原位生成TaB2顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的組織與耐磨性

王振廷，范景欣，高紅明，胡 磊

(黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022)

原位生成TaB2顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的組織與耐磨性

王振廷，范景欣，高紅明，胡 磊

(黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022)

以Ta粉、B粉和Ni60A粉為原料，利用氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼基體表面制備原位生成TaB2顆粒以增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層。通過(guò)金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、顯微硬度計(jì)以及摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合涂層的顯微組織、物相、顯微硬度以及涂層耐磨性進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明，鎳基復(fù)合涂層形成良好，沒(méi)有氣孔和裂紋等缺陷，涂層與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合。熔覆層由原位生成的TaB2顆粒相、Fe-Cr相及Cr7C3相組成。TaB2顆粒彌散分布在基體上，氬弧熔覆涂層的平均顯微硬度達(dá)到11．50 GPa，比基體Q235鋼提高約4倍。在室溫干滑動(dòng)磨損條件下，該熔覆涂層的耐磨性比基體提高約12倍。

氬弧熔覆;原位生成TaB2;復(fù)合涂層;耐磨性

收稿日期: 2013-12-20
基金項(xiàng)目:江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目( JSKLEDC201201)
第一作者簡(jiǎn)介:王振廷( 1965-)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向:材料表面改性，E-mail: wangzt2002@163．com。

由于設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)速度的加快，許多工件和設(shè)備被磨損的速度也隨之加快[1]。每年由摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失也是十分驚人的，約占國(guó)民經(jīng)濟(jì)總支出的4%。因此，磨損及耐磨材料的研究一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)[2]。近年來(lái)，利用激光熔覆、等離子熔覆、感應(yīng)熔覆、氧乙炔熔覆及氬弧熔覆等技術(shù)，可以制備滿足高耐磨性要求的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合涂層。其中，原位生成顆粒增強(qiáng)相是金屬基體中原位形核、長(zhǎng)大的相，避免了與基體不相容的問(wèn)題。它與基體是冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高，界面干凈，熱力學(xué)穩(wěn)定，增強(qiáng)顆粒細(xì)小并彌散分布[3-4]，由此改善了材料的表面性能。目前，原位生成顆粒增強(qiáng)相是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，作為增強(qiáng)相的原位生成顆粒有TiC、ZrC、VC、ZrB2、TiB2、TiN等[5-8]。筆者研究的增強(qiáng)相TaB2的熔點(diǎn)為3 040℃，硬度為24. 5 GPa，可用作高溫材料和耐磨材料。氬弧熔覆技術(shù)操作比較方便，靈活性比較高，同時(shí)還能起到氬氣保護(hù)的作用，成本費(fèi)用也比較低[9-10]。關(guān)于氬弧熔覆技術(shù)制備原位生成TaB2顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的研究還未見(jiàn)報(bào)道。文中在基材Q235鋼的表面，利用氬弧熔覆技術(shù)制備原位生成TaB2顆粒增強(qiáng)鎳基的復(fù)合涂層。

1實(shí)驗(yàn)

1. 1 實(shí)驗(yàn)材料及涂層制備

實(shí)驗(yàn)選用Q235鋼作為基體材料，其尺寸為40 mm× 10 mm×10 mm。實(shí)驗(yàn)前將試樣待涂敷面用砂輪及砂紙打磨除去銹跡，然后用超聲波加丙酮清洗干凈。實(shí)驗(yàn)熔覆粉末選用Ta粉、B粉和Ni60A粉，其中Ta粉和B粉w均為99. 9%，Ni60A粉的化學(xué)成分為( w，%) C: 0. 8～1. 0; Si: 3. 5～5. 5; B: 3．0～3. 5; Cr: 15．0～17．0; Fe:<13．0;剩余為Ni。粉末的平均粒度為15 μm，按照Ni60A粉占總質(zhì)量的50%、Ta粉和B粉占總質(zhì)量的50%的比例調(diào)配粉末。將混合粉末置于容器中攪拌均勻，加入少量的水玻璃，混合調(diào)制好的粉末涂敷在清洗干凈的Q235鋼試樣表面。涂層的厚度約為1. 0 mm，自然干燥24 h，放入RT3-15-9型電爐中經(jīng)70℃烘干2 h，然后使用MW3000型數(shù)字式焊接機(jī)進(jìn)行氬弧熔覆，制備熔覆涂層。其工藝參數(shù)為:熔覆電流180 A，氬氣流量12 L/min，熔覆速度4 mm/s。熔敷后降至室溫，得到熔敷層試樣。

1. 2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

試樣由線切割機(jī)沿垂直于熔覆方向切割，其橫斷面用砂紙打磨并拋光，用體積分?jǐn)?shù)為2%硝酸+ 8%氫氟酸+90%水的混合溶液對(duì)其進(jìn)行腐蝕，在光學(xué)金相顯微鏡和MX2600型掃描電子顯微鏡( SEM)下觀察涂層的組織形貌和顯微結(jié)構(gòu)。D/MAX2000 型X射線衍射儀( XRD)用于物相分析，MHV2000型顯微硬度計(jì)測(cè)試試樣沿層深方向的硬度分布(載荷1. 95 N，保載時(shí)間10 s)。利用MMS-2A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量在相同時(shí)間內(nèi)基體及涂層的摩擦磨損性能，對(duì)磨試樣采用經(jīng)淬火態(tài)的GGr15鋼環(huán)，法向載荷150 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，時(shí)間2 h，然后用電子天平稱量試樣的磨損量。

2結(jié)果與分析

2. 1 熔覆涂層的顯微組織

圖1 為熔覆涂層與基體的界面組織形貌。由圖1可見(jiàn)，氬弧熔覆試樣的橫截面有三部分，即熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基體。熔覆區(qū)沒(méi)有氣孔和裂紋等缺陷?；w與熔覆層在氬弧熱源作用下，通過(guò)相互擴(kuò)散形成了固熔結(jié)合層，因此在結(jié)合區(qū)看到了一條“白亮帶”，表明熔覆區(qū)與基體是冶金結(jié)合[11]。

圖1 熔覆涂層與基體的界面組織形貌Fig．1 Cladding coating and substrate interface type organization

2. 2熔覆層組織形貌及相組成

圖2 為氬弧熔覆涂層的XRD圖譜。由圖2可見(jiàn)，氬弧熔覆復(fù)合涂層主要是由TaB2顆粒相、Fe-Cr相以及Cr7C3相組成。

圖2 氬弧熔覆涂層的XRD圖譜Fig．2 Argon arc cladding coating’s XRD spectrum

圖3 為熔覆涂層的背散射組織形貌圖。從圖3中可以看出，有TaB2顆粒生成，而且彌散分布在基體上，有些TaB2顆粒匯聚到一起，呈線條狀、樹枝狀或者塊狀，同時(shí)也有碳化物析出。

圖3 熔覆涂層的背散射照片F(xiàn)ig．3 Back scattering photo of cladding coating

2. 3熔覆層的顯微硬度及耐磨性

圖4 為氬弧熔覆涂層的顯微硬度分布曲線。由圖4可見(jiàn)，熔覆層的表面顯微硬度先是比較平穩(wěn)的，隨著距涂層表面距離的增大，顯微硬度呈下降趨勢(shì)。熔覆層最高顯微硬度12．00 GPa左右，比基體Q235鋼提高約4倍。這主要是熔覆層中彌散分布的TaB2顆粒和碳化物，起到第二相強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化及固溶強(qiáng)化的作用[12]。

圖4 氬弧熔覆涂層的顯微硬度分布曲線Fig．4 Argon arc cladding coating microhardness curve

圖5 為在相同載荷和相同時(shí)間下Q235鋼和熔覆涂層的相對(duì)耐磨性。

圖5 涂層和Q235鋼的相對(duì)耐磨性Fig．5 Relative wear resistance of coating and Q235 steel

從圖5中可以看出，氬弧熔覆原位生成TaB2顆粒增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層的耐磨性是基體的13倍左右。這主要是因?yàn)樵撏繉又袕浬⒎植嫉腡aB2顆粒和碳化物，使涂層的顯微硬度明顯提高了，而硬度直接影響材料的耐磨性。

3結(jié)論

( 1)以Ta粉、B粉和Ni60A粉為原料，利用氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼基體表面制備原位生成TaB2顆粒增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層。

( 2)熔覆涂層相組成為TaB2顆粒相、Fe-Cr相及Cr7C3相。

( 3)熔覆涂層的平均顯微硬度達(dá)到11．50 GPa，比基體提高約4倍。在室溫干滑動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)條件下，涂層的耐磨性比基體提高約12倍。

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(編輯 晁曉筠)

Microstructure and wear resistance of in-situ synthesis TaB2particles reinforced Ni matrix composite coating

WANG Zhenting，F(xiàn)AN Jingxin，GAO Hongming，HU Lei
( School of Materials Science&Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China)

This paper is concerned with an in-situ synthesis of TaB2particles reinforced Ni matrix composite coating on steel Q235 substrate，using Ta powder，B powder and Ni60A powder as raw material and applying argon arc cladding technology．The analysis of the microstructure，the phase composition，the micro hardness，and wear resistance of the composite coating by metallographic micro-scope，scanning electron microscope( SEM)，X-ray diffraction( XRD)，micro-hardness tester，and friction wear testing machine shows that the reinforced Ni matrix composite coating has a better formation，free from porosity and crack，demonstrating a better metallurgical bonding between the substrate and the coating．The cladding layers are composed of in-situ TaB2particle phase，F(xiàn)e-Cr phase and Cr7C3phase．TaB2particles are dispersed in the matrix in such a way that argon arc cladding coating affords an average micro hardness of up to 11．50 GPa，four times higher that of steel Q235 substrate．Exposed to the condition of room temperature dry sliding wear，cladding coating exhibits the wear resistance 12 times higher than that of steel Q235 substrate．

argon arc cladding; in-situ synthesis TaB2; composite coating;wear resistance

10. 3969/j．issn．2095-7262. 2014. 01. 015

TG174

2095-7262( 2014) 01-0067-03

A