高錳鋼表面等離子熔覆低碳鐵?鉻?鎳合金涂層的組織和耐磨性能

袁磊，胡永俊*，萬俊，張?zhí)欤蓵粤?，李風(fēng)，揭曉華，張海燕，肖小亭

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

【表面技術(shù)】

高錳鋼表面等離子熔覆低碳鐵?鉻?鎳合金涂層的組織和耐磨性能

袁磊，胡永俊*，萬俊，張?zhí)欤蓵粤?，李風(fēng)，揭曉華，張海燕，肖小亭

（廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006）

采用等離子熔覆技術(shù)在高錳鋼表面原位反應(yīng)制備了低碳Fe–Cr–Ni合金涂層。利用金相顯微鏡、掃描電鏡和X射線衍射儀分析了熔覆層和熱影響區(qū)的顯微組織、形貌以及相組成，討論了它們的形成機(jī)制，并用摩擦試驗(yàn)機(jī)測(cè)試了涂層和基體的耐磨性。結(jié)果表明，制得的Fe–Cr–Ni合金涂層無裂紋，與基體表現(xiàn)為冶金結(jié)合，由γ(Fe–Cr–Ni固溶體)相與M7C3等碳化物組成。根據(jù)γ相形貌，熔覆層組織由上到下依次為等軸晶、樹枝晶、胞狀晶和平面晶。熱影響區(qū)組織為魏氏體?；w為奧氏體和少量珠光體組織。Fe–Cr–Ni合金涂層的顯微硬度最高為723 HV，約為基體的3倍。涂層的磨損量遠(yuǎn)小于基體的磨損量，F(xiàn)e–Cr–Ni合金涂層可顯著改善高錳鋼的硬度和耐磨性。

高錳鋼；鐵鉻鎳合金；等離子熔覆；顯微組織；顯微硬度；耐磨性

高錳鋼具有良好的加工硬化性能，在強(qiáng)烈沖擊或重力擠壓的工況下，其表面迅速硬化，而心部仍保持原有的硬度和良好的韌性，既安全可靠，又耐磨長(zhǎng)壽，被廣泛用于制作冶金、礦山、建材、鐵路、農(nóng)機(jī)、軍工等行業(yè)的易損構(gòu)件[1-3]。但在非強(qiáng)沖擊載荷下，由于不能得到充分的加工硬化，高猛鋼表面在磨料的沖擊和切割作用下易發(fā)生剪切破壞，耐磨性較差，所制構(gòu)件的使用壽命短[4]。對(duì)高錳鋼零部件的表面進(jìn)行強(qiáng)化，形成耐磨涂層以改善其在低載荷下的耐磨性是提高其使用壽命的方法之一。

高能熔覆技術(shù)指采用激光束、電子束、離子束等高能束在選定工件表面熔覆一層特殊性能的材料，以改善其表面性能的工藝[5]。其中等離子熔覆屬于快速凝固過程，容易獲得細(xì)小晶粒組織或平衡態(tài)所無法得到的新相，可以制得低稀釋率的良好覆層，且與基體材料呈冶金結(jié)合，是現(xiàn)代表面工程技術(shù)的一個(gè)研究熱點(diǎn)[6-10]。高碳Fe–Cr–Ni涂層(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于等于3%)的硬度高，耐磨性好，但脆性大，熔覆時(shí)容易開裂，需進(jìn)行基體預(yù)熱，工藝較復(fù)雜。如果能在高錳鋼表面熔覆低碳Fe–Cr–Ni涂層，將具有重要學(xué)術(shù)和應(yīng)用價(jià)值，而目前國內(nèi)外學(xué)者甚少開展等離子熔覆技術(shù)在高錳鋼表面制備低碳Fe–Cr–Ni涂層的工藝研究，較少涉及對(duì)低碳Fe–Cr–Ni涂層/高錳鋼的組織與形貌演變的探索。本文通過等離子熔覆技術(shù)在高錳鋼表面制備了低碳Fe–Cr–Ni涂層，討論了熔覆層與熱影響區(qū)的形成機(jī)制，考察了其耐磨性，以期為提高高錳鋼的耐磨性提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料

以120 mm × 120 mm × 12 mm的M13鋼為基體，對(duì)其進(jìn)行磨拋去銹、丙酮去油等處理后備用。鐵鉻鎳合金粉末的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為：C 0.1% ～ 0.2%，Cr 18.0% ～ 20.0%，Si 3.5% ～ 4.0%，Mo 1.8% ～ 2.1%，Ni 17.0% ～ 19.0%，B 1.2% ～ 1.8%，F(xiàn)e余量。使用前需進(jìn)行真空干燥處理。

1. 2 涂層的制備

采用某公司生產(chǎn)的DSFS等離子熔覆設(shè)備制備涂層，其額定功率為20 kW，額定電流220 A，用氬氣保護(hù)同步送粉方式進(jìn)行熔覆。根據(jù)前期大量的正交試驗(yàn)結(jié)果選擇最優(yōu)工藝參數(shù)為：電流180 A，掃描速率180 mm/min，送粉速率220 g/min，電離氣6 L/min，保護(hù)氣3 L/min，單道熔覆。

1. 3 表征與性能測(cè)試

用電火花線將試樣從高度方向切割成10 mm × 10 mm的金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后用王水腐蝕，通過MDX型金相顯微鏡觀察熔覆層的組織形貌。采用S-3400N-II型掃描電鏡(SEM)觀察磨損面的形貌。采用D/MAX-Ultima IV型X射線衍射儀(XRD)分析熔覆層和基體的物相，Cu靶，測(cè)試電壓35 kV，電流30 mA，掃描速率8°/min，掃描范圍10° ～ 90°。采用CFT-1材料表面性能綜合測(cè)試儀測(cè)試涂層的摩擦磨損性能，壓力35 N，以45鋼珠作為對(duì)磨摩擦副。

2 結(jié)果與討論

2. 1 熔覆層的微觀組織

試樣的橫截面如圖1所示，等離子束使合金粉末受熱熔化而覆蓋在基體表面，從上往下分為熔覆層、熱影響區(qū)和基體3個(gè)區(qū)域。經(jīng)多次測(cè)量，熔覆層的平均寬度為10 mm，厚度為5 mm，與基體形成冶金結(jié)合，無裂紋產(chǎn)生。

圖1 涂層試樣橫截面照片F(xiàn)igure1 Photo showing the cross-section of coating sample

圖2示出了試樣橫截面不同位置的顯微組織。按表面距離的深淺，熔覆層中形成了3種典型的組織形貌。這是由于隨結(jié)晶過程向熔覆層內(nèi)部推進(jìn)，成分過冷對(duì)組織形貌的演變起了主要作用。在熔覆層的上表面，熔融金屬液與空氣形成一個(gè)液氣界面，流動(dòng)的保護(hù)氣體引起的對(duì)流散熱作用顯著，表層熔體產(chǎn)生了一個(gè)大的過冷度，從而在表面形成了細(xì)小的等軸晶組織(見圖2a)。

在熔覆層中部，由于液體結(jié)晶釋放的潛熱與基體傳熱保持局部平衡，進(jìn)一步減小了液相中的溫度梯度和凝固速率，結(jié)晶速率最大，溶質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最多，成分過冷最大，形成了很寬的成分過冷區(qū)，自發(fā)結(jié)晶占據(jù)主導(dǎo)地位，最終生成等軸晶(見圖2b)。

在熔覆層和熱影響區(qū)的邊界處(即熔合區(qū))，熔池金屬結(jié)晶從熔合去母材的半熔化晶粒上開始向熔覆層生長(zhǎng)。界面附近的溶質(zhì)富集程度較小，由于溫度梯度較大，結(jié)晶速率很小，故成分過冷接近于零，有利于平面晶的生長(zhǎng)，故熔合區(qū)形成了一條光亮的平面晶層。越靠近基體，固/液界面前沿溫度梯度(G)開始減小，冷卻速率加快，且隨著凝固速率(R)增大，G/R值逐漸減小，晶體生長(zhǎng)方向明顯受傳熱條件控制，從而轉(zhuǎn)為向逆熱流傳導(dǎo)方向生長(zhǎng)的胞狀晶、胞狀樹枝晶和樹枝晶發(fā)展(見圖2c)。

圖2d和圖2e顯示了熔覆后基體的微觀組織。高錳鋼的導(dǎo)熱系數(shù)低于一般的普通碳鋼，其散熱慢，冷卻時(shí)部分原奧氏體共析的針狀鐵素體伸向晶內(nèi)或沿一定位向析出，分布于珠光體上，形成粗大的魏氏組織，即熱影響區(qū)內(nèi)的組織由原來的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)槲菏象w組織，如圖2d所示。從圖2e可知，由于遠(yuǎn)離熔覆層，受到影響較小，基體為奧氏體和少量珠光體組織。

2. 2 熔覆層的硬度

圖3是Fe–Cr–Ni合金涂層沿厚度方向的顯微硬度曲線，可見從基體到表面，顯微硬度大致呈梯度分布，最高顯微硬度出現(xiàn)在亞表層，為723 HV。這是因?yàn)槿鄹苍诳諝庵羞M(jìn)行，熔覆層最外層的氧化相對(duì)于內(nèi)部更為嚴(yán)重，所以表層的硬度反而有所下降。通過金相和XRD分析(見圖4)可知，熔覆層的高硬度主要是由于其中合金元素的固溶強(qiáng)化作用[即γ(Fe–Cr–Ni固溶體)相]，以及彌散析出的金屬碳化物M7C3和(Cr,Fe)7C3所造成的第二相強(qiáng)化。熔覆層上表面為晶粒均勻細(xì)小的等軸晶區(qū)，硬度較高；中下區(qū)域多為樹枝晶，晶粒較為粗大，硬度分布較為平緩；而底部的硬度低于表面區(qū)域，是因?yàn)榘麪罹^(qū)與基體相熔，稀釋了Cr、Ni等元素的強(qiáng)化作用。

圖2 試樣不同部位的顯微組織Figure2 Microstructure of different parts of the clad sample

圖3 試樣沿厚度方向的顯微硬度分布曲線Figure3 Microhardness distribution curve for the clad sample along the film thickness direction

圖4 高錳鋼和Fe–Cr–Ni合金涂層的XRD圖譜Figure4 XRD patterns of high-manganese steel and Fe–Cr–Ni alloy coating clad on it

2. 3 熔覆層的摩擦磨損性能

基體和熔覆層經(jīng)過室溫干滑動(dòng)磨損試驗(yàn)后的結(jié)果列于表1。由表1可知，高錳鋼基體的磨損較為嚴(yán)重，磨損量遠(yuǎn)大于熔覆層。而覆蓋等離子熔覆層后，平均摩擦因數(shù)降低，磨痕深度僅為基體的1/4，可見Fe–Cr–Ni合金涂層具有良好的耐磨性。

表1 涂覆涂層與否的基體的磨損數(shù)據(jù)Table 1 Wear data of the unclad and clad substrates

圖5為高錳鋼和Fe–Cr–Ni合金涂層磨損試驗(yàn)后磨痕的SEM照片。從圖5可見，基體的磨損面上能觀察到很多深淺不同的平行犁溝劃痕，且其深度和寬度都較大?！袄鐪稀笔怯捎诨w與對(duì)壓頭接觸面存在脫落的硬質(zhì)相，相對(duì)滑動(dòng)時(shí)部分較硬的磨?！袄缛搿被w表面使其產(chǎn)生塑性變形后形成的，這也是造成磨粒磨損的主要原因之一。熔覆層的磨痕盡管也存在少量犁溝，但因其表面硬度較高，磨痕較淺。另外從圖5d觀察到磨痕表面還存在部分鱗片狀脫落，說明熔覆層的磨損機(jī)制為磨粒磨損與粘著磨損相結(jié)合。

圖5 不同試樣的磨痕在不同放大倍數(shù)下的形貌Figure5 Wear scratch morphologies of different samples observed at different magnifications

3 結(jié)論

在室溫下采用等離子熔覆技術(shù)在高錳鋼表面獲得了無裂紋、與基體呈冶金結(jié)合的Fe–Cr–Ni合金涂層。該涂層由γ(Fe–Cr–Ni固溶體)相以及M7C3等碳化物組成，垂直方向上根據(jù)γ相形貌依次分為等軸晶區(qū)、樹枝晶區(qū)、胞狀晶區(qū)和平面晶區(qū)。涂層的顯微硬度最高為723 HV，約為高錳鋼基體的3倍，且平均摩擦因數(shù)低，磨痕深度僅為基體的1/4，磨損量也遠(yuǎn)小于基體，顯著提高了基體的耐磨性。

[1] 趙培峰, 國秀花, 宋克興. 高錳鋼的研究與應(yīng)用進(jìn)展[J]. 材料開發(fā)與應(yīng)用, 2008, 23 (4): 85-88, 94.

[2] 王洪發(fā). 金屬耐磨材料的現(xiàn)狀與展望[J]. 鑄造, 2000, 49 (增刊): 577-581.

[3] 施忠良, 張守年. 高錳鋼合金化的組織及加工硬化性能[J]. 材料科學(xué)與工藝, 1990, 1 (2): 22-26.

[4] 謝敬佩, 王文焱, 李繼文, 等. 耐磨奧氏體錳鋼[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2008: 12-14.

[5] 單際國, 張迪, 任家烈. 鎳基合金粉末光束堆焊層的微觀組織及強(qiáng)化機(jī)理[J]. 材料研究學(xué)報(bào), 2002, 16 (2): 151-157.

[6] 胡永俊, 楊宏歡, 陳均煥, 等. 熱處理對(duì)等離子熔覆層析出物與殘余應(yīng)力的影響[J]. 熱加工工藝, 2016, 45 (12): 116-119.

[7] XU G J, KUTSUNA M, LIU Z J, et al. Characteristics of Ni-based coating layer formed by laser and plasma cladding processes [J]. Materials Science and Engineering A, 2006, 417 (1): 63-72.

[8] 劉均海, 黃繼華, 劉均波, 等. 等離子熔覆TiC/Fe–Cr金屬陶瓷復(fù)合涂層[J]. 焊接學(xué)報(bào), 2011, 32 (1): 93-96.

[9] 費(fèi)麗爽, 肖小亭, 胡永俊, 等. 718H模具鋼等離子熔覆涂層的組織和性能研究[J]. 熱加工工藝, 2014, 43 (8): 142-144, 149.

[10] LIU Y F, ZHOU Y L, ZHANG Q, et al. Microstructure and dry sliding wear behavior of plasma transferred arc clad Ti5Si3 reinforced intermetallic composite coatings [J]. Journal of Alloys and Compounds, 2014, 591: 251-258.

[ 編輯：杜娟娟 ]

Microstructure and wear resistance of Fe–Cr–Ni alloy coating prepared by plasma cladding on the surface of

high-manganese steel

YUAN Lei, HU Yong-jun*, WAN Jun, ZHANG Tian, CHENG Xiao-ling, LI Feng, JIE Xiao-hua,

ZHANG Hai-yan, XIAO Xiao-ting

A Fe–Cr–Ni alloy coating with low carbon content was fabricated on the surface of high-manganese steel via in-situ reaction by plasma cladding. The microstructure, morphology and phase composition of the cladding layer and heat-affected zone were studied by metalloscope, scanning electron microscope and X-ray diffractometer. The formation mechanism of the alloy coating was discussed. The wear resistance of the coating and substrate was examined by friction tester. The results showed that the Fe–Cr–Ni alloy coating obtained is crack-free and metallurgically bonded to the substrate, and consists of γ phase (Fe–Cr–Ni solid solution), M7C3, and some other carbides. The cladding layer is composed of equiaxed crystal zone, dendrite zone, cellular crystal zone and planar crystal sequentially from surface to bottom according to the morphology of γ phase. The microstructure of heat-affected zone is Widmanst?tten structure and the substrate is of austenite structure with a small amount of pearlite. The maximum microhardness of the Fe–Cr–Ni alloy coating is 723 HV, which is three times more than that of the substrate. The wear loss of the coating is much smaller than that of the substrate, indicating that the hardness and wear resistance of high-manganese steel are greatly improved by the Fe–Cr–Ni coating.

high-manganese steel; iron–chromium–nickel alloy; plasma cladding; microstructure; microhardness; wear resistance

TG174.4

A

1004 – 227X (2017) 06 – 0324 – 04

10.19289/j.1004-227x.2017.06.012

2016–09–12

2017–02–20

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B091100024）；廣州市科技項(xiàng)目（2014J2200084）。

袁磊（1990–），男，江西吉安人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)椴牧媳砻鎻?qiáng)化。

胡永俊，副教授，(E-mail) dahutu985@163.com。

First-author’s address:Faculty of Materials and Energy, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China