钛含量对Fe-Cr-C 堆焊合金显微组织的影响

4
（１）先进钢铁材料 增加，过多的碳原子与钛原子结合，形成 ＴｉＣ 碳化物，堆焊金属中与铬原子结合的碳原子变 少，导致堆焊金属的显微组织由过共晶组织向亚共晶组织转移。因此，并不是钛含量越多越 好。
图 4 不同钛含量的 Fe-Cr-C-Ti 合金光学显微组织 Fig.4 OM photographs of Fe-Cr-C-Ti claddings with different Titanium Contents:
基金项目：河北省科技支撑项目(09215106D) 通信联系人：杨庆祥，教授，E-mail: qxyang@
1
（１）先进钢铁材料
microstructure of Fe-Cr-C claddings consist of primary (Cr, Fe)7C3 carbides and the eutectic phases (?-Fe+(Cr, Fe)7C3). The formation and growth of the primary (Cr, Fe)7C3 carbides during solidification occur along their long axe parallel to the direction of the heat flow. With the increase of titanium content, the primary (Cr, Fe)7C3 carbides are refined. When the titanium content is 1.2 wt.%, its microstructure changes from hypereutectic form to hypoeutectic one. The thermodynamic calculation shows that MC carbide precipitates prior to M7C3 carbide from Fe-C-Cr-Ti alloy. Moreover, the lattice misfit between (110) TiC and (010) Cr7C3 is 9.257%, which indicates that TiC acting as heterogeneous nuclei of the Cr7C3 is medium effective. Therefore, M7C3 carbide can be refined significantly. Keywords: carbide; hardfacing; microstructure; nucleation.
0.43
0.21
0.65
0.23
bal.
Specimen a
3.82
2.09
2.24
21.35
0
Specimen b Specimen c Specimen d
3.79
2.11
2.27
3.85
2.14
2.18
3.77
2.03
2.22
20.97
0.3
bal.
21.14
0.6
21.27
1.2Biblioteka 图 2 试样显微组织三维示意图 Fig.2 Schematic diagram of analysis specimen.
１ 实验过程
基体材料选用 ４５＃钢，基体尺寸为 １００ｍｍ×８０ｍｍ×１０ｍｍ。堆焊前，将基体打磨平整，并 用酒精擦拭干净。采用自保护药芯焊丝进行明弧堆焊，为了确保堆焊金属成分处于过共晶区，
2
（１）先进钢铁材料
并且在焊接过程中具有自保护性能，将石墨、铬铁、硅铁、锰铁以及钛铁加入至药芯焊丝。
（１）先进钢铁材料
钛含量对 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 堆焊合金显微组织的影响
周野飞１， 杨育林１， 刘利刚１， 李达１，２， 杨健１， 杨庆祥１
（１ 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室，燕山大学，河北省秦皇岛市 ０６６００４； ２ 材料科学与工程学院， 西南交通大学，成都 ６１００３１；）
摘要： 本文采用堆焊的方法，在 ４５＃钢表面沉积了不同钛含量的 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金。采用光学显微镜、场发射 扫描电子显微镜及能谱仪、Ｘ 射线衍射仪研究钛含量对 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 堆焊层显微组织的影响。采用凝固析出相 计算及二维点阵错配度理论，对 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物的细化机理进行了讨论。结果表明，Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 堆焊合金的显微 组织由初生 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物和共晶 Ｍ７Ｃ３＋γ－Ｆｅ 组成。在凝固过程中，初生（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 型碳化物沿热流密度方 向形核和生长。随钛含量的增加，初生（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 碳化物被细化。当钛含量达到 １．２ ｗｔ．％时，堆焊合金组 织由过共晶组织转变为亚共晶组织。通过热力学计算，在 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ－Ｔｉ 合金凝固过程中，ＭＣ 型碳化物先于 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物析出。错配度计算结果表明，（１１０） TiC 与（０１０） Cr7C3 两者间的二维点阵错配度值为 ９．２５７％， 表明 ＴｉＣ 作为 Ｃｒ７Ｃ３ 的非均值形核核心是中等有效的。因此，Ｍ７Ｃ３ 型碳化物可以被细化。 关键词： 碳化物; 堆焊; 显微组织; 形核．
０ 引言
因其良好的耐磨性，Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金被广泛应用于冶金、矿山、水泥制造等领域[1]。 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金优异的耐磨性主要取决于碳化物的类型、形貌、数量、尺寸及分布；另外，基体的韧性 也对该合金的耐磨性产生影响[2]。一般而言，Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金可以被分为亚共晶、共晶和过共 晶组织[3-5]。与亚共晶 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金相比，过共晶合金中存在大量初生 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物，因此 具有更好的耐磨性[6]。但是，如果 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物以大块形式存在于过共晶 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金组织 中，将大大降低合金的铸造性能[7]。因此，在工程中通常采用铸造的手段来获得亚共晶 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金[8,9]。然而，对于需要高硬度和良好耐磨性的堆焊合金，人们更期望获得过共晶 组织[7,9]。目前，已有学者通过在过共晶 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金中加入钒、铌、钛、钨等有益元素， 从而改善该合金的耐磨性[8-12]。这些研究主要通过增加合金中碳化物的质量分数，或者通过 引入硬质碳化物颗粒而实现。然而，目前关于通过细化 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金中 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物，从而 改善合金力学性能的研究较少。 在前期的工作中[13]，课题组研究了元素碳、铬对 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 堆焊合金显微组织的影响。 采用相图计算软件，对不同碳、铬含量的 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 合金析出相进行了研究。本文是前期工作 的延续，研究合金元素钛对过共晶 Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ 堆焊合金中碳化物形貌的影响。此外，通过凝固 析出相计算和二维点阵错配度理论，对 Ｍ７Ｃ３ 型碳化物的细化机理进行了讨论。
300
3
8
图 1 药芯焊丝明弧堆焊过程示意图 Fig.1 Schematic diagram of ?ux cored arc hardfacing.
采用 Ａｘｉｏｖｅｒｔ ２００ ＭＡＴ 型光学显微镜，日立 Ｓ４８００ 型场发射扫描电子显微镜、ＥＭＡＸ 能 谱仪对堆焊金属微观组织进行观察；采用 Ｄ／ｍａｘ－２５００／ＰＣ 型能谱仪对堆焊金属的物相进行测 定；采用 Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏ Ｐｌｕｓ 软件，对初生碳化物的形貌、尺寸进行定量分析。
为了研究钛对堆焊金属组织的影响，制备四组药芯焊丝，在其他成分不变的前提下，钛含量
分别为 ０ｗｔ．％、０．３ｗｔ．％、０．６ｗｔ．％和 １．２ｗｔ．％。
本文采用自动堆焊设备进行药芯焊丝明弧堆焊。堆焊过程采用多道搭接的方式沉积金
属，每道焊缝长 ５０ｍｍ，搭接宽度为 ４ｍｍ。堆焊过程示意图如图 １ 所示。表 １ 列出了本文所采
Optical microscope (OM), field emission scanning electron microscope (FESEM) with energy dispersive spectrometer (EDS) and X-ray diffraction (XRD) were used to investigate effect of titanium content on the microstructure characteristics of Fe-Cr-C alloy claddings. The solidification sequence calculation and lattice misfit theory were employed to discuss the M 7C3 carbide refinement mechanism. The experimental results show that the
Qinhuangdao, Hebei 066004; 2 School of Material Science and Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031). Abstract: The Fe-Cr-C claddings with different titanium contents were deposited on 45# steel base metal.
3
（１）先进钢铁材料
Ｆｅ）７Ｃ３ 碳化物的形貌呈六边形状。
表 2 堆焊合金及基体化学成分 Tab. 2 Chemical compositions of claddings and base metal.
Claddings
Composition (wt.%)
C
Si
Mn
Cr
Ti
Fe
Base metal (45#)
２ 实验结果
试样显微组织三维示意图及试样的制取过程如图 ２ 所示，四组堆焊试样的化学成分见表 ２ 所示。试样的物相分析结果见图 ３。从显微组织的纵切面可以看出，堆焊试样从堆焊层至 基体可以依次分为堆焊区、重熔区、热影响区和基体。堆焊区组织由初生（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 和共 晶 γ－Ｆｅ＋（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 构成；重熔区的组织为铁素体和共晶 γ－Ｆｅ＋（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 的组合；由于 焊接过程中热输入量较大，因此，堆焊金属热影响区的组织表现为粗大的铁素体晶粒。堆焊 金属组织的生长方向主要取决于焊接熔池中的热流密度方向，因此，初生（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 碳化 物的长轴沿热流密度方向生长。初生（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 碳化物呈六棱柱结构，也就是说，从试样 纵切面来看，初生（Ｃｒ， Ｆｅ）７Ｃ３ 碳化物呈针状或刀锋状形貌；从试样的横切面来看，初生（Ｃｒ，