热处理对Fe-Mo-Cr-B堆焊合金组织的影响学习体会

文献概况

本文发表于2016年《武汉科技大学学报》第39卷第3期，由武汉科技大学材料与冶金学院张恒等作者完成，基金来源为湖北省科技攻关计划项目（2004AA101C49）。研究以Mo、B、Cr、Ni、C及Fe粉末为药芯，低碳冷轧H08A钢为外皮，采用药芯焊丝埋弧堆焊方法制备Fe-Mo-Cr-B堆焊合金，并分别对堆焊试样进行淬火与退火处理。结合光学显微镜、SEM、EDS、XRD及硬度测试等手段，系统研究了热处理前后堆焊层组织、物相、成分及硬度变化。

Fe-Mo-Cr-B堆焊合金的相组成

堆焊态组织

文献结果表明，Fe-Mo-Cr-B堆焊合金在堆焊态下的组织由以下相组成：

硼化物相的形态学特征

堆焊态下，硼化物相呈现典型的网状共晶组织特征：

• Mo₂FeB₂：呈网状或颗粒状分布在α-Fe基体中，是主要的耐磨相。
• (Fe,Cr)₂B：呈板条状或网状分布，硬度低于Mo₂FeB₂。
• (Fe,Cr)₂₃(B,C)₆：少量存在，通常位于三相共晶区域。

网状硼化物共晶组织是堆焊态合金的典型特征，这种组织虽然硬度高，但脆性大，容易成为裂纹源。

热处理工艺与组织演变

淬火处理（950℃/30min + 空冷或油冷）

淬火处理对堆焊层组织的影响：

1. 网状硼化物共晶组织消失：高温保温使硼化物相发生溶解和再分布。
2. 物相组成简化：淬火后物相组成为α-Fe和颗粒Mo₂FeB₂。
3. 硬度提高：淬火后的硬度显著提高，且分布较为均匀。
4. 界面过渡层增厚：与基体结合界面的过渡层厚度增加。

退火处理（950℃/30min + 炉冷）

退火处理对堆焊层组织的影响：

1. 网状硼化物共晶组织消失：与淬火类似，高温保温使硼化物相溶解。
2. Mo₂FeB₂数量增多：退火试样中Mo₂FeB₂数量较多，呈颗粒状均匀分布。
3. 硬度提高：硬度显著提高，且分布均匀。
4. 界面过渡层增厚：与淬火类似，界面过渡层厚度增加。

淬火与退火的对比

热处理机理分析

硼化物相的溶解与再析出

热处理过程中，硼化物相经历了溶解-再析出的过程：

1. 加热阶段：温度升高至950℃，部分硼化物相开始溶解。
2. 保温阶段：30min保温使硼化物相充分溶解，成分均匀化。
3. 冷却阶段：

• 淬火：快速冷却抑制硼化物相的再析出，形成过饱和固溶体，硬度高但脆性大。
• 退火：缓慢冷却允许硼化物相均匀再析出，形成弥散分布的Mo₂FeB₂颗粒，硬度高且韧性较好。

界面过渡层的形成

热处理后界面过渡层厚度增加的原因：

1. 扩散作用：高温下基体与堆焊层之间的元素互扩散加剧。
2. 成分均匀化：熔合区的成分梯度减小，过渡层变宽。
3. 组织转变：界面区域的组织发生转变，形成新的过渡组织。

界面过渡层的增厚有利于：

• 改善堆焊层与基体的冶金结合。
• 减小界面处的应力集中。
• 提高整体结构的承载能力。

工艺参数优化建议

热处理温度选择

950℃保温30min是文献采用的热处理工艺，该温度选择基于以下考虑：

1. 低于共晶温度：避免完全熔化，保持堆焊层的完整性。
2. 高于A₁温度：确保铁素体向奥氏体转变，促进硼化物溶解。
3. 适当保温时间：30min足以使硼化物相充分溶解，又不至于导致晶粒粗大。

冷却方式选择

淬火和退火的选择取决于具体应用需求：

• 淬火：适用于要求高硬度、高耐磨性的工况，但需注意残余应力和脆性问题。
• 退火：适用于要求综合性能（硬度+韧性）的工况，残余应力小，可靠性高。

工程应用与质量控制

典型应用领域

Fe-Mo-Cr-B堆焊合金经热处理后，可应用于以下耐磨工况：

1. 矿山机械：破碎机衬板、球磨机衬板。
2. 水泥工业：回转窑衬板、磨辊衬板。
3. 电力行业：磨煤机衬板、风机叶片。
4. 冶金行业：高炉炉衬、转炉衬里。

质量检验要点

关键思考

1. 热处理工艺窗口：950℃/30min是文献采用的工艺，是否可以通过正交试验或响应面法进一步优化热处理工艺窗口？
2. 多次热处理的影响：多次热处理是否会导致硼化物相的粗化或组织退化？
3. 服役条件下的组织稳定性：热处理后的组织在实际服役条件下（高温、磨损、腐蚀）是否稳定？
4. 与新型合金的对比：Fe-Mo-Cr-B合金与其他新型耐磨合金（如高铬铸铁、陶瓷基复合材料）相比，各有何优劣？

学习心得

该文献系统揭示了热处理对Fe-Mo-Cr-B堆焊合金组织与性能的影响规律，为堆焊合金的性能优化提供了重要的工艺依据。"网状硼化物消失→Mo₂FeB₂弥散分布→硬度提高且均匀"这一组织演变规律的阐明，体现了热处理在改善堆焊层性能方面的关键作用。淬火和退火两种冷却方式的对比研究，为不同工况下的工艺选择提供了参考依据。在实际工程中，应根据具体应用需求（硬度、韧性、耐磨性、可靠性等）选择合适的热处理工艺，并通过严格的工艺控制和质量检验，确保堆焊层的性能满足设计要求。该研究也提示我们，堆焊合金的性能优化是一个系统工程，需要从合金设计、堆焊工艺、热处理工艺等多个环节进行综合优化，才能实现性能的最大化。