20G鋼表面氬弧重熔強(qiáng)化熱浸鍍鋁層的性能

趙 霞, 劉 興, 高麗敏

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

20G鋼表面氬弧重熔強(qiáng)化熱浸鍍鋁層的性能

趙 霞, 劉 興, 高麗敏

(黑龍江科技學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院,哈爾濱 150027)

為改善熱浸鍍鋁層性能,對 20G鋼表面熱浸鍍鋁層進(jìn)行氬弧重熔處理,利用金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和 X射線衍射儀對氬弧重熔前后的組織進(jìn)行了觀察,并測定了氬弧重熔前后截面顯微硬度和表面的耐磨性。結(jié)果表明:熱浸鍍鋁層氬弧重熔強(qiáng)化是可行的。20G熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理后,熱浸鍍鋁層和基體互擴(kuò)散至均勻混合,沿橫截面方向組織由富鋁層和擴(kuò)散層轉(zhuǎn)變?yōu)橹厝蹖雍瓦^渡層,組織得到改善。20G熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理可獲得較高的表面硬度,表面硬度可達(dá) 110 MPa。氬弧重熔處理能明顯改善熱浸鍍鋁層的耐磨性,氬弧重熔處理后氬弧重熔層的相對耐磨性是重熔前的 8.41倍。

熱浸鍍鋁;氬弧重熔;顯微組織;顯微硬度;耐磨性

Abstract:Aimed at improving the perfo rmance of hot dipping aluminizing(HAD),this paper describes surface modification carried out on hot dipping aluminizing coating of 20G steel by argon arc remelting technology,the investigation into pre-and post-argon arc remelting the microstructure by using SEM and XRD,and the determination of microhardness and wear resistance of hot dipping aluminizing coating by argon arc remelting pre-and post.The results prove the feasibility of using surface hardening of hot dipping aluminizing coating by argon arc remelting.Argon arc remelting treatment of the 20G hotdip aluminum coating gives hot dipping aluminizing and inter-diffusion layer substrate the unifo rm mixture due to interdiffusion and allowsorganizations to turn from the Al-rich layer and diffusion layer into remelting layer and transition layer along the tissue cross-section,with resultant improvement in organizations.The hot dipping aluminizing coating,subjected to argon arc remelting,shows better surface microhardness,up to 110MPa.Argon arc remelting trea tmentoffers an obvious improvement in surfacewear resistance of hot dipping aluminizing coating.The argon arc remelting coating,after argon arc remelting treatment,gives relative wear resistance 8.41 times that of hot dipping aluminizing coating before the treatment.

Key words:hot dipping aluminizing(HDA);argon arc remelting;microstructure;microhardness;wear resistance

0 引 言

熱浸鍍鋁法是鋼鐵浸入鋁液后,鋁液與鋼鐵經(jīng)一系列復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng),使之表面粘附防護(hù)涂層的金屬保護(hù)方法[1]。熱浸鍍鋁層具有優(yōu)良的耐熱性、耐蝕性,廣泛應(yīng)用于石油、化工、機(jī)械、建筑、交通工程和民用產(chǎn)品等領(lǐng)域中[2-3]。但熱浸鍍鋁層存在分層現(xiàn)象且鍍層中含有脆性金屬間化合物,易產(chǎn)生裂紋和剝落。因此,降低熱浸鍍鋁層的脆性,充分發(fā)揮熱浸鍍鋁層的優(yōu)異表面性能是亟待解決的技術(shù)問題。

氬弧重熔強(qiáng)化技術(shù)通過鎢極氬弧熱源對金屬材料表面進(jìn)行局部硬化改性處理,實(shí)現(xiàn)自淬火。氬弧重熔后組織均勻致密、明顯細(xì)化,從而提高了材料表面的耐磨性和使用壽命[4-5]。為此,筆者研究了20G鋼表面熱浸鍍鋁層氬弧重熔強(qiáng)化后的組織和性能,探討了熱浸鍍鋁層氬弧重熔強(qiáng)化的可行性。

1 材料與方法

實(shí)驗(yàn)基材選 20G鋼,規(guī)格為 20 mm×20 mm×12 mm。熔劑法熱浸鍍鋁,工藝流程:堿洗→酸洗→助鍍→烘干→鋁液浸鍍→冷卻。浸鍍溫度750℃,保溫時(shí)間 5 min。氬弧重熔設(shè)備采用MW3000型數(shù)字式焊接機(jī),焊接電流 100 A,焊接電壓 10 V,弧焰掃描速度為 240 mm/min,氬氣流量為 7 L/min。

用 XJB-1型金相顯微鏡和MX-2600FE型掃描電鏡進(jìn)行組織觀察,用D/MAX型 X射線衍射儀進(jìn)行物相鑒定,利用MHV2000型顯微維氏硬度儀測試氬弧重熔前后熱浸鍍鋁層的硬度分布。在MMS-2B磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行氬弧重熔前后熱浸鍍鋁層的耐磨性實(shí)驗(yàn)。摩擦對偶件為淬火 GCr15鋼圓環(huán),磨損實(shí)驗(yàn)力為 100 N,轉(zhuǎn)速為 100 r/min,時(shí)間為 60 min。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織成分

鋼的熱浸鍍鋁是鋁與鐵之間相互浸潤、熔化、擴(kuò)散、生長的過程。圖 1所示為熱浸鍍鋁層組織。由圖 1可見,熱浸鍍鋁層存在明顯的分層現(xiàn)象。表層為含有針狀 FeAl3的富鋁層[6],厚度約為 220μm,通過能譜分析,鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 93.7%,其成分基本與鍍液相同。次層為 Al、Fe原子擴(kuò)散生成的金屬間化合物層 (即擴(kuò)散層)。擴(kuò)散層呈舌齒狀嵌入基體,厚度約為 120μm。另外,熱浸鍍鋁層內(nèi)部有細(xì)小的裂紋和夾雜物,使熱浸鍍鋁層與基體的結(jié)合強(qiáng)度降低并影響熱浸鍍鋁層的性能。

圖 1 熱浸鍍鋁層組織Fig.1 M icrographsm icrostructure of HDA

圖 2 氬弧重熔熱浸鍍鋁層組織Fig.2 M icrographsm icrostructure of TIG remelting

圖2所示為熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔后的組織。圖2a為氬弧重熔熱浸鍍鋁層整體形貌,由重熔區(qū)、過渡區(qū)及基體構(gòu)成。過渡區(qū)為在重熔區(qū)與基體間呈白亮色平面生長的組織,重熔區(qū)為從靠近基體的過渡區(qū)向外生長的樹枝晶[5]。在重熔區(qū)內(nèi)部,可見完整的晶粒與晶界,在晶粒內(nèi)均勻地布滿針狀Fe-Al合金,如表 1、圖 2b所示。圖 2c為重熔區(qū)與淬硬區(qū)界面。界面均勻致密,無氣孔、夾雜等缺陷。熱浸鋁層在氬弧重熔處理前,主要由單相的 Al和 Fe2Al5相組成[6],成分分布不均勻。氬弧重熔后,熱浸鍍鋁層由 Fe、Al、FeAl、FeAl3、FeAl6五相組成 ,成分相對均勻。其 XRD衍射圖譜標(biāo)定如圖 3所示。圖 4所示為氬弧重熔前后截面線掃描能譜圖。由圖 4可見,在氬弧重熔前,Al元素在富鋁層含量較高,保持較高峰值,在擴(kuò)散層含量有所降低,保持一定峰值;Fe元素在富鋁層含量很低,保持較低峰值,在擴(kuò)散層含量升高,保持一定峰值。而氬弧重熔處理后,在重熔層與基體的界面上,Al元素由重熔層至基體呈梯度減小,Fe元素由重熔層至基體呈梯度增加;在重熔層內(nèi)部 Fe元素含量較重熔前明顯增加,Fe、Al分布較為均勻。能量集中的氬弧作用使熱浸鍍鋁層與基體表層瞬間加熱至熔化,在極短時(shí)間內(nèi)熱浸鍍鋁層和基體發(fā)生強(qiáng)烈的互擴(kuò)散并達(dá)到均勻混合,Fe、Al元素重新分布,沿橫截面方向出現(xiàn)了組織變化[5,7]。

表 1 圖 2b針狀物質(zhì)的化學(xué)成分Table 1 Composition of point fig.2b

2.2 顯微硬度

圖 5為熱浸鍍鋁層氬弧重熔前后的截面顯微硬度分布曲線。由圖 5可見,氬弧重熔處理能明顯提高熱浸鍍鋁層的顯微硬度。未重熔處理前熱浸鍍鋁層的顯微硬度差異較大,富鋁層約為 30 MPa,擴(kuò)散層約為 80MPa,20G基體約為 20 MPa。而重熔處理后,重熔區(qū)硬度較均勻,約為 110 MPa。在過渡區(qū)硬度梯度下降至基體。

圖 5 氬弧重熔前后顯微硬度曲線Fig.5 Curves of hardness by TIG remelting pre-and post

硬度分布與組織有關(guān)。重熔處理后,Fe、Al元素?cái)U(kuò)散較為均勻,表面富鋁層消失,重熔區(qū)內(nèi)晶粒均勻致密 ,且含有 FeAl、FeAl3、FeAl6合金相 ,故硬度較高。過渡區(qū)組織主要為馬氏體 +殘余奧氏體。這是因?yàn)樵谌刍鄢匾粋?cè)的固相基體在氬弧熱作用下奧氏體化,焊接速度較快,奧氏體晶粒來不及長大,在基體自激冷作用下,發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,故硬度也較高。由于過渡區(qū)至基體氬弧熱輸入降低,溶入奧氏體的碳含量減少,馬氏體相變生成的馬氏體含碳含量呈遞減趨勢,硬度也逐漸降低[4]。

2.3 耐磨性

圖 6所示為氬弧重熔前后熱浸鍍鋁層的相對耐磨性。ε=ma/mb(ma為 20G試樣單位時(shí)間內(nèi)的磨損量,mb為熱浸鍍鋁層試樣氬弧重熔前后單位時(shí)間內(nèi)的磨損量,ε為相對耐磨性)。由圖 6可見,氬弧重熔處理能明顯改善熱浸鍍鋁層的耐磨性,氬弧重熔處理前,熱浸鍍鋁層的相對耐磨性是 0.43,處理后氬弧重熔層的相對耐磨性是 3.65,是氬弧重熔前的 8.41倍。

圖 7所示為 20G、熱浸鍍鋁層、氬弧重熔層磨損后的表面形貌。從磨損形貌上分析,熱浸鍍鋁層磨損形貌為明顯的粘著磨損特征 (圖 7a),20G磨損形貌為較寬深的犁溝 (圖 7b),而氬弧重熔層磨損形貌為輕微的粘著 (圖 7c)。

磨損性能與試件的組織和表面硬度有關(guān)。20G組織為鐵素體 +珠光體,硬度較低,耐磨性不高。熱浸鍍鋁層表層為富鋁層,硬度低,易粘著,耐磨性差。熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理后,表層富鋁層消除,轉(zhuǎn)變?yōu)槎喾N Fe-Al合金相,硬度提高,耐磨性顯著改善。

3 結(jié) 論

(1)熱浸鍍鋁層氬弧重熔強(qiáng)化是可行的。20G熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理后,分層現(xiàn)象消失,組織上梯度過渡。熱浸鍍鋁層由富鋁層和擴(kuò)散層轉(zhuǎn)變?yōu)橹厝蹖雍痛阌矊?組織得到改善。

(2)20G熱浸鍍鋁層經(jīng)氬弧重熔處理可獲得較高的表面硬度,表面硬度可達(dá) 110MPa。

(3)氬弧重熔處理能明顯改善熱浸鍍鋁層的耐磨性。氬弧重熔處理后氬弧重熔層的相對耐磨性是重熔前的 8.41倍。

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(編輯 晁曉筠)

Performance of hot dipping alum iniz ing layer on 20G steel surface by argon arc remelt ing

ZHAO X ia, L IU X ing, GAO Lim in
(College ofMaterials Science&Engineering,Heilongjiang Institute of Science&Technology,Harbin 150027,China)

TG174.4

A

1671-0118(2010)05-0333-04

2010-08-30

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11553085)

趙 霞 (1980-),女,黑龍江省哈爾濱人,講師,碩士,研究方向:金屬材料表面改性,E-mail:sunyxzhaox@163.com。