球墨鑄鐵表面高能電子束涂覆陶瓷涂層研究

王亞君,陳錫渠,沈宏,王占奎

（1.新鄉(xiāng)學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003；2.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

電子束加工技術(shù)是近年發(fā)展起來的一種先進(jìn)制造技術(shù),其在材料表面改性（電子束表面改性、電子束物理氣相沉積）、機(jī)械加工（高硬材料、易氧化或韌性材料的微細(xì)小孔打孔、復(fù)雜形狀的銑切和焊接）等方面的應(yīng)用已受到廣泛關(guān)注[1-3].球墨鑄鐵的力學(xué)性能大大高于灰鑄鐵,并優(yōu)于可鍛鑄鐵,它的某些性能接近鋼,在磨具、曲軸等方面應(yīng)用很多.球墨鑄鐵應(yīng)用于磨具時對其耐磨性有更高的要求.目前對球墨鑄鐵的表面改性多采用激光相變、激光熔覆等技術(shù)[4-6],本文采用高能電子束對球墨鑄鐵表面涂覆陶瓷涂層,對其形貌和組織及其表面硬度分布進(jìn)行了分析研究.

1 試驗(yàn)方法

以球墨鑄鐵作為試驗(yàn)材料,用陶瓷（本試驗(yàn)選用鈦化硼合金）粉末涂在經(jīng)研磨（以獲得低表面粗糙度）的試樣表面上,對試樣進(jìn)行電子束照射的工藝參數(shù)為：聚焦點(diǎn)直徑0.5 mm,電壓100 kV,電流3 mA,掃描速度 14.5～16 mm/s,作用時間 3×10-2～3×10-1s、平均冷卻速度 1.5×103～6.3×103℃/s.經(jīng)上述工藝涂覆的球鐵試樣的橫截面在金相顯微鏡下觀察其金相組織,并測定其顯微硬度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試樣經(jīng)高能電子束照射、腐蝕后用肉眼可看到近似半圓形的區(qū)域.用金相顯微鏡觀察可看到四個分區(qū)（見圖l）：I-熔覆層；Π-過渡層；Ⅲ-熱影響層；Ⅳ-基體組織.

圖1 高能電子束涂覆陶瓷涂層后球鐵的金相組織四個區(qū)域（×100）

2.1 熔覆合金層

熔覆合金層為又白又亮的合金層,厚度可達(dá)0.6～0.8 mm左右,金相組織呈樹技狀,如圖2所示.

圖2 高能電子束涂覆陶瓷涂層后球鐵表層白亮合金層的金相組織（×1250）

熔覆合金層樹枝狀組織中,樹枝方向接近于最大溫度梯度方向,因熔化時的對流攪動作用而表現(xiàn)出一些不連續(xù).該區(qū)是由樹枝狀的固溶體基體與枝晶間溶入的亞穩(wěn)定的、細(xì)小的、彌散的鈦硼化合物組成的共晶體.

2.2 過渡層

熔覆層里面是0.2 mm左右的過渡層,由部分樹枝狀結(jié)構(gòu)和針狀馬氏體組成.隨深度的增加,樹枝狀晶體變大,且呈無序、無方向性排列,這是由于深度增加對流攪拌作用強(qiáng)度降低所致,同時由于石墨部分溶解,碳集中于小的區(qū)域,故在熱影響區(qū)的近界面處因高的碳濃度而形成針狀馬氏體,熱影響區(qū)的里層,加熱溫度和冷卻速度的持續(xù)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為隱晶馬氏體及少量的屈氏體和石墨.

2.3 熱影響層和基體

過渡層與基體之間有寬度大約0.3 mm的熱影響區(qū),該區(qū)的部分球狀石墨熔解,石墨球變得稀疏,與基體明顯不同.由于熱影響層內(nèi)熱流顯著減弱,對流攪拌作用極小,有利于珠光體的形成,故此層內(nèi)由馬氏體和珠光體組成.隨熱影響層深度增加,加熱溫度和冷卻速度持續(xù)降低,轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為隱晶馬氏體及少量的屈氏體和石墨優(yōu)良的綜合機(jī)械性能,屬強(qiáng)化組織.隨著層深的持續(xù)增加,高能電子束的熱量作用不夠,基體組織沒有顯著變化.

2.4 硬度

經(jīng)高能電子束涂覆后的球鐵的顯微硬度分布如圖3所示.

圖3 高能電子束涂覆陶瓷涂層后球墨鑄鐵的金相組織四個區(qū)域（×100）

其熔覆合金層的硬度值約為1 150 HV,并且整個熔覆合金層的硬度沒有明顯變化.其所以有如此高的硬度是由于鈦硼化合物沉淀在固溶體枝晶內(nèi)的結(jié)果.當(dāng)通過熔覆合金層進(jìn)入過渡層后,出現(xiàn)了部分針狀馬氏體,其硬度在一個小范圍內(nèi)有較明顯變化,硬度值隨過地層深度的增加而降低,其變化范圍為1 000～850 HV.熱影響區(qū)內(nèi),隨深度的增加馬氏體量減少,而珠光體量增加,硬度降低,其變化范圍為800～350 HV.基體硬度約為300 HV.

3 結(jié)論

經(jīng)高能電子束涂履陶瓷涂層的球墨鑄鐵表層組織有四層：熔覆合金層、過渡層、熱影響層和基體.熔覆合金層為樹枝狀固溶體與細(xì)小的鈦化物形成的共晶體,其硬度約為1 150 HV度.經(jīng)高能電子束涂履陶瓷涂層的球墨鑄鐵,得到了用常規(guī)熱處理難以得到的高的表面硬度和內(nèi)部韌性.

[1]陳元芳,鮮楊,金鐵玉,等.電子束加工技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2009,（8）：153-156.

[2]李登波.高壓脈沖電子束在模具表面處理中的應(yīng)用[J].重慶工學(xué)院學(xué)報,2006,20（8）：32-33,146.

[3]安健,李榮廣,李春梅,等.強(qiáng)流脈沖電子束表面改性Al-Pb合金的摩擦磨損行為研究[J].摩擦學(xué)學(xué)報,2007,30（3）：97-101.

[4]余敏霞.合金球墨鑄鐵在模具中的應(yīng)用及其熱處理.模具工程，2008，（7）：78-79.

[5]王文焱,徐晶,謝敬佩,等.TiC含量對激光合金化層組織和耐磨性的影[J].金屬熱處理,2010,（5）：34-37.

[6]郭怡暉,劉金水,劉繼常,等.球墨鑄鐵QT600-3激光相變硬化試驗(yàn)研究[J].材料熱處理學(xué)報,2010,32（5）：118-122.