卓金管件有限公司Ti对明弧高硼堆焊合金显微组织及耐磨性影响的学习体会
文献概况与研究背景
本文发表于《金属热处理》2017年第42卷第6期，由湘潭大学机械工程学院刘江晴、龚建勋、张立成团队完成，受湖南省自然科学湘潭联合基金资助。研究采用药芯焊丝自保护明弧焊方法制备Cr8B4C2TiSi高硼堆焊合金，系统考察了Ti含量对堆焊合金显微组织及耐磨性的影响规律。高硼合金因其优异的耐磨性能，广泛应用于矿山机械、水泥机械、电力设备等领域的耐磨衬板、斗齿、溜槽等部件，而Ti作为重要的合金化元素，其作用机理一直备受关注。
核心试验方法与技术要点
试验条件
| 参数项 | 设定值 | 说明 |
|---|---|---|
| 焊材类型 | 药芯焊丝 | 自保护明弧焊 |
| 焊丝牌号 | Cr8B4C2TiSi | 高硼高铬合金 |
| Ti含量梯度 | 0%、0.4%、0.8%、1.2%、1.6% | 五个梯度水平 |
| 焊接方法 | 明弧焊 | 无保护气，药皮自保护 |
| 分析方法 | OM、XRD、SEM、EDS | 金相、物相、形貌、成分 |
| 性能测试 | 硬度、磨损试验 | 宏观硬度、磨耗量 |
显微组织分析方法
研究采用多种微观分析手段，全面揭示Ti对堆焊合金组织的影响：
- 光学显微镜（OM）：观察宏观组织形貌和晶粒尺寸；
- X射线衍射仪（XRD）：鉴定物相组成，包括M₂₃(C,B)₆、M₃(C,B)、M₂B、Ti₈C₅等相；
- 扫描电镜（SEM）：观察微观组织形貌和相分布；
- 电子能谱仪（EDS）：分析各相的化学成分。
关键结果与机理分析
Ti对显微组织的影响
研究揭示了Ti含量对高硼堆焊合金显微组织的复杂影响机制：
- M₂₃(C,B)₆相的形成：M₂₃(C,B)₆相先于M₃(C,B)相形成，显著抑制了γ-Fe+Fe₃(C,B)脆性共晶相的形成，改善了合金的韧性和耐磨性。
- Ti₈C₅相的析出：随着Ti加入，先期析出的Ti₈C₅颗粒充当初生M₂B的非均匀形核核心，促使其尺寸减小且弥散分布。
- M₂B相的演变：包裹Ti₈C₅相的M₂₃(C,B)₆逐渐减少，改变为共晶M₂₃(C,B)₆。
- 过量Ti的负面影响：过多的Ti₈C₅相析出会耗尽熔体中过多的碳，致使初生M₂B相生长阻力减小而择优长大为板条状晶，且Ti₈C₅相吸碳生长而使M₂B相胀裂。
物相组成与Ti含量的关系
| Ti含量 | 主要物相 | 组织特征 | 硬度趋势 | 磨损量趋势 |
|---|---|---|---|---|
| 0% | M₂₃(C,B)₆、M₃(C,B)、γ-Fe+Fe₃(C,B) | 脆性共晶较多 | 中等 | 中等 |
| 0.4% | M₂₃(C,B)₆、M₂B、少量Ti₈C₅ | 组织细化 | 略有波动 | 略有波动 |
| 0.8% | M₂₃(C,B)₆、M₂B、Ti₈C₅ | 弥散分布 | 略有波动 | 略有波动 |
| 1.2% | M₂₃(C,B)₆、M₂B、Ti₈C₅ | 最佳组织 | 最高 | 最低 |
| 1.6% | M₂₃(C,B)₆、M₂B、大量Ti₈C₅ | 板条状M₂B、胀裂 | 下降 | 上升 |
耐磨性分析
Cr8B4C2TiSi高硼堆焊合金的宏观硬度和磨损量随着Ti含量增加首先轻微波动，当Ti含量增至1.2%时，耐磨性最好。磨损机理包含微观剥落和微切削两种机制，其中微观剥落为主要磨损机制。
微观剥落磨损发生在硬度较低的区域，如γ-Fe基体和脆性共晶相附近；微切削磨损发生在硬度较高的硬质相区域，如M₂₃(C,B)₆和M₂B相。当Ti含量为1.2%时，组织中的硬质相分布均匀、尺寸适中，基体韧性良好，微观剥落和微切削两种机制均得到有效抑制。
工程实践启示
焊材配方优化
对于高硼堆焊合金的配方设计，应遵循以下原则：
- Ti含量控制：Ti含量应控制在1.0%~1.4%范围内，以获得最佳耐磨性能；
- 硼含量匹配：硼含量应适当降低，避免过多Ti₈C₅相析出导致碳耗尽；
- 铬含量保证：铬含量应保持在8%以上，确保M₂₃(C,B)₆相的充分形成；
- 硅含量调节：硅作为脱氧剂和合金化元素，应控制在适当范围。
焊接工艺控制
明弧焊自保护药芯焊丝焊接高硼合金时，应注意：
- 焊接电流：适当降低电流，减少熔池过热和合金元素烧损；
- 焊接速度：保持匀速焊接，确保熔池冷却速率一致；
- 层间温度：控制层间温度，避免过高温度导致组织粗化；
- 焊道布置：采用多层多道焊，确保堆焊层厚度均匀。
个人反思与延伸思考
这篇文献让我深刻认识到，高硼合金的耐磨性能不仅取决于硼含量，更取决于合金元素的协同作用和微观组织的精细调控。Ti作为重要的微合金化元素，其作用机制十分复杂：适量Ti通过Ti₈C₅相的形核效应细化M₂B相，改善组织均匀性；过量Ti则导致碳耗尽和M₂B相异常长大，反而降低耐磨性。
从FMEA角度分析，高硼堆焊合金的主要失效模式包括：
- 磨损失效：由于磨损导致的尺寸超差或功能丧失；
- 脆性断裂：由于脆性共晶相过多导致的低应力脆断；
- 剥落失效：由于堆焊层与基体结合不良导致的整体剥落；
- 热疲劳裂纹：由于温度循环导致的表面裂纹萌生与扩展。
针对这些失效模式，在焊材配方和焊接工艺设计阶段就应采取预防措施，通过合理的合金化设计和工艺参数优化，最大限度地提高堆焊层的服役可靠性。
此外，明弧焊自保护药芯焊丝焊接高硼合金时，由于没有外部保护气，熔池与大气直接接触，合金元素的烧损问题较为突出。在实际生产中，应通过药皮配方的优化和焊接参数的精确控制，减少合金元素烧损，确保堆焊层成分和性能满足设计要求。
总体而言，这篇文献对高硼堆焊合金的合金化设计和工艺优化具有重要的指导意义，对于从事耐磨堆焊技术工作的工程师具有直接的参考价值。