等离子堆焊Fe基涂层结构、力学性能和耐磨性分析

等离子堆焊Fe基涂层结构、力学性能和耐磨性分析

贺香坚

自贡长城硬面材料有限公司四川自贡643000

摘要：文中通过等离子堆焊制出两类不同堆焊合金的铁基涂层以及用于比较分析的钴基涂层，并详细分析了其力学性能、组织结构，同时，也进一步研究了退火处理对涂层硬度、耐磨性等的影响。通过分析可知，在两类自行制备的Fe基堆焊层合金中，添加B堆焊合金具有更强的耐磨性、力学性能等，同时，由磨损的速度、表层形貌特征及磨损量等方面来说，它的耐磨性相比堆焊Co基涂层还要更好，所以，加B能有效促使堆焊Fe基涂层力学性能、耐磨性的提升。

关键词：等离子堆焊；Fe基涂层；力学性能；组织结构；耐磨性

1、引言

在机械工业制造等过程中，堆焊合金常用的主要有Fe基、Co基和Ni基合金三类。其中，Fe基合金成本相对较低，然而其性能也最差。由于Co资源日渐缺乏，这就要求采取相应处理措施以提升Fe基合金的耐磨性能，从而为代替Co基合金提供条件。在力学性能上，堆焊涂层的力学性能与其碳化物分布情况存在紧密关联，并且对堆焊合金结构组成和强度性能来说，耐磨性是其最重要的评价标准之一。基于此，文中首先通过制备试样、退火处理，并通过设备检测确定堆焊合金结构组成和碳化物分布，然后通过耐磨性测试得到其耐磨性能。

2、试样合金制备

2.1制备试样合金要求

（1）等离子堆焊合金涂层

在试验时，选用某商品堆焊合金，其主要成分见表1，1#是Co基堆焊合金，2#与3#是Fe基堆焊合金，其粉末的成分均匀、含氧量较低，且粉体球形状良好。

表1堆焊合金的粉末组成成分

图1等离子堆焊工艺过程及涂层试样

（2）合金试样的电弧溶炼

在高纯度Ar气体保护之下，选用北京物科光电WKDHL-1型号设备对合金试样进行电弧培炼，所有试样均应多次反复溶炼，以确保试样成分均匀，使溶炼的损失不超过lwt.%。此合金试样用在耐磨性检测中。

2.2试样退火处理

将试样封闭于真空的石英管中，控制真空度不超过1Pa，放在扩散炉内，然后于500℃、800℃温度下分别进行2、4、6、8小时的退火处理。取出试样后可直接放入水中实施浮火。

3、等离子堆焊合金涂层结构与力学性能分析

3.1涂层结构组织

等离子堆焊涂层结构如图2所示。

（a）1#Co基合金涂层；（b）2#Fe基合金涂层；（c）3#Fe基合金涂层

图2金相显微镜下等离子堆焊涂层结构组织

上述三种Co基、Fe基涂层结合区结构有着等离子堆焊层基本的形貌特征。堆焊涂层可细分成涂层表层、近溶合区及溶合区三类亚层。其中，熔合区为与基体平行的带状晶粒，具体表现为犬牙形，这表明基体与涂层间产生了较好的冶金结合效果。在等离子高温源影响下，基体将产生一定区域溶池，且在溶池的底端因基体作用形成较大的温度梯度，成分过冷较小，液固界面的推进速率较慢，容易以平面晶形式产生固结。近溶区，堆焊涂层组织结构以胞状晶与等轴晶为主，也存在部分较短树枝晶粒，这是因为近溶合区受高温源扰动影响，部分微区冷却的速率存在差异，所以其微观结构表现出不均匀。在表面涂层，其组织结构以长直的树枝晶粒为主。伴随温度梯度降低及成分过冷提高，晶核的成长速度加快，所以更主要的是会产生具备一定方向树枝晶体。

与Fe基、Co基涂层结构相比可知，Co基涂层组织分布更规律，其晶粒的形成更有方向性，网格状共晶结构的分布也更为均匀。同时，Co基涂层树枝晶粒间隙小，从而在固结时它的冷却速度会较快，所以晶体的尺寸偏小。

3.2涂层力学性能分析

通过分析可知，三类涂层共晶碳化物相与初晶基体硬度间具有显著差别。通过分析，1#Co基涂层碳化物的硬度为1.9倍的α-Co基体硬度，2#Fe基涂层是2.1倍，3#Fe基涂层是1.7倍。由此可知，共晶碳化物为涂层骨架结构，对其耐磨损性有较大作用，基体的硬度偏低，在磨损时可起协调变形功能。通过对三类涂层微区的纳米压痕硬度比较分析可知，1#Co基涂层的各类物相其硬度值与3#Fe基近似，两者都明显好于2#Fe基涂层。

通过分析三类涂层截面硬度值分布情况可知，1#Co基涂层硬度要比其他两类涂层（约为50HV0.05）要高，且硬度变化情况也更有规律，这主要是因为它的分布均匀，过渡微观结构，齐整的网状共晶碳化物，及碳化物硬度高等共同作用的结果。2#与3#Fe基合金涂层其硬度具有一定范围波动，然而由硬度值上来看其波动相对较小（不大于30HV0.05）。应注意，在与边界相距5μm的涂层范围，2#Fe基合金涂层硬度达到最高，通过分析微米压痕检测数据可知，这是因为2#Fe基涂层的近溶区分布有一定的细晶区所致。同时，因1#与2#涂层基体都是马氏体，3#涂层基体是奥氏体，所以1#与2#涂层基体的硬度偏高，与涂层处硬度差相对不大。

4、等离子堆焊涂层耐磨性分析

4.1堆焊合金涂层成分分析

通过对六元Fe基合金垂直截面图进行分析可得图3所示结果。计算时所采用合金的成分见表1中2#Fe基合金成分，在图中以虚线对其共晶成分点进行标示。在具体固结中涂层的冷却速率很快，使得高温相能够保留，所以在相图计算时，重点研究了共晶成分点周围各相的区域。

（a）Fe-25Cr-6Mo-lSi-2C；（b）Fe-10Ni-6Mo-lSi-2C；（c）Fe-10Ni-25Cr-6Mo-lSi

图3Fe-Cr-Ni-Mo-Si-C合金垂直截面相图

由上图（a）可知，在含Ni量约9%时，其合金达到共晶，在含Ni量偏低时，其涂层内基体相更容易产生BCC组织的α-Fe，提高含Ni量对涂层γ-Fe（奥氏体）的产生与稳定较为有利，在含Ni量达到过共晶成分（如15%）后，M7C3碳化物将在固结中先被析出。由图（b）可知，因设定的含Ni量是10%，所以Cr含量的改变将不会影响基体相晶体组织，共晶点在略小于25%Cr含量处。由图（c）可知，当含碳量约为2%时，合金到达共晶成分，此时改变含碳量将会对碳化物析出次序与类别产生影响。

根据上述对Cr、Ni、C三类关键合金元素的热力学性能研究，为了与2#、3#亚共晶组成的涂层组织进行比较，且考虑含Ni量对奥氏体相的稳定性影响，含Cr量对涂层的耐腐蚀性影响和合金内C的最高固溶度（防止游离C的产生），自行设计过共晶组成的一种Fe基粉末合金：Fe-15Ni-30Cr-6Mo-3.8C-1.5Si-lMn（以N1#标记）。据此可推测，以该合金粉所制出涂层，其微观构成将通过较高硬度的初生碳化物与良好韧性的奥氏体、面积较小的共晶碳化物构成。

同时，为了与2#与3#Fe基合金涂层的奥氏体基体产生比较，且考虑添加硼对改进涂层结构碳化物分布的作用，自行设计含B而不含Ni的第二类Fe基粉末组成：Fe-30Cr-lB-l.5Si-l.7C（以N2#标示）。据此可推测，以该合金所制得的涂层结构为亚共晶形态，有较好BCC结构基体与碳化物分布。

4.2耐磨性

图4堆焊合金组成N1#与N2#摩擦系数测试结果

N1#与N2#堆焊合金摩擦系数检测结果见图4。对N1#堆焊合金，由上图可知，在磨损过程中，其摩擦系数快速由0.7升高到0.8，然后进入平稳磨损过程，摩擦系数始终保持基本稳定，总体过程摩擦系数平均值为0.7824。

N1#合金的磨损原理主要为磨粒磨损。因N1#堆焊合金的碳含量较高，所以大量多边形及板条状初生碳化物组成合金骨架。在初始磨损阶段，因碳化物的骨架影响，奥氏体基体尽管存在一定的脱落和磨损，但磨损量相对较小；同时伴随磨损过程，因压头的反复摩擦影响，引起板条形碳化物出现断裂，造成多边状碳化物发生大量的疲劳细微开裂，碳化物的破碎与断裂致使在摩擦中出现大量的硬颗粒，该颗粒发挥了磨粒磨损作用，在其磨损表层边缘处出现犁刨效应，引起大量的磨痕，同时也造成许多磨屑的出现。

对N2#合金，从上图可知，它的初始摩擦系数仅约0.5，在跑合磨损中快速增加到超过0.7，接着出现小幅降低。在进入平稳磨损后，其摩擦系数前期出现了小幅波动，接着稳定在0.68。在整体磨损中摩擦系数平均值是0.6739。

通过以上分析可知，在磨损过程中，分布较均匀、硬度高的特征使N2#合金碳化物整体骨架得以完整保留，除了少数位置发生碳化物的剥落外，并未发现N1#堆焊合金大量发生轻微开裂现象，这表明N2#合金具有较好的耐磨损性。

5、结论

文中通过分析两种Fe基、Co基等离子堆焊涂层的组织结构、力学性能及耐磨性等可知，在三类商品合金粉末制得的堆焊合金涂层中，Co基涂层组织的分布情况更均匀，且过渡更规律，在两类自行制取的Fe基堆焊涂层中，含硼合金涂层由磨损的速度、表层形貌特征及磨损量等方面来说，都具有更好的耐磨性，所以，加硼能有效促使堆焊Fe基涂层力学性能、耐磨性的提升。

参考文献：

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