Fe-Cr-C系硬面合金及其硬质相的研究进展

摘要

针对工件表面的磨损破坏,常通过熔覆、喷涂等手段,在失效位置得到高耐磨性的硬面合金层来进行修复强化.该方法不仅经济方便,还可有效提高工件服役寿命.在表面修复工艺中,硬面层的成分选用极为重要.Fe-Cr C系硬面合金即一类典型的Fe基表面修复材料,目前正广泛应用于各类工矿耐磨部件的表面修复及强化中,与其他成分的硬面合金相比,它具有几大显著优势:(1)成本低廉;(2)强度、韧度、耐磨性优异且较平衡;(3)性能可调节范围广,能满足于多种磨损工况的修复强化.传统的Fe-Cr-C系硬面合金主要依靠其凝固时产生的M3C、M23C6、M7 C3、高碳马氏体等几种高硬度物相来获得一定的耐磨性.然而在实际磨损工况中,通常会出现硬度更高的SiC、Al2 O3等磨料,且近年来,随着各种高新技术的竞相出现,大量机械设备规格的转型升级成为大势所趋,这使得各类耐磨部件需要满足于更为苛刻的服役条件.因此,Fe-Cr-C系硬面合金的耐磨性有待进一步改善.针对这一问题,目前国内外的研究焦点多集中于合金微观组织调控,尤其是硬质相的引入及其尺寸形态改善等,且取得了一系列可观的成果.在硬质相引入方面,探索出各有优缺点的两种引入手段——原位合成法与外界加入法.其中,原位合成法一方面可在熔池反应中得到高热力学稳定性的陶瓷硬质相,另一方面也可在一定程度上强化合金组织.然而,由于熔池高温停留时间短,某些高熔点硬质相生成效率较低.虽外界加入法可有效解决这一问题,但是也需注意硬质相溶解烧损、硬质相与基体界面稳定性差等现象;在硬质相形态控制方面,不少学者探索出合金成分、熔覆制备工艺对硬质相含量、尺寸形态、生长方向的影响.对于合金成分,调整Cr和C的质量比(以下均简称为Cr/C值)或增加C含量可提高碳化物的体积分数,适量合金元素的添加也可通过异质形核作用细化硬质相;在熔覆工艺方面,提高焊后冷却速率可抑制合金凝固初期C原子的扩散,使初生M7C3碳化物呈细小及高密度形态,控制焊后热梯度方向也可使M7 C3垂直于堆焊面生长.此外,在焊接熔池中适当引入磁场也可诱导液态金属的一次枝晶臂分离,增加碳化物的形核质点,从而起到细化组织的作用.基于近年来的最新研究成果,本文归纳了Fe-Cr-C系硬面合金中硬质相调控的研究进展.首先介绍了合金的凝固行为与组织结构,然后着重综述了硬质相的引入方式、形态控制手段,最后对Fe-Cr-C系硬面合金未来可能的发展趋势提出见解,并围绕硬质相拟定了潜在的研究方向,以期为进一步改善Fe-Cr-C系硬面合金的耐磨性提供参考.