等離子熔覆鐵基合金＋鎳包WC復(fù)合涂層熱力學(xué)分析

盧金斌，彭竹琴，湯 峰，靖長青

（1.中原工學(xué)院，鄭州450007；2.鄭州日產(chǎn)汽車有限公司，鄭州450016）

高能束熔覆是提高金屬材料耐磨性的重要方法之一，近年來得到了迅速的發(fā)展［1－3］.其中，等離子束因其成本低廉而得到了廣泛的應(yīng)用.鐵基合金涂層與鋼鐵材料基體成分接近，界面結(jié)合牢固，成本低廉，而WC顆粒具有高熔點(diǎn)、高硬度和較好的穩(wěn)定性，且碳化鎢顆粒與鐵基合金的潤濕角幾乎為零，添加WC作為增強(qiáng)相進(jìn)行熔覆的試驗(yàn)研究較多，其復(fù)合涂層微觀組織較為復(fù)雜［4－7］.采用計(jì)算機(jī)軟件模擬材料組織演化的技術(shù)發(fā)展很快，已成為材料設(shè)計(jì)和加工工藝制定的有效工具，尤其是與傳統(tǒng)金相分析技術(shù)相比較，這種模擬分析更是研究復(fù)雜組織轉(zhuǎn)變的有力工具.Thermo－calc Software是瑞典皇家理工學(xué)院材料科學(xué)與工程系開發(fā)出來的熱力學(xué)計(jì)算軟件，該軟件專注于熱力學(xué)計(jì)算和擴(kuò)散模擬領(lǐng)域.本文采用試驗(yàn)和熱力學(xué)計(jì)算的方法對(duì)等離子束熔覆添加不同比例WC的鐵基復(fù)合涂層微觀組織進(jìn)行了分析.

1 試驗(yàn)材料與研究方法

基體材料采用Q235鋼，其組織為珠光體＋鐵素體，化學(xué)成分見表1，試樣尺寸為200mm×16mm×5mm，表面經(jīng)去油除銹處理.鐵基合金的化學(xué)成分見表1，其粒徑為44～104μm.鎳包碳化鎢粉的化學(xué)成分為12%（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）的Ni和88%的 WC.鐵基合金添加10%、30%、50%的鎳包碳化鎢粉末后用有機(jī)膠調(diào)成糊狀，均勻涂敷于Q235鋼試樣表面，寬度為7～9mm，厚度為2.5～3mm，150℃烘干.

表1 基體材料與鐵基合金粉末的化學(xué)成分 %

采用自制的等離子設(shè)備進(jìn)行熔覆處理，工藝參數(shù) 見表2.

表2 等離子束熔覆過程的工藝參數(shù)

采用X射線衍射儀分析涂層的相組成；采用Thermo－calc Software軟件包中的TCW軟件對(duì)添加不同比例鎳包WC的鐵基合金涂層組織進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

采用等離子熔覆技術(shù)在Q235鋼基材上制備了分別添加10%、30%、50%鎳包 WC的Fe－Cr－B－Si合金復(fù)合涂層，其表面光滑且無宏觀氣孔和裂紋，但隨著WC含量的增加，涂層光滑度有所下降.

2.1 涂層X射線衍射分析

添加10%、30%、50%鎳包WC的鐵基合金復(fù)合涂層的X射線衍射圖譜如圖1所示.由圖1可知，添加10%鎳包 WC的涂層的主要物相是γ－Fe、α－Fe、Cr23C6；添加30%鎳包WC的涂層的主要物相是γ－Fe、α－Fe、Cr23C6、Fe3W3C、WC；添加50%鎳包 WC的涂層的主要物相是γ－Fe、Fe3W3C、Fe6W6C、W2C、WC.

圖1 涂層的X射線衍射圖譜

2.2 3種復(fù)合涂層微觀組織的熱力學(xué)計(jì)算

為了進(jìn)一步研究添加WC后鐵基合金熔覆組織的形成過程，有必要對(duì)其進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算.本文采用熱力學(xué)計(jì)算軟件Thermo－calc中的Equilbria模塊模擬分析涂層的物相.盡管該模塊計(jì)算的是平衡相圖，與實(shí)際涂層組織的物相會(huì)有一定的差距，但對(duì)分析熔覆過程涂層的組織演化提供了理論依據(jù).

對(duì)添加不同比例鎳包WC的鐵基合金進(jìn)行相圖計(jì)算，結(jié)果如圖2－圖4所示.下面分析不同WC含量的鐵基合金的相圖.

（1）經(jīng)過計(jì)算，添加10%WC的鐵基合金涂層的C含量為0.63%，該成分的合金位于圖2中的A線位置，因此冷卻凝固過程應(yīng)沿A線進(jìn)行.可以看出，在高溫階段（1 800K以上），首先形成BCC＿A2（即δ－Fe）；在大約1 500K時(shí)，δ－Fe轉(zhuǎn)變?yōu)棣茫璅e（即FCC－A1），并析出Cr23C6、M6C相；隨著溫度的降低，γ－Fe部分轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒璅e，最后在室溫下形成γ－Fe、α－Fe、Cr23C6、σ等相.而復(fù)合涂層X射線衍射檢測(cè)的結(jié)果為γ－Fe、α－Fe、Cr23C6.可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況符合較好.

（2）經(jīng)過計(jì)算，添加30%WC的鐵基合金涂層的C含量為1.7%，該成分的合金位于圖3中的B線位置，因此其凝固冷卻過程應(yīng)沿B線進(jìn)行.可以看出，在高溫階段（2 200K以上），首先形成BCC＿A2（即δ－Fe）；在大約2 100K時(shí)，形成M6C型碳化物；在1 500K時(shí)，δ－Fe轉(zhuǎn)變?yōu)棣茫璅e，并完全凝固為固相，開始析出Cr23C6相，最后在室溫下形成γ－Fe、α－Fe、Cr7C3、M6C、WC等相.而復(fù)合涂層X射線衍射檢測(cè)的結(jié)果為γ－Fe、α－Fe、Cr23C6、Fe6W6C、WC.可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本符合，只是計(jì)算結(jié)果中未出現(xiàn)Cr7C3，而試驗(yàn)中出現(xiàn)了Cr23C6.其原因可能是因?yàn)榛w稀釋了部分C元素，導(dǎo)致形成了C含量較少的Cr23C6.

（3）經(jīng)過計(jì)算，添加50%WC的鐵基合金涂層的C含量達(dá)到2.7%，該成分的合金位于圖4中的C線位置，因此其凝固冷卻過程應(yīng)沿C線進(jìn)行.可以看出，在高溫階段（1 800K以上），首先析出 M6C；在大約1 500～1 800K時(shí)，開始析出 MC＿SHP相（即 WC）；隨著溫度的下降，開始析出 M23C6（Cr23C6）、FCC＿A1（γ－Fe）；隨 著 溫 度 進(jìn) 一 步 下 降，M23C6轉(zhuǎn) 變 為M7C3（Cr7C3），接著部分γ－Fe轉(zhuǎn)變?yōu)棣粒璅e，最后在室溫下形成γ－Fe、α－Fe、Cr7C3、M6C、WC等相.而復(fù)合涂層X射線衍射檢測(cè)的結(jié)果為γ－Fe、Fe3W3C、Fe6W6C、W2C、WC.可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有些差異.這可能是由于加熱及冷卻速度太快，加入的WC含量較多，WC在高溫下保溫時(shí)間較短，未能充分分解，因而其化學(xué)成分有較大差異所致.

總之，理論計(jì)算出的物相與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果基本吻合，只是添加50%WC的涂層稍有差異.熱力學(xué)計(jì)算分析結(jié)果對(duì)分析復(fù)合涂層物相和指導(dǎo)材料加工是有幫助的.

3 結(jié) 語

（1）通過等離子束熔覆添加鎳包WC含量分別為10%、30%、50%的Fe－Cr－B－Si鐵基合金粉，可以獲得無宏觀裂紋及氣孔的復(fù)合涂層.

（2）添加不同比例WC的鐵基復(fù)合涂層具有不同的物相.采用熱力學(xué)軟件Thermo－calc進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況基本相符合.

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