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堆焊高铬铸铁的侵蚀磨损行为:腐蚀颗粒的影响
作者简介:S.G. Sapatea，*， A.V. RamaRaob,1
维斯瓦拉亚国家理工学院(前身为VRCE)冶金工程系，
印度南安巴扎里路440011号
印度南安巴扎里路维斯瓦拉亚国立理工学院冶金工程系
2002年11月18日收到;2004年9月30日收到的修订表格;2004年10月20日接受申请
2005年2月25日网上可得
摘要
采用熔剂包芯电弧焊接方法，制备了5种工业用高铬铸铁堆焊合金。采用空气鼓风式冲蚀试验台，在50 m 每秒速度下，冲击角15°-90°下，采用125 - 150mu;m水泥熟料、125 - 150mu;m高炉烧结矿、100 - 150mu;m硅砂和125 - 150mu;m氧化铝颗粒进行了固体颗粒冲蚀试验研究。根据腐蚀颗粒的相对硬度和腐蚀颗粒引起碳化物粗断裂的能力，合理化观察到的侵蚀速率。研究发现，高铬铸铁堆焊时，冲蚀速率对冲击角的依赖性较弱。然而，当合金被不同的腐蚀颗粒侵蚀时差异明显。结果表明，当腐蚀颗粒比碳化物更软时，碳化物的体积分数越大，其耐蚀性越好。硅砂颗粒在正常冲击下和氧化铝颗粒体积分数较大时，碳化物的抗蚀性较差。侵蚀机理包括小尺度裂纹、边缘效应、压痕、断裂和疲劳。
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关键词:耐磨堆焊;侵蚀的;撞击角;边缘效应;碳化物体积分数;缩进
1.介绍
将陶瓷相分散到更具韧性的基体中以提高耐磨性的策略已成功地应用于耐磨领域，例如WC-Co合金和高铬铸铁。高铬铸铁在两体和三体磨料磨损情况下，当磨料颗粒比碳化物颗粒更软时，其耐磨性是软钢的20-25倍[1-2]。高铬铸铁具有优异的耐磨性是由于组织中存在大量的M7C3碳化物(1300-1800 Hv)。文献[3-8]对高铬“白口铸铁”在铸态和熔敷态中的耐磨性进行了详细的记录，但数据很少可用于铸铁或焊接沉积形式的白口铸铁的腐蚀行为。
Kosel和Ahmed[9]对模型合金进行了广泛的腐蚀研究;Cu-Al2O3和Cu-WC (W2C)在不同的侵蚀条件下与石英颗粒形成了边缘效应，并将其作为第二相颗粒材料去除的侵蚀机理之一。Hansen[10]对比了大量金属合金在27 mm氧化铝颗粒侵蚀下的侵蚀速率，发现25%铬铁在正常冲击角下的侵蚀速率是钨铬钴合金的1.25倍。Aptekar和Kosel[11]、Stevenson和Hutchings[12]和Katavic[13]对高铬铸铁的冲蚀研究表明，冲蚀率对入射角的依赖性较弱，冲蚀率峰值出现在冲击角50 ~ 908之间。史蒂文森和哈钦斯的[12]表明，堆焊白口铸铁的等级显著的差异取决于磨损颗粒的硬度和撞击角。
高铬“白口铸铁”广泛应用于焊接熔敷成形中，以保护工程构件免受来自制造业采矿业中水泥钢铁的磨损冲蚀。本文对不同腐蚀颗粒堆焊高铬铁合金的耐蚀性进行了研究。
- 实验
2.1.材料
采用熔剂芯电弧焊技术，在10毫米厚的低碳钢基板上沉积了5种不同牌号的高铬铸铁焊缝堆焊合金，并对其进行了冲蚀试验。在每一种情况下，沉积两层合金，分别为F1、F2、F3、F4和F5，沉积厚度为5毫米。以低合金钢S1为参比材料，在焊接条件下沉积。焊接堆焊合金和参考材料的化学成分如表1所示。
2.1.1.金相
15个标本!采用标准金相技术制备15mm。用Kallings蚀刻剂对高铬铁堆焊合金的抛光试样进行蚀刻，用2% Nital对低合金钢进行焊接沉积。扫描电镜观察表明，堆焊合金的显微组织尺度不同。F1合金为亚共晶组织，由细小的共晶碳化物(1-2 mm)和原生奥氏体组成，而F2合金的组织为M7C3型大型原生碳化物。原生碳化物被共晶碳化物和奥氏体基体包裹。在F3、F4和F5合金的显微组织中也存在M7C3碳化物。此外，合金F4和F5的背散射SEM图像显示出白色区域，这些区域被识别为铌碳化物，EDX对这些区域进行了分析。
2.1.2。硬度测量
用Indentec make Vickers压痕硬度计测定了30公斤载荷下的体硬度。采用Shimadzu make维氏显微硬度计，在100 g载荷下对堆焊高铬铁合金的显微硬度进行了测定。采用抛光和蚀刻试样进行显微硬度测定。高铬铁合金组织中共晶碳化物的尺寸较小，使得共晶碳化物的显微硬度难以测量。结果中报告了10个读数的平均值。硬度和显微硬度值见表2。
2.1.3。腐蚀粒子的特性
本研究采用水泥熟料、高炉烧结矿、硅砂和氧化铝作为腐蚀颗粒。用振动筛对腐蚀颗粒进行干燥筛分，得到所需的馏分。在扫描电镜下观察了腐蚀颗粒的形态和大小。图1(a-d)为腐蚀颗粒的SEM照片。与水泥熟料、高炉和氧化铝颗粒(125 - 150mm)相比，硅砂颗粒(100 - 150mm)的粒度分布较宽。与硅砂颗粒相比，水泥熟料、高炉烧结矿和氧化铝颗粒具有较大的棱角度。为了测试压痕硬度，腐蚀颗粒被安装在冷固化树脂中，然后用连续的砂纸研磨，然后用氧化铝抛光。采用岛津氏硬度维氏微压痕仪测定了压痕硬度。表3给出了腐蚀粒子的物理性质。
2.2。腐蚀测试
采用鼓风式冲蚀试验台进行了冲蚀试验。用于冲蚀试验的试样为长20毫米、宽15毫米、厚5毫米的矩形块体。试样直接安装在喷嘴下方，喷嘴端与试验表面的距离为10mm。采用双圆盘仪[14]测定了颗粒速度。在整个侵蚀研究过程中， 5 g 每分钟的颗粒进给量保持不变。所有侵蚀实验均在室温下进行。
采用水泥熟料、高炉烧结矿、硅砂、氧化铝颗粒等材料，在冲击角为15°、30°、60°、90°、速度为50 m 每秒的条件下进行了冲蚀试验。通过将试样暴露在腐蚀介质中，确定了合金的稳态腐蚀速率。根据腐蚀颗粒和目标材料的不同，以25-100克的顺序递增。每次暴露后，用干燥的压缩空气将标本取出并清洗。用酒精清洗标本，然后用数字电子天平称重，准确度为0.1 mg。在腐蚀粒子质量损失图上得到一系列点，并对这些点拟合一条直线，由该线的斜率得到稳态侵蚀速率。用质量损失测量值来表示腐蚀颗粒的侵蚀速率(g/g)。利用扫描电镜观察腐蚀表面，研究其侵蚀机理。
此外，还对高铬铸铁堆焊件的抛光和腐蚀试样进行了短时间腐蚀试验，以观察单独的冲击事件。焊接堆焊合金的抛光和蚀刻特征被暴露在低剂量的腐蚀颗粒(通常重0.5-1克)下，随后在SEM下观察，以研究单个微组分对固体颗粒侵蚀的响应。
3.结果
图2(a - d)分别为125 - 150mm水泥熟料、125 - 150mm高炉烧结矿、100 - 150mm硅砂和125 - 150mm氧化铝颗粒冲击角50m 每秒堆焊高铬铸铁的侵蚀速率变化情况。
图3为在125 - 150mm水泥熟料、125 - 150mm高炉烧结矿、100 - 150mm硅砂和125 - 150mm氧化铝颗粒的作用下，冲击角为50m 每秒的熔积钢S1的侵蚀速率变化情况。
熔敷钢的冲蚀速率与冲击角曲线S1表现出韧性特征;冲蚀峰值出现在30°冲击角处，而堆焊高铬铸铁在60-90°个冲击角处冲蚀速率最大。一般情况下，堆焊铸铁合金的冲蚀速率对冲击角的依赖性较弱，在正常冲击下，二氧化硅颗粒与水泥熟料颗粒的差异最大，水泥熟料颗粒的差异最小。
无论撞击角度如何，125 - 150mm水泥熟料颗粒F1合金的侵蚀速率均高于其他合金。在正常冲击下，F2合金的侵蚀率最低。在高炉烧结矿中，无论冲击角大小，F1合金的冲蚀率均高于其它堆焊合金。在100 - 150mm硅砂颗粒的作用下，堆焊合金的冲蚀速率峰值为90°冲击角。F2和F3合金的冲蚀速率随冲击角的增加而不断增加。F2合金对水泥熟料和高炉烧结矿颗粒的侵蚀率最低，但在正常冲击下对堆焊合金的侵蚀率最高。F2和F5合金与硅砂和氧化铝颗粒的冲击角分别为30°和90°，是所有堆焊合金中侵蚀率最低的。在125 - 150mm氧化铝颗粒中，类似寝室条件下硬质合金的侵蚀率是100 - 150mm硅砂颗粒的1.5-2.0倍。
图4和图5分别为125 - 150mm高炉烧结矿颗粒和100 - 150mm硅砂颗粒在正常冲击角下以50m 每秒的速度侵蚀F2和F4合金的磨损表面SEM照片。图6和图7分别为100 - 150mm硅砂颗粒以50m 每秒的速度、90和30°的冲击角对F2合金表面进行了短时间试验后的SEM照片。图8为125 - 150mm氧化铝颗粒以50m s每秒的速度、30°的冲击角侵蚀F5合金时磨损表面SEM照片。
4.讨论
研究结果表明，焊缝堆焊白口铸铁的EKa特性取决于腐蚀颗粒的相对硬度，而腐蚀颗粒的相对硬度又决定了基体和碳化物对腐蚀过程的相对贡献。发现堆焊高铬铸铁的冲蚀速率对冲击角的依赖性较弱，这与前人对高铬铸铁冲蚀的观察结果一致[11-13]。在60°撞击角处，水泥熟料颗粒和烧结颗粒的侵蚀速率达到峰值。Zhu和Mao[15]报道了用较软的腐蚀性颗粒对较硬的材料进行侵蚀的类似观察。
腐蚀体对碳化物和基体的不同硬度可以很好地解释堆焊合金的侵蚀速率。腐蚀颗粒要能使靶材塑性缩进，其硬度应比靶材[16]的硬度大1.2倍左右。用水泥熟料颗粒和高炉烧结矿颗粒，侵蚀硬度(He)与碳化物硬度(Hc)的比值，
即He/Hc分别不大于0.3和0.6。水泥熟料和高炉烧结矿颗粒都不能缩进高铬铁合金中的原生碳化物，也不会导致其断裂，从而为基体提供保护，磨损率较低，为90°。30°时，水泥熟料颗粒无法通过微加工从基体中去除材料，而是由于其硬度较低而在冲击下断裂。破碎水泥熟料颗粒通过二次冲蚀[17]对总冲蚀率的贡献不大，因为鉴于影响速度，冲击后尺寸进一步减小。虽然没有水泥熟料颗粒断裂的证据，但由于侵蚀颗粒破碎程度的增加，预计二次侵蚀的程度会随着冲击速度的增加而增大。在腐蚀颗粒较软的情况下，从碳化物中去除材料的主要侵蚀机理为边缘切削，如图4所示。由于硬质合金颗粒边缘缺乏相对较软基体的支撑，预计材料会优先通过微裂纹的方式从边缘处去除，导致硬质合金颗粒边缘圆整。与其它合金相比，F2合金中含有较大的原生碳化物，水泥熟料和高炉烧结颗粒的侵蚀率最低。如果较硬的第二相颗粒大于边缘削削引起的圆度，则有利于[12]的抗蚀性。高炉烧结矿中腐蚀性颗粒He与基体Hmat的硬度比值接近1.2，因此，与较软水泥熟料颗粒相比，基体的磨损程度预计会更大。这反映在高炉烧结矿颗粒侵蚀率较高，是水泥熟料颗粒侵蚀率的近4倍。因此，可以认为，水泥熟料颗粒对堆焊合金的侵蚀速率取决于合金的整体硬度，而高炉烧结颗粒的基体硬度有望成为决定堆焊合金侵蚀速率的一个控制因素。与水泥熟料和高炉颗粒硬度小于碳化物的硬度相比，高铬铸铁堆焊合金中硅砂颗粒硬度介于原生碳化物和基体之间。图5为正常冲击角下100-150个硅砂颗粒以50m 每秒的速度侵蚀F4合金时的磨损表面，其中可以观察到由于边缘断裂而导致的碳化物颗粒的大量边缘圆角。硅砂颗能够在90°处缩进并造成原生碳化物的粗断裂，如图6所示。靠近基体表面的碳化物体积分数高，容易提高基体的塑性应变，导致碳化物颗粒[11]的快速去除。这导致含较高体积分数碳化物的堆焊合金在较高角度上的磨损速率增加。事实上，F2合金在90°处硅砂颗粒的侵蚀速率超过了熔敷低合金钢(159.3 mg/g)的侵蚀速率，说明在这种侵蚀条件下，堆焊合金并不比熔敷低合金钢具有任何优势。在30°冲击角下，碳化物不容易断裂，碳化物颗粒从表面突出，对基体起到一定的保护作用。在30°的冲击角下，通过赫兹弹性接触引起的微破裂，将材料以小片状的形式从碳化物中去除，如图7所示，使得碳化物颗粒的侵蚀速度较慢。
在高铬铸铁焊缝堆焊合金中，氧化铝颗粒的硬度大于基体和碳化物的硬度。对于氧化铝颗粒，由于氧化铝颗粒能够塑性压缩碳化物，初级碳化物不再有效地保护基体免受腐蚀颗粒的侵蚀。与塑性压痕相关的残余应力导致了与表面近似平行的侧向气孔裂纹的产生，这些裂纹在很大程度上导致了[10]材料的去除。由图8可以看出，采用横向断裂的方法去除碳化物，图8为125 - 150mm氧化铝颗粒在30°冲击角下侵蚀F5合金的侵蚀面。还可以观察到，大多数碳化物被压制或与基体处于同一水平。由于氧化铝颗粒的棱角较大，基体的侵蚀率也相对较高。这反映在硬化合金的侵蚀速率上，在30°撞击角下，硬化合金的侵蚀速率是硅砂颗粒的1.5倍。SEM下对侵蚀表面的观察表明，基体材料的去除机理是韧性切削，而不是用较软的腐蚀性颗粒在较低的冲击角下进行犁耕[18-20]。在正常冲击下，材料通过Finnie[21]和Hutchings[22]描述的疲劳过程从基体中去除。
冲蚀率并与低合金钢焊缝堆焊铸铁进行了比较。结果表明，与含有水泥熟料颗粒的S1合金相比，焊缝堆焊铸铁合金的相对耐蚀性提高了10 ~ 14倍。高炉烧结矿颗粒在正常冲击角下，焊缝堆焊铸铁合金的相对抗冲蚀性能是S1合金的2-3倍，与水泥熟料颗粒相比，S1合金的相对抗冲蚀性能降低了3倍。在30°冲击角下，硅砂颗粒堆焊合金的耐蚀性不超过S1合金的2倍。用氧化铝颗粒侵蚀铸铁表面时，其侵蚀速率是S1合金的两倍以上。Aptekar和Kosel[11]在比较高铬铸铁合金和退火后的1020碳钢的侵蚀率时报告了类似的观察结果。
本文以50 m 每秒的冲击速度进行了冲蚀试验。随着速度的增加，焊缝堆焊铸铁的腐蚀速率受较软的腐蚀颗粒对碳化物颗粒断裂能力的影响。研究表明，较软的腐蚀颗粒对冲击速度的依赖性较强，这与碳化物从边缘切削到粗断裂的去除机理转变有关。由此可以得出，在一定的侵蚀条件下，较大体积分数的碳化物只能在较软的侵蚀颗粒中发挥有益的作用，而较大体积分数的碳化物则不利于较硬的侵蚀颗粒的抗蚀性。
5. 结论
1.高铬铸铁焊缝堆焊时，冲蚀速率与冲击角的关系一般较弱。磨蚀速率的峰值出现在冲击角为60-90°时，这取决于合金和腐蚀颗粒的硬度。
2.在一定的腐蚀条件下，可以根据腐蚀颗粒的相对硬度来合理确定高铬铸铁焊缝堆焊件的腐蚀速率。
3.根据腐蚀颗粒的性质和撞击角，焊缝堆焊合金的等级有显著
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