Nb在高鉻鑄鐵型堆焊金屬中的作用

Nb在高鉻鑄鐵型堆焊金屬中的作用潘川吳智武王移山柳小堅何志勇（中國鋼研科技集團有限公司安泰科技股份有限公司，北京100081)摘要：本文運用洛氏硬度測試、彩色金相分析、掃描電鏡及能譜分析研究了鈮在高鉻鑄鐵型堆焊金屬中的作用，分析了線能量對高鉻鑄鐵型堆焊金屬洛氏硬度和組織的影響。結(jié)果表明：高鉻鑄鐵型堆焊金屬中，不論是否添加鈮元素，同種堆焊金屬線能量越小，裂紋數(shù)量越多，分布越均勻，且裂縫間隙越小。高鉻鑄鐵型堆焊金屬中鈮元素的加入，可以對組織起到明顯細化作用，洛氏硬度值基本不變。關(guān)鍵詞：高鉻鑄鐵鈮堆焊金屬碳化物線能量FunctionsofNiobiumintheHighChromiumCastIronHardfacingMetalPanChuanWuZhi-wuWangYi-shanLiuXiao-jianHeZhi-yong（AdvancedTechnologyandMaterialsCoLtd，ChinaIronandSteelResearchInstituteGroup,Beijing100081)Abstract：Inthispaper,thefunctionsofniobiuminthehighchromiumcastironhardfacingmetalwasstudiedandtheeffectofheatinputontheRockwellhardnessandmicrostructureofthehighchromiumcastironhardfacingmetalwasanalyzedbymeansoftestingRockwellhardness,colormetallography,scanningelectronmicroscopy(SEM)andenergydispersivespectrometry(EDS).Theresultsshowedthattheheatinputinthesamehardfacingmetalwassmaller,whetherornottoaddniobiuminhighchromiumcastironhardfacingmetal,thenumberofcrackswasgreater,itsdistributionwasthemorehomogeneousanditsgapwassmaller.Theadditionofniobiumtothehighchromiumcastironhardfacingmetalcanplaythefunctionofsignificantrefinementmicrostructure,anditsRockwellhardnessremainbasicallyunchanged.Keywords：HighchromiumcastironNiobiumHardfacingmetalCarbideHeatinput0前言高鉻鑄鐵型硬面材料具有優(yōu)異的耐磨性、耐熱性和耐蝕性，同時價格低廉，廣泛應(yīng)用于冶金、電力、礦山、農(nóng)機等領(lǐng)域，是目前用量最大的硬面材料之一。鈮是一種極其重要的微合金化元素，但在鑄鐵領(lǐng)域的應(yīng)用還屬于一項新興技術(shù)。[1]本文設(shè)計了不含鈮和含鈮的兩種高鉻鑄鐵型堆焊金屬，通過三種不同線能量堆焊，研究了鈮在高鉻鑄鐵型堆焊金屬中的作用，分析了線能量對高鉻鑄鐵型堆焊金屬的硬度和組織的影響。1試驗焊絲和試驗方法試驗焊絲是我單位自行研制的自保護藥芯焊絲。試驗設(shè)計了不含鈮和含鈮的兩種高鉻鑄鐵型堆焊金屬，在含鈮的焊絲中用重量百分數(shù)為7％的鈮替代了不含鈮焊絲中相同摩爾數(shù)的鉻，其設(shè)計成分見表1。表1高鉻鑄鐵型堆焊金屬的化學(xué)成分(wt%)編號CSiMnCrNb1X5.01.00.925.002X5.01.00.921.17.0采用藥芯焊絲明弧堆焊的方式，焊絲Φ2.8mm，干伸長40mm，電流I=400A，電壓U=30V,層間溫度≤120℃。堆焊分小、中、大三種線能量，小線能量的焊接速度V=980mm/min，機頭不擺動；中線能量的焊接速度V=370mm/min，機頭不擺動；大線能量的焊接速度V=150mm/min，機頭擺動寬度30mm，擺動速度2.4m/min。不含鈮的堆焊金屬按照小、中、大線能量依次編號為11號、12號、13號，含鈮的堆焊金屬按照小、中、大線能量依次編號為21號、22號、23號宏觀硬度在HR-150DT型洛氏硬度試驗機上進行，測試5點取平均值。用Axiovert-200-MAT型光學(xué)顯微鏡觀察分析了堆焊金屬的彩色金相組織。彩色金相試樣的腐蝕采用二步法，即先用能很好區(qū)別鈮的碳化物的腐蝕液(鐵氰化鉀10g+氫氧化鉀10g+水100ml)腐蝕出碳化鈮顆粒，然后用5%的硝酸酒精溶液進行腐蝕。用JSM-6380LV型掃描電鏡對堆焊金屬組織進行了分析，用GENESIS2000能譜儀對微區(qū)成分進行了測定。2試驗結(jié)果與分析2.1宏觀裂紋和宏觀硬度從堆焊試樣的表面，可以觀察到裂紋的大致分布情況，長度為180mm的焊縫中出現(xiàn)的裂紋數(shù)量見表2。對堆焊金屬表面進行了洛氏硬度測試，測試結(jié)果也見表2。表2高鉻鑄鐵型堆焊金屬的裂紋數(shù)量和洛氏硬度試樣編號111213212223裂紋數(shù)量，條24149271510洛氏硬度，HRC59.860.660.560.860.961.2從表2和對試樣的實際觀察可知，同種堆焊金屬在不同線能量下，線能量越小，裂紋數(shù)量越多，分布越均勻，且裂縫間隙越??；不同堆焊金屬在相同線能量下，含鈮堆焊金屬的裂紋數(shù)量略多于不含鈮堆焊金屬的裂紋數(shù)量。含鈮堆焊金屬與不含鈮堆焊金屬的洛氏硬度值相比較基本不變，兩者都在HRC60左右。2.2顯微組織分析為了研究堆焊金屬的微觀組織，采用掃描電子顯微鏡對不含鈮的11號試樣和含鈮的21號試樣進行了微觀組織分析和能譜分析，并對21號試樣進行了彩色金相分析。11號試樣的掃描電鏡照片見圖1，對應(yīng)的能譜結(jié)果見表3。21號試樣的掃描電鏡照片以及Nb元素的面掃描照片見圖2，對應(yīng)的能譜結(jié)果見表4。21號試樣的彩色金相照片如圖3所示。圖1堆焊金屬11號掃描電鏡照片圖3堆焊金屬21號彩色金相照片(a)背散射電子掃描照片(b)Nb元素的面掃描照片圖2堆焊金屬21號掃描電鏡照片表3堆焊金屬11號的能譜分析結(jié)果(At%)區(qū)域CCrFeSiMn深灰色66.9518.5714.48灰色683.5526.631.450.36表4堆焊金屬21號的能譜分析結(jié)果(At%)區(qū)域CCrFeNbSiMn白亮色72.391.491.2424.88深灰色53.9326.0120.06灰色40.926.2549.212.880.74從圖1和表3可以看出，不含鈮的高鉻鑄鐵型堆焊金屬的組織為典型的過共晶組織。[2-5]基體為奧氏體組織，在圖1中呈灰色，它的化學(xué)成分以鐵為主（由于碳的原子序數(shù)較小，分析結(jié)果不準確），鉻含量很少。在奧氏體基體上分布著大量的初生碳化物和共晶碳化物，這些碳化物在圖1中呈深灰色，其化學(xué)成分中鉻含量最高，同時也含有較多的鐵，為(Cr、Fe)7C3。初生碳化物是六方棱柱體形貌，彼此孤立地、均勻地分布在基體上。共晶碳化物呈顆粒狀、條蟲狀，晶粒尺寸較小，彌散分布于基體上。從圖2和表4可以看出，含鈮堆焊金屬的微觀組織為在過共晶組織的基礎(chǔ)上彌散分布著菱形狀的白色析出物，這些析出物鈮含量很高，鉻和鐵含量都很低，可以判定它們是NbC顆粒。堆焊金屬的不同碳化物，通過彩色金相也可以清晰分辨出。結(jié)合堆焊金屬背散射電子的掃描組織，可以看出:彩色金相中，基體的顏色較白，深灰色組織為初生碳化物(Cr、Fe)7C3，色彩斑斕的彩色顆粒為NbC。NbC顆粒分布于初生碳化物(Cr、Fe)7C3之間或鑲嵌在(Cr、Fe)7C3中。為了研究各種線能量下鈮對微觀組織的影響，對不含鈮的金相試樣11號、12號、13號和含鈮的金相試樣21號、22號、23號采用掃描電子顯微鏡進行了對比分析。其背散射電子的掃描電鏡照片如圖4所示。11號試樣21號試樣12號試樣22號試樣13號試樣23號試樣圖4堆焊金屬背散射電子的掃描電鏡照片從圖4可以看出，不含鈮的堆焊金屬12號和13號的微觀組織與11號基本相同，都為典型的過共晶組織。但是隨著線能量的增大，初生碳化物(Cr、Fe)7C3的晶粒明顯增大。添加Nb元素的堆焊金屬22號和23號的微觀組織與21號基本相同，都為在過共晶組織基礎(chǔ)上彌散分布著白色的NbC。隨著線能量的增大，NbC逐漸合并長大，開始呈現(xiàn)樹枝狀。同時初生碳化物(Cr、Fe)7C3的晶粒也有所增大，但不如不含鈮的堆焊金屬明顯。相同線能量下，對比不含鈮和含鈮的堆焊金屬(11號與21號對比、12號與22號對比、13號與23號對比)的微觀組織，可以看出：鈮的添加，對組織的細化作用非常明顯。這是因為鈮是比鉻更強的碳化物形成元素，在焊縫凝固過程中，鈮優(yōu)先與碳結(jié)合，形成了彌散分布的NbC結(jié)晶核心，阻止了初生碳化物的生長。3結(jié)論(1)高鉻鑄鐵型堆焊金屬中，不論是否添加鈮元素，同種堆焊金屬線能量越小，裂紋數(shù)量越多，裂紋分布越均勻，且裂縫間隙越小。(2)高鉻鑄鐵型堆焊金屬中添加鈮元素，宏觀裂紋數(shù)量少量增加，洛氏硬度值基本不變。(3)高鉻鑄鐵型堆焊金屬中，鈮優(yōu)先與碳結(jié)合，形成了彌散分布的NbC結(jié)晶核心，阻止了初生碳化物的生長，具有明顯的細化晶粒作用。參考文獻：1朱洪波，周文彬，華勤等．高鉻鑄鐵中鈮的研究綜述[J]。上海金屬，2010，32(1)：43~46。2ZhiXiaohui，XingJiandong，F(xiàn)uHanguang，XiaoBing．Effectofniobiumontheas-castmicrostructureofhypereutectichighchro