WC對鐵基合金噴焊層組織及磨損性能的影響

熊 中，王 艷，徐 強，何 芹，高 宇

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

WC對鐵基合金噴焊層組織及磨損性能的影響

熊 中，王 艷，徐 強，何 芹，高 宇

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

采用等離子噴焊技術在Q235表面制備鐵基合金噴焊層，借助X射線衍射分析、金相顯微鏡以及摩擦磨損實驗，研究一定含量的WC對鐵基合金噴焊層組織及磨損性能的影響。結(jié)果表明：鐵基合金噴焊層主要由α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3和（Fe，Ni）固溶體等物相組成，加入WC后，出現(xiàn)了（Fe，Cr）23C6，WC，W2C等新物相。未加入WC的噴焊層出現(xiàn)了疲勞剝落，數(shù)量較多、較深且平直的犁溝，表現(xiàn)為粘著磨損和磨料磨損；加入WC后疲勞剝落減弱，犁溝減少，表現(xiàn)為磨料磨損。噴焊層中硬質(zhì)相的彌散強化作用提高了硬度和耐磨性。

等離子噴焊；碳化鎢；鐵基合金；磨損性能

0 前言

表面失效是零部件主要失效形式之一，在各種表面失效中磨損占60％～80％，磨損會嚴重影響零部件的穩(wěn)定運行[1]。表面工程技術能夠有效提高零部件的表面性能。而作為表面強化手段之一的等離子噴焊，不僅可以恢復零部件尺寸，還能獲得等同于甚至高于基體材料的性能，且具有稀釋率低、可控性好、范圍使用廣、設備自動化程度高、價格低廉等優(yōu)點。鐵基自熔性合金粉末來源廣泛，成本低、抗磨性及耐蝕性能好，并可根據(jù)所需性能調(diào)節(jié)其成分，因而受到廣泛關注[2-3]。WC顆粒具有熔點高、硬度高、耐磨性好、性能穩(wěn)定，并且與鋼鐵潤濕性好，二者之間的潤濕角幾乎為零等一系列優(yōu)點，在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中已成為金屬加工、礦山開采、石油鉆探、國防裝備等不可缺少的重要材料。利用等離子噴焊技術制備WC強化鐵基噴焊層，進一步提高鐵基噴焊層性能，對工程應用具有指導意義[4]。

本研究在鐵基合金粉末中加入一定含量的WC制備等離子噴焊層，研究WC對噴焊層組織和摩擦磨損性能影響。

1 實驗材料和方法

實驗基體材料為Q235鋼板，噴焊粉末為成都大光熱噴涂材料公司生產(chǎn)的型號為Fe55的鐵基合金，粒度-150～+300目，化學成分如表1所示。

表1 Fe55粉末的化學成分Table 1 Chemical composition of Fe55 powder ％

將Fe55鐵基粉末與一定比例的WC粉末混合均勻，計算得出WC在粉末中的質(zhì)量比。每組合金粉末配方總重50g。實驗樣品配比如表2所示。噴焊前，在真空干燥箱中經(jīng)120℃、保溫1 h干燥處理。

表2 試驗樣品配比Table 2 Composition of test samples

采用PTE-400E-ST型等離子噴焊機，噴焊參數(shù)為：焊接速度90 mm/min，擺動寬度20 mm，擺動速度1000mm/min，焊接電流125A，焊接電壓27V，離子氣200 L/h，送粉氣280 L/h，保護氣500 L/h。采用電火花線切割機切取金相及摩擦磨損試樣。金相試樣經(jīng)打磨拋光后，選用FeCl3-HCl溶液腐蝕。采用型號LY-WN-HP SUPER CCD的萬能視頻成像裝置對噴焊層表面組織和縱截面組織進行拍照。采用HVS-1000型數(shù)字式顯微硬度計測試組織顯微硬度，實驗載荷4.9 N，加載時間10 s。利用D/MAX-2500/PC X射線衍射儀對噴焊層組織進行物相分析。在HSR-2M型高速往復摩擦磨損試驗機上進行干摩擦磨損試驗，磨樣為ZrO2陶瓷球，試驗載荷40 N，試驗時間20 min，行程2 mm。

2 實驗結(jié)果和分析

2.1 X射線衍射分析

噴焊表層的XRD衍射圖譜如圖1所示。Fe55主要由α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3，（Fe，Ni）固溶體等物相組成；加入WC后，噴焊層除α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3，（Fe，Ni）固溶體外還存在WC，W2C等物相，但其衍射強度較低。

圖1 X射線衍射分析Fig.1 X-ray diffraction analysis

2.2 金相顯微組織分析

噴焊層表層顯微組織如圖2所示，圖2a為Fe55噴焊層組織，圖2b為添加WC后的噴焊層組織，兩者都呈現(xiàn)出基體周圍分布網(wǎng)狀碳化物這種典型的亞共晶組織。結(jié)合X射線衍射分析（見圖1），噴焊層基體主要由馬氏體和殘余奧氏體構(gòu)成，在粗大的枝晶附近還存在著少量的（Fe，Ni）固溶體；WC的加入顯著細化了噴焊層組織，樹枝晶擇向生長，并且出現(xiàn)了面心立方（Fe，Cr）23C6碳化物，這是由于WC的加入抑制了碳化物的各向異性，在高溫下部分WC發(fā)生分解，產(chǎn)生了W2C和C；W2C（熔點2860℃）在高溫下以細小的顆粒析出，W2C與（Fe，Cr）7C3這些碳化物均可作為異質(zhì)形核的核心，大大提高形核率，使組織得到明顯細化。圖2b中未完全熔化的WC周圍碳含量較高，周圍組織由亞共晶轉(zhuǎn)變成共晶組織。

噴焊層縱截面熔合線附近組織如圖3所示，對比圖3a和圖3b，圖3b中靠近熔合線出現(xiàn)大量的球狀WC，這是因為WC的相對密度較大，在噴焊的高溫過程作用下，WC顆粒出現(xiàn)沉底的現(xiàn)象。添加WC后熔合線變窄，但細小網(wǎng)狀碳化物變粗且較為雜亂，究其原因，WC在高溫等離子焰下發(fā)生分解形成的產(chǎn)物能夠阻止奧氏體晶粒長大，增加局部碳含量，進而改變?nèi)酆暇€附近周圍組織形貌。

2.3 顯微硬度分析

采用HVS-1000型顯微硬度計測試噴焊層縱截面硬度，并求其平均值，得到噴焊層顯微硬度分布曲線如圖4所示。加入WC的表層平均顯微硬度為910HV0.5，是未添加WC表層平均顯微硬度的1.93倍；加入的WC在高溫下部分發(fā)生分解，形成了W2C和C，W2C（熔點2 860℃）在高溫下以細小的顆粒析出，而C元素又與（Fe，Cr）結(jié)合形成更多的（Fe，Cr）7C3， W2C與（Fe，Cr）7C3均可成為異質(zhì)形核核心，大大提高了異質(zhì)形核率，顯著細化了噴焊層組織，碳化物的高硬度和彌散分布均保證了噴焊層的高硬度[6-7]，故顯微硬度高于未添加WC的噴焊層。由圖4還可知，加入WC的噴焊層中，其熔合線附近的平均顯微硬度達到1 042 HV0.5，高于噴焊層表層硬度。由于WC的相對密度較大，噴焊過程中WC顆粒易出現(xiàn)沉底現(xiàn)象，使得熔合線附近硬度過高，也間接印證了圖3b觀測到熔合線附近存在大量球狀WC的現(xiàn)象。

圖2 噴焊層表層顯微組織Fig.2 Microstruture of the spray welding layer

圖3 噴焊層縱截面Fig.3 Longitudinal section of spray welding layer

圖4 從表層到基體顯微硬度Fig.4 Microhardness distribution from layer surface to substrate

2.4 摩擦磨損實驗結(jié)果與分析

噴焊層表層摩擦磨損實驗結(jié)果如圖5所示。未加入WC的摩擦系數(shù)波動較大，介于0.45～0.78之間；加入WC之后，噴焊層的摩擦系數(shù)略有降低，介于0.43～0.62之間，耐磨性能提高。

圖5 噴焊層表層摩擦系數(shù)Fig.5 Friction coefficient of the spray welding layer surface

摩擦磨損實驗過程中，未加入WC的噴焊層表層硬度和強度均不高，對磨過程中易產(chǎn)生摩擦熱，而摩擦熱引起材料表面溫度變化，導致摩擦系數(shù)波動較大；加入WC后，噴焊層除了出現(xiàn)WC、W2C，還出現(xiàn)了（Fe，Cr）23C6，這些硬質(zhì)相在噴焊層中彌散強化進一步增加了噴焊層的硬度和強度，提高了表面的變形抗力，在對磨過程中起到抵抗磨損的作用，導致摩擦系數(shù)降低，耐磨性提高。

摩擦磨損實驗中測定出的部分數(shù)據(jù)如表3所示，加入WC后，噴焊層的摩擦磨損性能得到改善，耐磨性顯著提高。其磨痕寬度、磨痕深度、磨損量較未添加WC分別降低了38.87％、51.99％、41.28％。

表3 摩擦磨損數(shù)據(jù)Table 3 Date of friction and wear

噴焊層表層磨損形貌如圖6所示，圖6a為未加入WC噴焊層表層，表面犁溝較深，數(shù)量較多且平直，出現(xiàn)剝落現(xiàn)象，表現(xiàn)為粘著磨損和磨料磨損；圖6b為加入WC噴焊層表層，表面還是出現(xiàn)犁溝，犁溝明顯變淺，仍出現(xiàn)部分剝落的現(xiàn)象，部分的磨屑鑲嵌在基體中，表現(xiàn)為磨料磨損，耐磨性較前者提高。

圖6 噴焊層磨損形貌Fig.6 Wear morphology of spray welding layer

未加入WC的鐵基噴焊層硬度低，亞共晶組織中存在著某些脆性相，組織的韌性差，磨損過程中這些脆性相易從基體中剝落，與對磨陶瓷球共同切削作用，產(chǎn)生較深、數(shù)量較多且平直的犁溝。加入WC后，噴焊層的組織得到細化，增加了噴焊層的韌性和碳化物的含量，這些存在的WC顆粒以及其他碳化物硬質(zhì)增強顆粒能有效阻礙對磨過程中磨粒對噴焊層表層的犁削作用，提高耐磨性。

3 結(jié)論

（1）未加入WC的鐵基合金噴焊層主要由α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3，（Fe，Ni）固溶體等物相組成；加入WC后噴焊層出現(xiàn)了（Fe，Cr）23C6，WC，W2C等新物相。

（2）WC的加入提高了噴焊層的顯微硬度，（Fe，Cr）7C3，WC，W2C等這些碳化物的高硬度和彌散分布保證了噴焊層的高硬度。

（3）加入WC后的噴焊層耐磨性優(yōu)于未加入WC的噴焊層，未加入WC的噴焊層出現(xiàn)了疲勞剝落、數(shù)量較多、較深且平直的犁溝，表現(xiàn)為粘著磨損和磨料磨損；加入WC后疲勞剝落減弱，犁溝減少，磨料磨損減弱，耐磨性提高。

[1]黃智問.談談磨粒磨損[J].表面技術，2000，29（4）：34-36.

[2]潘春旭，陳俐.耐磨堆焊層顯微組織特征及其與耐磨性關系的研究[J].兵器材料科學與工程，2000，23（2）：8～12．

[3]QI Xiaowen，JIA Zhining，YANG Qinxiang，et al．Effects of vanadium additive on structure property and tribological performance of high chromium cast iron hardfacing metal [J]．Surface and Coatings Technology，2011，205（24）：5510-5514.

[4]徐濱士.神奇的表面工程[M].北京：清華大學出版社，2002.

[5]李劍鋒，戴瑋瑋，丁傳賢.等離子噴涂碳化鉻-鎳鉻涂層的摩擦學特性[J].摩擦學學報，1996，16（1）：14-20.

[6]原津萍，張平，梁志杰，等.Mo，CeO2對鎳基合金激光熔覆層組織及性能影響[J].稀有金屬材料與工程，2008（37）：147-151.

[7]李明喜，劉進，李殿凱，等.VC對鐵基合金噴焊層組織與耐磨性的影響[J].材料熱處理學報，2015，36（11）：214-218.

Effect of WC on the microstructure and the wear resistance of Fe-based spray-welding coating

XIONG Zhong，WANG Yan，XU Qiang，HE Qin，GAO Yu
（School of Material and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The Fe-based alloy spray welding coating on Q235 substrate by plasma spray-welding process has been prepared.The effect of certain content of WC on the microstructure and tribological properties of Fe-based alloy spray welding coating has been studied by means of metallurgical microscope，X-ray diffraction analysis and friction and wear test.The results indicate that the coating is mainly composed of α-Fe，γ-Fe，(Fe，Cr)7C3and soild solution(Fe，Ni).The new phases such as(Fe，Cr)23C6，WC and W2C have emerged when the addition amount of WC.The spray welding coating without WC appears fatigue spalling，more quantity，deep and straight furrows，which mainly present as adhesive wear and abrasive wear.After adding WC，fatigue spalling weakens and furrows reduce，adhesive wear and abrasive wear get more slightly，the wear resistance of spray welding coating has been improved obviously.The hardness and the wear resistance are improved by the dispersion strengthening effect of the hard phase in the spray welding layer.

plasma spray welding；WC；Fe-based alloy；wear performance

TG456

A

1001－2303（2016）12－0104-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.23

獻

熊中，王艷，徐強，等.WC對鐵基合金噴焊層組織及磨損性能的影響[J].電焊機，2016，46（12）：104-107.

2016-07-01

四川省教育廳重點項目（13ZA0030）；汽車高性能材料及成形技術四川省高校重點實驗室開放基金（SZJJ2015-090）；2015省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃（201510623002）；西華大學2016研究生創(chuàng)新基金（YCJJ2016140）

熊中（1989—），男，四川南江人，在讀碩士，主要從事耐磨材料及耐磨性能的研究工作。