Page 32 - 《摩擦学学报》2020年第5期
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第 5 期 李嘉祺, 等: 氮合金化堆焊合金往复式摩擦磨损行为的研究 587
在工业生产中，马氏体不锈钢由于具备高强度和 利用Sigma-500型扫描电子显微镜对堆焊合金试
耐磨性，被广泛用于制造关键摩擦副零部件，如阀门、 样进行显微组织观察；使用XRD衍射仪(D/MAX2500，
齿轮和轴等 [1-3] . 此类摩擦副零部件作为机械传动系统 Japan)对堆焊合金试样进行物相分析，管电压40 kV，
中常用的部件，长时间工作在摩擦磨损环境中，常常 管电流40 mA，步进扫描方式，扫描范围为30°~90°，扫
因摩擦副表面之间过度摩擦造成磨损而报废. 通过堆 描速度为0.01 (°)/s；试样经线切割后磨制成小于20 μm
焊技术在磨损零件表面熔覆1层高耐磨堆焊合金，可 厚的薄片，采用离子减薄仪进行减薄，使用JEM-2010
快速修复磨损零件，并使其超过原有抗磨损能力 [4-5] . (UHR)场发射透射电镜进行显微组织观察；利用HR-
国内外学者通过改变钢中碳和微合金元素的组 150AL洛氏硬度仪测量堆焊合金试样的硬度值，在不
合关系，开发了一系列耐磨堆焊合金，如CrC、WC、NbC、 同位置测量5次取平均值.
VC和TiC系复合硬面耐磨堆焊合金. 这类堆焊合金一 使用往复式摩擦磨损试验机(Nanovea TRB，USA)
般通过增加碳含量和合金元素Cr、W、Nb、V和Ti等在 测试堆焊合金试样的摩擦磨损性能，试验示意图如图
堆焊层中形成大量的碳化物硬质相，如(Cr，Fe) C 、 1所示. 摩擦副为直径为6 mm的Si N 球，与堆焊合金
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WC、NbC和VC等，来提高堆焊层耐磨性 [6-9] . 但当碳含 形成“球-盘”接触，润滑条件为干摩擦. 试验过程中，
量过高时，晶界处易出现碳化物偏聚的现象，导致材 Si N 球固定不动. 堆焊合金试样在测试期间进行往复
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料韧性下降，且堆焊时易产生焊接裂纹. 因此，不宜一 移动. 摩擦磨损试验参数如下：施加载荷分别设置为
味通过增加含碳量来提高堆焊材料的耐磨性. 5、10和15 N；往复行程长度5 mm；速度100RPM；时间
鉴于氮原子和碳原子晶体结构相似，点阵常数接 15 min；温度22~25 °C. 摩擦磨损试验后，采用PS50型
近，在钢中有固溶强化和细晶强化的明显优点 [10-13] . 采 光学轮廓仪扫描磨痕的三维轮廓(扫描范围为2 mm×
用氮代替部分碳，在基体表面获得足够多数量的氮化 2 mm，步长为10 μm，扫描速度为3.33 mm/s). 扫描完
物和碳氮化物，可同时提高机械零件表面的强度和韧 成后，用表面轮廓软件分析得到磨痕具体的尺寸数
性，延长材料的使用寿命，提高机械零件在严酷工况 值，并采用扫描电镜(SEM)观察堆焊合金试样在不同
条件下的耐用度和适应性. 因此本文在马氏体不锈钢 载荷下的磨损形貌，分析磨损行为.
堆焊合金中引入氮，并利用合金元素钛和铌的固氮作
用，制备氮合金化堆焊合金，进行载荷分别为5、10和
Load
15 N的往复式摩擦磨损试验，测试其摩擦磨损性能并
分析其摩擦磨损行为，为耐磨材料的开发和应用提供
Pin
Si 3 N 4
理论基础. 10 mm
1 试验材料与方法
10 mm v
试验选用直径为4 mm的1Cr13马氏体不锈钢焊
芯，采用低氢碱性药皮，渣系为CaO-CaF -TiO ，并同 10 mm
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时设计了两种不同的焊条药皮配方，用以制备两种马
氏体不锈钢堆焊焊条. 其中一种堆焊焊条选用的药皮 Fig. 1 Schematic diagram of friction and wear test
图 1 往复式摩擦磨损试验示意图
粉末成分包括大理石、萤石、钛白粉、锆英砂、钾长石、
钼铁、锰铁和稀土硅. 另一种堆焊焊条在上述药皮粉
2 结果与讨论
末成分的基础上，添加了氮化铬进行氮合金化，并加
入了铌铁和钛铁进行固氮. 使用ZX7-400型直流焊机 2.1 组织分析
在Q235钢板上进行焊条电弧堆焊，堆焊层数为6层，保 图2为两种堆焊合金试样形貌的SEM照片. 可以
证层高在10 mm以上. 焊接工艺参数如下：电流种类、 看出，两种堆焊合金基体组织均为板条马氏体，其中
极性为直流反接，焊接电流为130~150 A，焊接电压为 堆焊合金试样W[图2(a)]中板条马氏体尺寸较粗大，且
24~27 V，焊接速度为11~13 m/h. 焊后截取未进行氮 几乎找不到颗粒状第二相. 而堆焊合金试样J[图2(b)]
合金化的堆焊合金试样，记为W；另一种氮合金化堆 中板条马氏体尺寸细小，同时弥散分布有大量颗粒状
焊合金试样，记为J. 第二相. 这些第二相尺寸小于2 μm，沿基体和晶界均
