球墨鑄鐵的等離子束熔凝組織和耐蝕性研究

程秀，胡樹兵，宋武林，韓志磊

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球墨鑄鐵的等離子束熔凝組織和耐蝕性研究

程秀1,2，胡樹兵1，宋武林1，韓志磊1

（1. 華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074；2. 湖北水利水電職業(yè)技術學院 機電工程系，湖北 武漢 430070）

利用等離子束對球墨鑄鐵進行表面熔凝處理，并對熔凝處理樣400 ℃回火1 h. 通過掃描電鏡、X射線衍射儀、硬度計等設備對強化層的組織、性能進行分析. 結果表明：等離子束表面熔凝處理后，球墨鑄鐵的表面石墨相完全消失，形成的熔凝層顯微組織主要是枝晶結構；熔凝層的硬度最高值出現在次表層，熔凝層的最高硬度1 243 HV0.1；耐腐蝕性從高到低依次為熔凝+回火試樣、熔凝樣和基體樣.

球墨鑄鐵；等離子束；顯微組織；耐蝕性

球墨鑄鐵具有高強度的塑韌性，在工業(yè)領域應用廣泛. 但鑲嵌在鐵基體中的球狀石墨使其強度不連續(xù)，在沖擊載荷下球狀石墨是裂紋源會造成基體的開裂[1]；同時，暴露在空氣中的表面石墨相作為陰極相易與鐵基體發(fā)生嚴重的電偶腐蝕，導致球墨鑄鐵的腐蝕加速[2]. 因此，必須去除球墨鑄鐵表面的石墨相以提高其強度及耐蝕性.

KARAMIS等[1]采用TIG（Tungsten Inert Gas，非熔化極氣體保護焊）去除球墨鑄鐵表面的石墨相，但過程復雜、成本高、效率低. 高能束，如電子束[3-4]、激光束[5-6]均被證明能有效去除球墨鑄鐵表面的石墨相，但成本高. 等離子束與電子束、激光束同屬高能束，其能量密度可達109W/m2，能快速加熱金屬材料至其熔點或汽化點，并在工件表面形成晶粒細小、組織均勻的硬化層[7-8]. 等離子束不需真空系統(tǒng)，發(fā)生裝置簡單，用于金屬表面的超快速加熱，不需任何前處理，其熱效率比激光束高，加工價格比電子束、激光束低[9-10]，是一種經濟實用的表面強化手段，目前廣泛應用于金屬材料的表面改性中，包括鑄鐵的表面改性. 本文采用自行研制的等離子束表面處理設備，以表面改性后的表面質量為參考調節(jié)工藝參數，對球墨鑄鐵試樣進行等離子束表面熔凝強化處理，試樣回火后獲得了表面質量良好的硬化層.

1 實驗

1.1 球墨鑄鐵

基體材料是球墨鑄鐵QT600—3，其主要化學成分的含量如表1所示.

表1 QT600—3的化學成分

1.2 等離子束熔凝處理

等離子束熔凝處理是利用等離子束熱源直接掃描球墨鑄鐵工件. 分別調節(jié)等離子束發(fā)生器的主弧電流、弧柱長度、掃描速度及氬氣流量4組參數來控制試樣表面的強化效果. 為達到工件表面應用的目的，以表面硬度、硬化層深度及處理后試樣的表面質量為綜合考慮因素，得到優(yōu)化的工藝參數：掃描速度640 mm/min，弧柱長度3 mm，搭接率50 %，氬氣流量1 L/min，主弧電流55 A.

等離子束熔凝處理過的試樣，再400 ℃回火1 h.

1.3 腐蝕實驗

采用CS350型電化學測試系統(tǒng)測量基材及等離子束熔凝處理試樣的電化學極化曲線. 圓柱試樣被檢測的面積為0.785 mm2，非工作面用硅膠涂封. 測試系統(tǒng)采用三電極電解池飽和甘汞電極（SCE）為參比電極，Pt電極為輔助電極，腐蝕介質為質量分數為3.5%的氯化鈉溶液，測試溫度為室溫，掃描電位區(qū)間為-650～950 mV，掃描速度為0.5 mV/s.

將基體試樣、表面熔凝處理試樣和表面熔凝并回火處理試樣放在質量分數為3.5%的氯化鈉溶液中浸泡48 h后，利用掃描電鏡觀察其腐蝕形貌.

1.4 分析測試方法

等離子束表面改性試樣的顯微結構和腐蝕形貌通過Quanta 200電鏡進行觀察，相結構利用X'Pert PRO衍射儀進行分析. 硬化層的硬度分析采用DHV-1000 型顯微硬度計，加載力為100 g，加載時間為15 s.

2 結果分析與討論

2.1 等離子束表面改性試樣的顯微組織與硬度分布

熔凝處理試樣的截面可分為：熔凝區(qū)、熱影響區(qū)和基體，如圖1-a所示. 由于等離子束熔凝處理過程的冷卻速度非常快，因此球狀石墨熔解后不會再形成石墨相，從而熔凝區(qū)無石墨球、組織細小均勻. 熱影響區(qū)顯示出熔凝層與基體有良好的結合. b、c、d是熔凝區(qū)頂部、中部和底部的掃描電鏡圖像，可以看出從底部到頂部是樹枝狀殘留奧氏體與碳化物的混合組織，組織是逐漸細化且均勻致密的. 這是因為等離子束加熱溫度高，基體材料向奧氏體轉變的相變驅動力大，導致了極高的奧氏體形核率; 另一方面，高溫作用有利于碳和合金元素的擴散，隨著等離子束的移動，在空氣和基體的雙重激冷作用下，奧氏體保溫時間較短來不及長大而呈現組織細化[10-11].

圖1 熔凝處理試樣截面的顯微結構

圖2是熔凝層的XRD圖譜，主要有α-Fe(鐵素體)、γ-Fe（奧氏體）、馬氏鐵、Fe3C等相. 馬氏體和滲碳體的物相能增加熔凝層的硬度. 回火處理后試樣的衍射峰與回火前類似，變化不大，說明回火穩(wěn)定性比較高.

圖2 不同試樣的XRD圖譜

顯微硬度計測熔凝層截面硬度分布發(fā)現，熔凝層的硬度在硬化外層保持較高水平，在次外層達到峰值，繼而迅速下降（圖3）. 這是由于：1）熔凝硬化層外層為滲碳體+殘留奧氏體組織[10]，比基體硬度有明顯提高；2）次表層形成的馬氏體+滲碳體的混合組織[10]，使硬度進一步提高；3）熱影響區(qū)晶粒粗大并形成較多殘留奧氏體，使得硬度迅速下降. 熔凝改性層的硬度最高達1 243 HV0.1，但是回火使熔凝層的硬度稍有下降.

2.2 耐蝕性

圖4為不同工藝下的試樣在質量分數為3.5%氯化鈉溶液中的腐蝕極化曲線，表2是相應的腐蝕參數擬合結果. 可以看出，與基體試樣相比，熔凝試樣和熔凝+回火試樣的自腐蝕電位均向正向移動，腐蝕電流密度也有不同程度的下降. 由于腐蝕速率與腐蝕電流成正比，因此在該腐蝕體系下，熔凝試樣和熔凝+回火試樣的腐蝕動力學阻力因素增大[12]. 原因是熔凝層晶粒細小，減小了組織之間的電位差，從而降低了腐蝕傾向.

圖3 熔凝試樣截面的顯微硬度分布

圖4 不同試樣的腐蝕極化曲線

表2 不同試樣的電化學特征參數擬合結果

將試樣放在質量分數為3.5%的氯化鈉溶液中浸泡48 h后，腐蝕形貌如圖5所示. 從圖5-a發(fā)現，基體腐蝕最嚴重，大團的腐蝕產物出現；如圖5-b所示，相對于基體，熔凝層的腐蝕程度要輕得多；而熔凝+回火試樣的腐蝕程度又輕于熔凝試樣，如圖5-c所示.

圖5 不同試樣在質量分數3.5%的NaCl溶液中浸泡48 h后的腐蝕形貌

3個試樣的腐蝕形貌說明，等離子束熔凝處理能提高球墨鑄鐵的耐蝕性. 原因是：1）熔凝層中存在的奧氏體是一種良好的緩蝕劑[13]；2）熔凝層組織比較致密，有效地降低了腐蝕沿晶界擴散的能力；3）經二次加熱，回火試樣熔覆層中硬質相和固熔體形成得更充分、組織更均勻、涂層中殘余應力下降，從而提高了熔覆層的耐腐性能.

需要注意的是，熔凝組織內部存在的殘余內應力容易引起應力腐蝕. 應力腐蝕可以看成是應力的機械破壞和電化學腐蝕互相促進的結果. 熔凝后的試樣經過回火，可以降低或消除殘余內應力[14]，從而提高耐蝕性.

3 結論

1）等離子束表面熔凝處理，是一種非平衡的快速加熱和冷卻過程，有共晶反應的發(fā)生，熔凝處理后球墨鑄鐵表面的石墨相完全消失，獲得了枝晶明顯的顯微組織.

2）等離子束熔凝硬度最高值出現在次表層，高達1 243 HV0.1，這是因為次表層是硬質相馬氏體和滲碳體的混合組織.

3）等離子束熔凝層無石墨相，晶粒細小，其中耐蝕性好的奧氏體相使其耐蝕性遠高于基體.

4）回火處理降低了熔凝層的硬度，但提高了熔凝層的耐蝕性，因為回火降低了熔凝層的殘余應力，削弱了其應力腐蝕的傾向.

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[責任編輯：熊玉濤]

Research on Plasma Beam Melting Microstructures and Corrosion Resistance of Ductile Iron

CHENG Xiu1,2, HU Shu-bing1, SONG Wu-lin1, HAN Zhi-lei1

(1. State Key Laboratory of Material Processing and Die and Mould Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 2. Department of Mechanical and Electrical Engineering, Hubei Water Resources Technical College, Wuhan 430070, China)

The surface of ductile iron was treated by using surface melting using plasma beams. Then, the surface melted specimen was tempered at 400 ℃ for 1 h. Scanning electron microscopy (SEM) and X-ray diffraction (XRD) were employed to identify the microstructure and phase structure. The corrosion resistance and microhardness were tested. The results show that the near-surface graphite of the nodule disappears completely and there are mainly dendrites and eutectics in the melted zone. The highest microhardness present in the subsurface is 1 243 HV0.1. The corrosion resistance declines in the following descending order: surface meted + tempered specimen ＞ the surface melted ＞ the substrate.

nodular cast iron; plasma beams; microstructures; corrosion resistance

1006-7302（2013）03-0041-05

TG178

A

2013-04-28

程秀（1976—），女，湖北廣水人，講師，碩士，主要從事等離子束表面強化的研究.