Cr3C2對等離子鈷基堆焊層組織及性能的影響

羅 燕，徐志鵬，李 飛，王振興，紀春姣，斯松華

(安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243002)

Cr3C2對等離子鈷基堆焊層組織及性能的影響

羅 燕，徐志鵬，李 飛，王振興，紀春姣，斯松華

(安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，安徽馬鞍山243002)

采用等離子堆焊技術(shù)在低碳鋼表面制備鈷基合金堆焊層(Co40)及添加質(zhì)量分數(shù)20%和40%Cr3C2的鈷基合金復(fù)合堆焊層(Co40+20%Cr3C2，Co40+40%Cr3C2)。利用光學顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀以及磨損實驗機等研究不同添加量的Cr3C2對鈷基合金堆焊層組織和耐磨性能的影響。結(jié)果表明：Co40堆焊層由γ-Co和Cr23C6組成；添加Cr3C2粉末后，堆焊層出現(xiàn)未熔的Cr3C2和Cr7C3及Cr23C6相，且明顯改變了其組織特征，Co40+20%Cr3C2堆焊層仍以亞共晶方式結(jié)晶，但其組織得到明顯的細化和均勻化，而Co40+40%Cr3C2堆焊層轉(zhuǎn)變?yōu)檫^共晶方式結(jié)晶，其組織由大量初生碳化物和枝晶組織組成；Co40+Cr3C2復(fù)合堆焊層的硬度和耐磨性較Co40堆焊層均得到顯著提高，且隨著Cr3C2添加量的增加而相應(yīng)提高。

等離子堆焊；鈷基合金；組織；性能

等離子堆焊具有與母材結(jié)合力強、成分可控、厚度可調(diào)等優(yōu)點，是一種有效的表面強化技術(shù)[1-2]。Co基合金具有耐磨、耐蝕和抗高溫等性能，常用于需要耐高溫耐磨損的石化等工業(yè)領(lǐng)域。研究表明通過激光熔覆的方法向Co基合金中添加不同含量的Cr3C2顆粒，可以提高激光熔覆層的耐磨性能[3]。但激光熔覆成本高，且涂層厚度較薄，而等離子堆焊可以在相對低成本基礎(chǔ)上獲得較厚的堆焊層[4]。侯清宇等[5-6]認為向鎳基合金中添加Cr3C2可以改善堆焊層的組織并提高其性能，且研究了鈷基合金等離子堆焊層的組織結(jié)構(gòu)和性能。但是目前關(guān)于在Co基合金中添加Cr3C2顆粒的等離子堆焊層的研究較少，因此研究Cr3C2對等離子Co基合金堆焊層組織及耐磨性能的影響具有一定的理論和實際意義。

1 實驗部分

選用尺寸為100mm×80mm×10mm的低碳鋼，表面磨光并清洗干凈。堆焊材料選用非自熔性Co基合金粉末，粒度為53～120μm，主要化學成分(質(zhì)量分數(shù))為0.27%C，5.40%Mo，2.27%Ni，0.50%Fe，28.60% Cr，0.90%Si，余量為Co。為了獲得良好的濕潤性，Cr3C2粉末采用NiCr3C2復(fù)合粉末（85%Cr3C2），粒度為40～82μm。在Co基合金粉末中分別添加質(zhì)量分數(shù)為20%和40%的Cr3C2粉末，之后將復(fù)合粉末充分研磨混勻，在100℃烘箱內(nèi)預(yù)熱2 h。

采用粉末預(yù)置法，利用PTA-400E型等離子弧堆焊機堆焊，工藝參數(shù)為工作電流130 A，擺動速度1 800mm/min，擺動寬度15mm。為防止堆焊層氧化，在等離子堆焊過程中使用氬氣作為保護氣。等離子堆焊后將試樣放入200℃的爐內(nèi)進行保溫。

沿垂直等離子弧掃描方向的橫截面取金相試樣，金相試樣經(jīng)拋光后用王水腐蝕，用OM及SEM進行組織形貌觀察。選用D8 Advance型多晶XRD儀分析相組成，X射線衍射分析試樣尺寸為20mm×20mm× 10mm。采用HV-1000顯微硬度計測試橫截面堆焊層和基體的硬度。磨損實驗在濟南益華MMS-2A型磨損實驗機上進行，以純凈水為冷卻液，載荷為500N，實驗機轉(zhuǎn)速200 r/m in，磨損時間為15m in，對磨試樣為9SiCr模具鋼(硬度為63HRC)，用感量0.1mg的分析天平進行磨損失重測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子堆焊層的相組成

等離子堆焊層的XRD圖譜見圖1。由圖1可知，等離子Co40堆焊層主要由γ-Co和Cr23C6組成，添加Cr3C2粉末后，Co40+Cr3C2復(fù)合涂層中出現(xiàn)了Cr7C3和未熔的Cr3C2相。堆焊過程中，Co40合金粉末在等離子弧的作用下被迅速加熱至融化狀態(tài)，由于Cr含量較高，C元素含量較少，Cr/C值較高，因此堆焊層組織中存在Cr23C6型碳化物。而Co40+Cr3C2復(fù)合堆焊層由于添加的Cr3C2顆粒在等離子弧的作用下一部分在熔池內(nèi)熔解，使局部的C，Cr含量升高，形成Cr的碳化物Cr3C2，而另一部分未熔存留在堆焊層中。

圖1 等離子堆焊層的XRD圖譜Fig.1 XRD Patternsof the p lasma surfacing layers

2.2 等離子堆焊涂層的組織

圖2所示為3種堆焊層中部典型的OM和SEM組織形貌。由圖2(a)，(d)可以看出Co40堆焊層以亞共晶方式結(jié)晶，組織主要為垂直于界面生長的柱狀枝晶和其間的共晶組織。在快速凝固的過程中先析出初生的γ-Co枝晶固溶體，由于溶質(zhì)的再分配，Cr，C等溶質(zhì)元素在枝晶間富集，隨后的冷卻過程中以共晶形式凝固，在枝晶間形成共晶組織(γ-Co+Cr23C6)[7]。由圖2(b)，(e)可以看出添加Cr3C2后，Co40+20%Cr3C2堆焊層的組織得到明顯的細化和均勻化，Co40堆焊層中原先粗大的柱狀枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榧毿〉臉錉钪АＳ蓤D2(c)，(f)可知,當Cr3C2的添加量增加至40%(質(zhì)量分數(shù))時堆焊層沒有明顯的枝晶生長方向，其中存在大量呈放射狀分布的長桿狀及多邊形塊狀組織，其間夾雜著細小枝晶組織。這主要是由于大部分Cr3C2在高溫等離子弧的作用下發(fā)生分解，增大了熔池中的成分起伏，造成成分過冷，提高了形核率，導(dǎo)致組織得到細化[8]。

圖2 等離子堆焊層的組織形貌Fig.2 M icrostructure of the plasma surfacing layers

Cr3C2在熔池中可能表現(xiàn)為2種行為：一是Cr3C2完全熔解，Cr和C元素固溶于合金熔體中，冷卻時析出大量桿狀和多邊形塊狀的初生Cr碳化物，在進一步冷卻的過程中，初生碳化物之間形成了細小γ-Co枝晶及其他共晶組織；另一種是加入的Cr3C2粒子未完全熔解，在未熔的Cr3C2粒子周圍形成Cr及C含量高的擴散帶，在凝固過程中出現(xiàn)以未熔Cr3C2為中心的放射狀初生桿狀富鉻碳化物[8]。

對圖2中標定區(qū)域進行能譜微區(qū)成分分析，各元素含量如表1。結(jié)合圖2分析可知，B，C區(qū)域為固溶有Cr，Si，B等合金元素的γ-Co枝晶固溶體，而A，D區(qū)為共晶組織。Co+40%Cr3C2堆焊層中E區(qū)和F區(qū)為初生碳化物，且Cr的含量很高，結(jié)合衍射結(jié)果，認為桿狀組織和塊狀組織均為Cr7C3，G區(qū)域為分布在初生碳化物之間的共晶組織。

2.3 等離子堆焊層的顯微硬度與耐磨性

圖3為Co40堆焊層及添加不同含量Cr3C2的(Co40+20%Cr3C2和Co40+40%Cr3C2)堆焊層的顯微硬

度沿層深分布情況。由圖3可知Co40堆焊層的平均硬度為391HV，Co40+20%Cr3C2堆焊層的平均硬度為549HV，較之Co40堆焊層提高了40.4%，而Co40+40% Cr3C2堆焊層的平均硬度為656 HV，較Co40堆焊層，平均硬度提高了67.8%?？梢?，添加Cr3C2粉末的Co40+ Cr3C2復(fù)合堆焊層的硬度得到了明顯的提高。

表1 Co40及Co40+Cr3C2復(fù)合堆焊層微區(qū)成分分析結(jié)果(w/%)Tab.1 EDSm icro-analysisof Co40 and Co40+Cr3C2coatings(w/%)

Co40及Co40+Cr3C2復(fù)合堆焊層的摩擦磨損試驗結(jié)果見圖4。由圖4可見Co40+40%Cr3C2復(fù)合堆焊層的磨損失重最小。

圖3 3種堆焊層的顯微硬度分布Fig.3 M icrohardnessdistribution of the three p lasma surfacing layers coatings

圖4 3種堆焊層的滑動磨損失重Fig.4 Slidingwearm ass lossesof the three p lasma surfacing layers coatings

圖5是3種不同堆焊層磨損表面的形貌。由圖5可看出：Co40堆焊層的磨損表面存在較深的犁溝和疲勞剝落；Co40+20%Cr3C2復(fù)合堆焊層的磨損表面以犁溝為主；Co40+40%Cr3C2復(fù)合堆焊層的磨損表面較為平滑，只存在一些輕微犁溝。堆焊層的硬度是影響其耐磨性的主要因素，因此硬度最低的Co40堆焊層耐磨性最差。添加Cr3C2粉末后，復(fù)合堆焊層的硬度得到提高，因此耐磨性能相應(yīng)得到提高。另外，堆焊層的耐磨性能受其顯微組織形態(tài)的影響，還受晶粒度、組織的均勻性以及第二相質(zhì)點的種類、大小和分布的影響。添加Cr3C2粉末后，復(fù)合堆焊層的組織得到細化，且隨著Cr3C2粉末添加量的增加，堆焊層共晶組織中碳化物增多，同時堆焊層中固溶的C量也增加，致使堆焊層的耐磨性能得到提高[9]。綜合分析，Co+40%Cr3C2復(fù)合堆焊層的耐磨損性能最好。

圖5 等離子堆焊層的磨損表面形貌Fig.5 M orphology ofworn surfacesof Plasm a surfacing layers

3 結(jié) 論

1)Co40堆焊層由γ-Co和Cr23C6組成；添加Cr3C2粉末后，Co40+Cr3C2復(fù)合堆焊層由γ-Co，Cr23C6，Cr7C3及未熔的Cr3C2組成。

2)Co40堆焊層由柱狀枝晶固溶體和其間的共晶組織組成。Co40+20%Cr3C2堆焊層雖仍以亞共晶方式結(jié)晶，但其組織主要為樹枝狀固溶體和共晶組織組成，且明顯細化和均勻化。Co40+40%Cr3C2堆焊層轉(zhuǎn)變?yōu)檫^共晶方式結(jié)晶，其組織由初生碳化物和其間的枝晶組織組成。

3)Co40+Cr3C2復(fù)合堆焊層的硬度和耐磨性均比Co40堆焊層明顯提高，且隨Cr3C2添加量的增加，硬度和耐磨性相應(yīng)提高。

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責任編輯：何莉

Effectof Cr3C2on M icrostructure and Propertiesof the Co-based Alloy Coatings Produced by Plasma Transferred ArcWeld-surfacing Process

LUO Yan,XU Zhipeng，LIFei，WANG Zhenxing,JIChunjiao,SISonghua
(SchoolofMaterialsScience&Engineering,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243002,China)

TheCo-based alloy coating(Co40)and theCo-based compositecoatingw ith 20%and 40%Cr3C2particles(Co40+ 20%Cr3C2，Co40+40%Cr3C2)on low carbon steelsubstratewereobtained by plasmasurfacing.TheeffectsofCr3C2on the microstructureandwear resistanceof theCo40 coatingswere investigated bymeansofvarious techniques,including optical microscopy,SEM,XRD and abrasion test.Resultsshow thattheCo40 coating iscomposed ofγ-Co and Cr23C6phase,and theCo40+Cr3C2compositecoatingsarecomposedofγ-Co,Cr23C6,Cr7C3andnotmelted Cr3C2.TheadditionofCr3C2can change the solidification characteristic of the Co40 coatings.Compared w ith the Co40 coating,themicrostructure of the Co40+ 20%Cr3C2compositecoating isrefined and homogenized although crystallizingby hypoeutecticway.TheCo40+40%Cr3C2compositecoating iscomposed of theprimary carbideand thedendritemicrostructurecrystallizingby hypereutecticway.The hardnessandwear resistanceof thecompositeclad layerswassignificantly improved comparedw ith theCo40 clad layer,and thehardnessandwear resistanceof Co40+40%Cr3C2coating isbetter than thoseofCo40+20%Cr3C2coating.

plasma transferred arcweld-surfacing;Co-based alloy;organization;properties

TG456.2；TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.01.008

1671-7872(2014)01-0034-05

2013-03-25

安徽省教育廳重點研究項目(KJ2007A106ZC)

羅燕(1989-)，女，湖南湘潭人，碩士生，研究方向為金屬材料表面改性技術(shù)。

斯松華(1966-)，男，安徽太湖人，教授，研究方向為新型鋼鐵材料與材料表面改性技術(shù)。