BC增強(qiáng)鐵基活性氬弧熔覆層的制備與耐磨性能

馬 壯，袁紅昆，董世知，李智超

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新 123000；2.遼寧科技學(xué)院，本溪 117000)

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BC增強(qiáng)鐵基活性氬弧熔覆層的制備與耐磨性能

馬 壯1,2，袁紅昆1，董世知1，李智超1

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，阜新 123000；2.遼寧科技學(xué)院，本溪 117000)

摘要：以粉煤灰為活性劑,采用活性氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼表面制備了B4C增強(qiáng)鐵基活性氬弧熔覆層，對(duì)該熔覆層的物相、顯微組織、顯微硬度以及耐磨性能進(jìn)行了研究，并與B4C增強(qiáng)鐵基氬弧熔覆層(普通氬弧熔覆層)的進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:活性氬弧熔覆層中含有Fe3.5B、Fe23(C,B)6、Fe5Si3、Fe2AlB2等新相;粉煤灰活性劑的加入對(duì)細(xì)化熔覆層顯微組織、促進(jìn)熔覆層與母材良好熔合具有重要作用;活性氬弧熔覆層的顯微硬度較普通熔覆層的提高了60 HV，其耐磨粒磨損性能和耐沖蝕磨損性能分別為普通氬弧熔覆層的1.16倍和1.86倍。

關(guān)鍵詞：活性氬弧熔覆層；粉煤灰；B4C；耐磨性能

0引言

金屬材料的腐蝕、磨損、氧化等破壞形式一般都從其表面開始。表面熔覆技術(shù)可以以較低的成本改善材料的表面性能，延長(zhǎng)材料的使用壽命，日益受到了材料工作者的重視[1-6]。目前，常用的熔覆技術(shù)有堆焊、氬弧熔覆、激光熔覆、等離子熔覆和熱噴涂等[7]。與其它熔覆技術(shù)相比，氬弧熔覆技術(shù)具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，而且在氬氣的保護(hù)下熔池中合金元素的燒損和氧化損失也較少，其應(yīng)用范圍涵蓋了普通碳鋼以及鈦合金等金屬[8-11]；但其熔覆效率低，熔覆層產(chǎn)生裂紋或剝離的傾向較大，這大大限制了該技術(shù)的發(fā)展。

粉煤灰是我國(guó)當(dāng)前排量較大的工業(yè)廢渣之一，是從煤燃燒后的煙氣中收捕的細(xì)灰，它的應(yīng)用主要集中在建筑、化工和農(nóng)業(yè)等方面[12-13]。目前，焊接不銹鋼或碳鋼時(shí)所用焊接活性劑的主要成分為氧化物，它可增加焊縫熔深，改善焊縫成形和焊接質(zhì)量，提高焊接效率[14]。粉煤灰的化學(xué)成分主要為SiO2、Al2O3和堿性金屬氧化物，可作為焊接活性劑使用[15]。活性氬弧熔覆技術(shù)在等熱量輸入條件下可實(shí)現(xiàn)焊縫熔深大幅增加，使熔覆層與母材金屬更好地結(jié)合在一起。該技術(shù)在提高熔覆效率、降低生產(chǎn)成本的同時(shí)，也可改善熔覆層的性能，具有重要的科研意義。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)活性氬弧熔覆技術(shù)的研究鮮有報(bào)道。為此，作者嘗試以固體廢棄物粉煤灰作為活性劑，將其涂覆在鐵基B4C熔覆材料上，采用活性氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼板表面進(jìn)行氬弧熔覆,制備了B4C增強(qiáng)鐵基活性氬弧熔覆層,對(duì)它的物相、組織、顯微硬度、耐磨性能進(jìn)行了研究,并與普通B4C增強(qiáng)鐵基氬弧熔覆層進(jìn)行了對(duì)比。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1　試樣制備

母材采用尺寸為100 mm×30 mm×6 mm的Q235鋼板，試驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行表面除銹、去脂。熔覆層材料為6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)B4C、5%硼砂和還原鐵粉組成的混合粉。將10 g混合粉倒入研缽中研磨至均勻，然后加入0.5～0.6 g、模數(shù)為2.5的鈉水玻璃作為粘接劑，攪拌均勻后放入模具中；采用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)在60 MPa壓力下將混合粉壓制成尺寸為100 mm×10 mm×2 mm的預(yù)置熔覆塊；將熔覆塊置于Q235鋼表面進(jìn)行單道氬弧熔覆，制備得到的B4C增強(qiáng)鐵基氬弧熔覆層記為普通氬弧熔覆層。熔覆工藝參數(shù)：熔覆電流145 A，熔覆速度120 mm·min-1，氬氣流量7 L·min-1，弧長(zhǎng)4 mm，鎢極直徑2 mm。

活性劑選用阜新當(dāng)?shù)氐姆勖夯?，其成分見?。試驗(yàn)前將其在800 ℃保溫2 h進(jìn)行熱活化[16]，并過(guò)200目篩；然后取2 g粉煤灰置于10 mL丙酮中，搖勻，再用扁平毛刷將其均勻地涂覆在預(yù)置熔覆塊表面，烘干；然后將涂有粉煤灰活性劑的熔覆塊置于Q235鋼表面，進(jìn)行活性氬弧熔覆，其工藝參數(shù)與上述氬弧熔覆的相同，制備得到的B4C增強(qiáng)鐵基活性氬弧熔覆層記為活性氬弧熔覆層。

表1　粉煤灰的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.2　試驗(yàn)方法

采用D/max-Rc型X射線衍射儀測(cè)熔覆層的物相，掃描速度為10 (°)·min-1，掃描范圍為10°～80°，采用銅靶Kα輻射，鎳濾波片，管電壓為40 kV，管電流為40 mA；采用XJL-02A型立式顯微鏡觀察熔覆層的截面形貌和顯微組織，腐蝕劑為3%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液；采用HVT200型顯微硬度測(cè)試儀測(cè)熔覆層截面的顯微硬度，載荷為1 N，加載時(shí)間為10 s；在ML-100型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨粒磨損試驗(yàn)，試樣為圓柱形，直徑為6 mm，端面預(yù)磨平齊，試驗(yàn)載荷為70 N，轉(zhuǎn)速為60 r·min-1，砂紙為180目，每次更換試樣時(shí)，均更換新砂紙；采用精度為10-4g的TG328A型分析天平稱量試樣磨損前后的質(zhì)量；采用SSX-550型掃描電鏡觀察試樣磨損后的表面形貌；采用MSH型腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層進(jìn)行沖蝕磨損試驗(yàn)，采用石英砂與水混合溶液模擬熔覆層在實(shí)際工況條件下的服役情況，試樣尺寸為10 mm×10 mm×6 mm，沖蝕角為90°，沖蝕介質(zhì)石英砂的粒徑為30～70 μm，水和石英砂的體積分別為5 000 mL和2 800 mL，線速度為628 mm·min-1，磨損周期為30 min。

2試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　熔覆層的XRD譜

普通氬弧熔覆層中含有Fe3C、Fe2B、Fe3B相，如圖1(a)所示，這說(shuō)明B4C在焊接電弧作用下生成了碳和硼，碳和硼又與鐵反應(yīng)生成了新的硼化物和碳化物。此外，還發(fā)現(xiàn)了B4C相的存在，這說(shuō)明原料B4C并未完全參與反應(yīng)。

活性氬弧熔覆層中不僅存在Fe3C、Fe2B、Fe3B相，還存在Fe3.5B和Fe23(C，B)6等新相，但卻沒(méi)有B4C，如圖1(b)所示。這說(shuō)明涂覆粉煤灰活性劑后，提高了焊接熱輸入，使B4C全部分解，從而使得有更多的硼與鐵發(fā)生反應(yīng)，并且部分碳元素溶于母材中形成了含碳的固溶體和碳化物，這些新生成的硼化物、碳化物及固溶體對(duì)提高熔覆層的硬度及耐磨性具有一定作用。此外，活性氬弧熔覆層中還存在Fe5Si3、Fe2AlB2等新相。這是由于粉煤灰活性劑中含有SiO2和Al2O3，它們?cè)诤附与娀∽饔孟掳l(fā)生分解，生成了硅元素和鋁元素，硅元素和鋁元素進(jìn)入熔池與鐵、硼元素發(fā)生反應(yīng)生成了Fe5Si3、Fe2AlB2等新相。

2.2　截面形貌及顯微組織

圖1　不同熔覆層的XRD譜Fig.1　XRD patterns of different cladding layers: (a) common argon arc cladding layer and (b) surfactant argon arc cladding layer

圖2　不同熔覆層的截面形貌Fig.2　Section morphology of different cladding layers: (a) common argon arc cladding layer and (b) surfactant argon arc cladding layer

圖3　不同熔覆層的顯微組織Fig.3　Microstructure of different cladding layers: (a) common argon arc cladding and (b)surfactant argon arc cladding layer

由圖2(a)可以看出，普通氬弧熔覆層的截面形貌呈中心熔化型，電弧正下方的熔深較大，在這種情況下由于熔覆層邊緣易產(chǎn)生應(yīng)力集中，在反復(fù)的應(yīng)力作用下易產(chǎn)生裂紋甚至剝落。由圖2(b)可見，活性氬弧熔覆層的截面形貌呈半圓形，這是由于涂覆活性劑后熔化金屬對(duì)流比較自由而產(chǎn)生的，此時(shí)熔覆層與母材結(jié)合緊密不易脫落。對(duì)于普通熔覆技術(shù)來(lái)講，若要獲得性能優(yōu)異的熔覆層，需保證熔覆層的稀釋率足夠小，即母材熔池中熔化金屬的體積不宜過(guò)大。但對(duì)于活性氬弧熔覆技術(shù)來(lái)講，盡管獲得較大的熔深在一定程度上對(duì)增強(qiáng)相有稀釋作用，但也可以通過(guò)加入活性劑來(lái)提高熱輸入效率或者溫度，促使部分活性劑與熔覆塊反應(yīng)生成更多的新相來(lái)彌補(bǔ)，同時(shí)熔覆層與母材的結(jié)合強(qiáng)度也會(huì)有一定程度提高。由圖3可以看出，活性氬弧熔覆層中的白色塊狀組織較普通氬弧熔覆層中的多，且分布得較為均勻。結(jié)合XRD分析可知，熔覆層中的這些白色塊狀組織為Fe23(C,B)6、Fe2AlB2、Fe5Si3等硬質(zhì)相。此外，活性氬弧熔覆層的晶粒較普通氬弧熔覆層的更細(xì)小致密，排布得較為規(guī)則。這說(shuō)明涂覆粉煤灰會(huì)促進(jìn)一些細(xì)小第二相的生成，并在熔池金屬冷卻結(jié)晶時(shí)率先析出，增加了形核質(zhì)點(diǎn)的數(shù)量。

2.3　顯微硬度

圖5　不同試樣磨粒磨損后的表面形貌Fig.5　Surface morphology of different samples after abrasive wear: (a) base metal; (b)common argon arc claddingand (c) surfactant argon arc cladding layer

圖4　不同熔覆層截面的顯微硬度分布曲線Fig.4　Microhardness distribution curves in the sections ofdifferent cladding layers

由圖4可以看出，普通氬弧熔覆層的顯微硬度約為300 HV，活性氬弧熔覆層的約為360 HV，而母材的約為130 HV。根據(jù)XRD譜及顯微組織可知，活性氬弧熔覆層中含有Fe23(C,B)6、Fe2AlB2、Fe5Si3等硬質(zhì)相，且晶粒更加細(xì)小，因此硬度較大。此外，硅的加入使碳在鐵中的溶解度下降，這樣便造成大量碳原子析出，熔池中的碳元素含量大幅增加，促使更多的碳化物、硼化物等硬質(zhì)相形成，亦使得硬度增大。

2.4　耐磨性能

2.4.1耐磨粒磨損性能

由表2可以看出，磨損相同的時(shí)間后，母材的磨損量最大，普通氬弧熔覆層的次之，活性氬弧熔覆層的最?。黄胀寤∪鄹矊拥哪湍バ詾槟覆牡?.98倍，活性氬弧熔覆層的則提高至2.3倍；活性氬弧熔覆層的耐磨性為普通氬弧熔覆層的1.16倍。

表2　不同試樣的磨粒磨損量和相對(duì)耐磨性

由圖5(a)可見，母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，硬度較低，抵抗磨粒壓入的能力較差，在對(duì)磨材料運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，磨粒不斷擦傷母材并產(chǎn)生較大、較深的犁溝，母材表面的材料流失較快。由圖5(b)可見，有許多小的磨屑分布在普通氬弧熔覆層表面，磨痕較母材的均勻且更淺。這是由于熔覆層中加入了B4C顆粒，原位反應(yīng)生成的顆粒增強(qiáng)相有效提高了熔覆層的硬度，抵抗磨粒壓入的能力顯著提升，故而耐磨性能提高；未參與反應(yīng)的B4C及增強(qiáng)相彌散分布在母材上，這種分布規(guī)律有利于熔覆層在抵抗外界沖擊時(shí)緩解應(yīng)力，但同時(shí)由于母材缺乏對(duì)增強(qiáng)相的保護(hù)，故而導(dǎo)致增強(qiáng)相易剝落，在磨損條件下易形成硬質(zhì)點(diǎn),對(duì)材料產(chǎn)生二次擦傷。由圖5(c)可見，活性氬弧熔覆層表面的劃痕淺而均勻，表面幾乎無(wú)碎屑?；钚詺寤∪鄹矔r(shí),盡管熔深增加，但其對(duì)熔覆層的稀釋作用被熔覆層中由粉煤灰活性劑直接或間接產(chǎn)生的新相所彌補(bǔ)，其總體耐磨性仍然增大。由熔覆層的顯微組織可以看出，增強(qiáng)相的種類增多直接導(dǎo)致組織多樣化，既有短棒狀規(guī)則排列的組織，又有少量不規(guī)則形狀的組織。與普通氬弧熔覆層相比，其規(guī)則排列的短棒狀組織更加致密、有規(guī)律，中間夾雜著少量不規(guī)則形狀的新相，有助于增加熔覆層的硬度，在磨損條件下也可以抵抗較大的外力，使熔覆層的磨損量最小。

2.4.2耐沖蝕磨損性能

由表3可以看出，活性氬弧熔覆層和普通氬弧熔覆層的相對(duì)耐沖蝕性能分別為母材的4.70倍和2.52倍，活性氬弧熔覆層的耐沖蝕性能為普通氬弧熔覆層的1.86倍。這說(shuō)明活性氬弧熔覆層的耐沖蝕磨損性能較普通氬弧熔覆層的有明顯提高。

沖蝕粒子的運(yùn)動(dòng)可分解為切向運(yùn)動(dòng)和法向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)石英砂以小角度在材料表面進(jìn)行切向運(yùn)動(dòng)時(shí)，尖銳的砂粒將切出一定數(shù)量的微體積材料；當(dāng)以大角度與靶材接觸時(shí)，由于表面材料在接觸點(diǎn)首先產(chǎn)生彈性變形，進(jìn)而進(jìn)入塑性變形狀態(tài)，所以沖擊后，材料表面的彈性變形將恢復(fù)，而塑性變形將保留，從而形成了凹坑。當(dāng)石英砂與料料表面接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的機(jī)械磨損作用，使得材料表面產(chǎn)生裂紋，易脫落。同時(shí)，液體的高速流動(dòng)，使被沖蝕材料表面上未完全脫落的材料迅速流失，在二者的共同作用下，產(chǎn)生沖蝕磨損。

表3　不同試樣的沖蝕磨損量和相對(duì)耐沖蝕性能

由圖6可以看出，沖蝕磨損后，母材表面出現(xiàn)了較深的劃痕及較多的點(diǎn)狀凹坑，普通氬弧熔覆層表面的劃痕和凹坑較少，活性氬弧熔覆層表面只有細(xì)微的劃痕和凹坑。Q235鋼母材的硬度較低，但塑性較大，受切向方向沖蝕的影響較大，故而表面會(huì)出現(xiàn)較多的劃痕和凹坑，沖蝕磨損嚴(yán)重。普通氬弧熔覆層中加入了B4C，被溶解的B4C與碳化物形成元素鐵生成了Fe2B和Fe3B硬質(zhì)相，而未溶解的B4C又在熔覆層中起到了細(xì)晶強(qiáng)化的作用，因此耐沖蝕性能得以提高。活性氬弧熔覆層中不僅含有Fe2B和Fe3B硬質(zhì)相，還新生成了Fe3.5B、Fe23(B,C)6、Fe5Si3和Fe2AlB2新相，當(dāng)砂粒作用于熔覆層表面時(shí)，熔覆層中較軟的相被逐漸沖蝕，暴露出具有較高硬度的新相，可以將沖擊的砂粒擊碎，因此耐沖蝕性能提高顯著。

圖6　不同試樣沖蝕磨損后的表面形貌Fig.6　Surface morphology of different samples after erosion wear: (a) base metal;(b) common argon arc cladding layerand (c) surfactant argon arc cladding layer

3結(jié)論

(1) B4C增強(qiáng)鐵基氬弧熔覆層中含有Fe3C、Fe2B和Fe3B等相，B4C增強(qiáng)鐵基活性氬弧熔覆層不僅含有Fe3C、Fe2B和Fe3B相，還含有Fe3.5B、Fe23(C,B)6、Fe5Si3、Fe2AlB2等新相。

(2) 粉煤灰活性劑的涂覆可使熔覆層的組織細(xì)小致密，晶粒分布較為規(guī)則，同時(shí)也起到了增加熔池深度的效果。

(3) B4C增強(qiáng)鐵基活性氬弧熔覆層的顯微硬度比普通B4C增強(qiáng)鐵基氬弧熔覆層的提高了60 HV，且前者的耐磨粒磨損性能和耐沖蝕磨損性能分別為后者的1.16倍和1.86倍。

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Preparation and Wear Resistance of B4C-Fe-based Surfactant Argon Arc Clading Layer

MA Zhuang1,2，YUAN Hong-kun1，DONG Shi-zhi1，LI Zhi-chao1

(1.College of Materials Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000， China;

2.Liaoning Institute of Science and Technology， Benxi 117000,China)

Abstract:Taking fly ash as surfactant, B4C-Fe-based surfactant argon arc cladding layer was prepared on Q235 steel surface by surfactant argon arc cladding technology, and then the phases, microstructure, microhardness and wear resistance of the cladding were studied and compared with those of B4C-Fe-based argon arc cladding layer (common argon arc cladding layer). The results showed there were Fe3.5B, Fe23(C,B)6, Fe5Si3and Fe2AlB2new phases in the surfactant argon arc cladding layer. Fly ash played an important role in refining the microstructure of the surfactant argon arc cladding layer and promoting good adhesion of the cladding layer with the base metal.The microhardness of the surfactant argon arc cladding inreased by 60 HV than that of the common argon arc caldding layer, and the abrasive wear and erosion wear resistance of the former were 1.16 times and 1.86 times of those of the latter.

Key words:surfactant argon arc cladding layer; fly ash; B4C; wear resistance

中圖分類號(hào)：TG47

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000-3738(2015)10-0042-05

通訊作者：袁紅昆

作者簡(jiǎn)介：馬壯(1963-)，男，遼寧阜新人，教授，博士。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(E0422)

收稿日期:2014-12-08；

修訂日期:2015-06-15

DOI:10.11973/jxgccl201510010