩散系数随温度的升高而按指数增加。

当温度逐渐升高时合金元素的扩散能力增加，这时碳与铬可由奥氏体中脱溶，形成弥散分布的二次碳化物。F.Maratray研究表明，二次碳化物的形核位置可能是奥氏体的晶粒内部，也可能出现在奥氏体晶界上。二次碳化物随形核位置周围的碳、铬浓度梯度的变化，可形成板条、立方、近似球体形状，大体上均匀分布于奥氏体晶粒和晶界，X射线衍射已证明该碳化物是Cr23C6。Cr23C6从基体中脱溶沉淀，降低了基体铬和碳的浓度，使亚稳定碳化物(Cr.Fe)7C3部分溶入基体，其周围铬和碳的浓度升高，就会促使Cr23C6析出。碳化物在溶解时，碳和合金元素由曲率大的部位向曲率小的部位扩散、沉积，表现为棱边圆化，表面凸起的部位溶解消失，中间的孔洞逐渐变大。Cr23C6析出强化了堆焊层，与其他硬质相匹配，起抗磨骨架作用。同时，镍的存在会韧化基体，提高基体对硬质相的镶嵌能力，使堆焊合金具有较理想的高温耐磨性。

3 结论

(1) 研制的铬镍钨铌系铁基合金堆焊层的常温耐磨性比钴基合金堆焊层标准试样好，高温耐磨性稍差，但仍然可以在高温状态下使用。

(2) 堆焊合金中加入铬、铌、钨等元素，能够形成(Cr.Fe)7C3,NbC,WC等硬质相，提高了堆焊层的常温及高温抗磨能力。

(3) 堆焊层中(Cr.Fe)7C3随温度的增加，有部分溶解，而Cr23C6在基体中析出，和其他碳化物一起共同提高堆焊层的高温耐磨性。