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高硼合金具有自熔性,即自脱氧性,熔体流动性较好,焊缝成形美观。硼相对资源丰富,可减少W,Mo、Nb和Cr等消耗,显著降低药芯焊丝材料成本。硼合金所含Fe2B主耐磨相热稳定性好、显微硬度高达至1400~1500HV0.1,其耐磨粒磨损性能良好。鉴于以上优点,本文在Fe-Cr-B-C基础上通过优化合金系制备了高硼合金。采用金属粉型药芯焊丝在Q235A上明弧堆焊三层Fe-C-B-Cr系合金,以洛氏、显微硬度计和耐磨粒磨损试验机分别测试合金宏观、显微硬度及其磨损失重;以光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射观察研究合金的显微组织、组织形貌以及相成分。首先,研究了电流对Cr12B4SiMn高硼堆焊合金显微组织及耐磨性的影响。背散射扫描电镜下显示,高硼合金的主耐磨相M2B内置于团状M23(C,B)6中间。电流增大,其四边形M2B数量及其显微硬度的明显提升,而γ-Fe基体消失,M23(C,B)6和α-Fe(M)等相数量减少;Cr12B4SiMn合金随电流增加其宏观硬度先升后降,耐磨性先变好后小幅度波动。耐磨性改善的主要原因是内置式块状M2B的显微硬度和数量显著提升的结果所致,该合金主要磨损机制表现为显微断裂。接着,采用单一组分变量法分别研究了Fe-B、B4C、Mn、Si等组分对高硼明弧合金组织及性能影响。试验表明,含硼组分对焊缝成型、残留熔渣量影响较为明显。Fe-B组分增加时,初生M2B增多,初生硼碳化物M23(C,B)6也增多,合金硬度增大,裂纹敏感倾向加大。B4C升高时,合金晶粒先细化,接着初生相M23(C,B)6变粗,磨粒磨损测试时,硬质相呈块状剥落,致使耐磨性降低。Mn/Si常用于联合脱氧,其中Si是缩小奥氏体区元素,改善熔体流动性,减小飞溅;当硅含量上升时,高硼合金硬度提升,主要因为Si固溶于γ-Fe和α-Fe基体,促进碳原子聚集,致使其硼碳化物集中分布,而初生硼碳化物M23(C,B)6的形态、尺寸和数量对合金硬度影响显著。Mn是奥氏体稳定化合金元素,降低Ms点,适量Mn可增加γ-Fe,对合金韧性有利,试验显示Mn对合金宏观硬度影响不大,对耐磨性影响却较为明显。作为外加强化相,WC/W2C对高硼药芯焊丝的工艺性能及其合金性能都有较大影响。WC/W2C量合适时,焊接过程中飞溅小且少,颗粒过渡较快,堆焊层表面成型好,光亮近于无渣,无孔洞、夹渣等缺陷。WC/W2C促进了高硼合金中M7C3的形成;钨具有固溶强化作用,致使马氏体减少,奥氏体微升,其合金组织呈定向生长。Ti对碳原子亲和力强,生成TiC颗粒(其显微组织硬度为3200~3800HV0.1),弥散分布;TiC相先期形成消耗合金的碳含量,减少了M23(C,B)6中硼含量而使其相韧性得到改善,并以TiC颗粒为非均质形核核心,从而使组织得到细化,提高了合金的耐磨性。但Ti过量,会使焊接气氛还原性太强,对碳化物合成反应起到抑制作用,反而降低合金耐磨性,不宜加入过量。