等離子熔敷鐵基合金涂層組織和性能

馬 國(guó) ，王 燦 ，張立平 ，黃 松 ，孟慶禹

（1.江蘇徐州工程機(jī)械研究院，江蘇徐州221004；2.徐工集團(tuán)工程機(jī)械有限公司高端工程機(jī)械智能制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221004）

0 前言

等離子噴焊技術(shù)是一種現(xiàn)代表面強(qiáng)化技術(shù)，以壓縮等離子電弧為熱源熔化填充材料及部分母材金屬，形成具有冶金結(jié)合的熔敷層。與手工電弧堆焊、手工氬弧堆焊等常用堆焊工藝相比，等離子噴焊具有生產(chǎn)效率高、稀釋率低、工藝穩(wěn)定性好、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、焊層質(zhì)量穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)[1-2]。常用的填充材料以粉末為主，包含鐵基、鎳基、鈷基、銅基、金屬-陶瓷復(fù)合材料幾大類，每種材料都有其自身特點(diǎn)及適用范圍，其中鐵基材料的力學(xué)性能變化范圍最廣，其韌度和抗磨性能夠?qū)崿F(xiàn)很好的匹配，滿足不同工況要求，且價(jià)格便宜。針對(duì)不同的磨損工況，鐵基合金的成分體系多種多樣，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了大量研究工作，如Fe-Cr-C系、Fe-Cr-CSi-B系、Fe-Cr-B-W-V系等，但針對(duì)Fe-Cr-Ni-BC-Si系合金的研究較少，且主要針對(duì)某一成分進(jìn)行組織及性能的研究[3]。

本研究以Fe-Cr-Ni-B-C-Si系鐵基合金為對(duì)象，研究不同成分下鐵基合金熔敷層的組織和性能，為工業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法和材料

采用PTA-400E4-ST-4型等離子噴焊設(shè)備在35CrMo基體上熔敷5種不同成分的Fe-Cr-Ni-B-CSi系合金粉末，制備熔敷層，并分別編號(hào)為Fe1、Fe2、Fe3、Fe4、Fe5。等離子噴焊工藝參數(shù)如表1所示。

表1 等離子噴焊工藝參數(shù)Table 1 Processing parameters of plasma spray welding

噴焊層制備完成后，采用ARL-3460型火花直讀光譜儀分析堆焊層化學(xué)成分，采用滲透探傷方法檢驗(yàn)熔敷層的抗裂性，采用THRP-150D型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)試鐵基粉末噴焊層的硬度，采用DMI5000M型倒置式金相顯微鏡對(duì)噴焊層組織，采用銷盤式磨損試驗(yàn)測(cè)試耐磨性。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鐵基合金熔敷層化學(xué)成分

每個(gè)試樣測(cè)定3個(gè)點(diǎn)，獲得3組化學(xué)成分值，并計(jì)算其平均值，分析結(jié)果如表2所示。

由表2可知，幾種鐵基合金熔敷層主要由Fe、C、Si、Mn、P、S、Cr、Ni、B 等元素組成，根據(jù)不同合金元素對(duì)鋼組織的影響，可分為促進(jìn)奧氏體及鐵素體形成兩大類元素[4-5]。促進(jìn)奧氏體形成的元素有Ni、Mn、C等，可用鎳當(dāng)量表示，而促進(jìn)鐵素體形成的元素有Cr、Si等，可用鉻當(dāng)量表示

5種鐵基合金熔敷層化學(xué)成分鎳當(dāng)量及鉻當(dāng)量如表3所示。

2.2 裂紋敏感性

5種鐵基合金粉末熔敷層表面滲透探傷結(jié)果如圖1所示。

表2 熔覆層化學(xué)成分Table 2 Chemical compositions of coatings %

表3 鎳當(dāng)量及鉻當(dāng)量Table 3 Ni equivalent and Cr equivalent %

由圖1 可知，F(xiàn)e1、Fe2、Fe3、Fe4 四種合金粉末熔敷層均未出現(xiàn)表面裂紋，而Fe5在堆焊后表面出現(xiàn)橫向裂紋并貫穿整個(gè)焊道。結(jié)合表3可知，當(dāng)Creq/Nieq較小時(shí)，裂紋容易產(chǎn)生。Fe5含有36.5%的Cr及4.9%的C元素，根據(jù)Fe-Cr-C三元合金相圖[3]，在液態(tài)合金的凝固過程中發(fā)生過共晶反應(yīng)，生成大量高硬度低韌性的M7C3初生碳化物，導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

圖1 表面滲透探傷結(jié)果Fig.1 Results of PT

與其他堆焊層相比，F(xiàn)e3堆焊層表面擺動(dòng)波紋明顯且表面粗糙，分析其化學(xué)成分發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e3合金堆焊層中w（B）相對(duì)其他堆焊層低很多，由于w（B）影響材料的熔點(diǎn)、熔池脫氧造渣性能及流動(dòng)性等，故Fe3合金堆焊層熔融金屬的流動(dòng)性及脫氧性能略差，表面擺動(dòng)波紋相對(duì)明顯。

2.3 組織分析

為研究5種鐵基合金粉末等離子熔敷層的微觀組織，進(jìn)行了金相制備。金相磨制面為堆焊層橫截面，腐蝕劑選用FeCl3+HCl+酒精溶液[6]，腐蝕時(shí)間10～20s。金相試樣制備完成后，利用DMI5000M型倒置式金相顯微鏡觀察組織，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，5種熔敷層顯微組織均為明顯的鑄態(tài)組織，且均存在偏析，F(xiàn)e1、Fe2、Fe3組織為樹枝狀晶或胞狀晶。舍弗勒組織圖[7]如圖3所示。

由表3和圖3可知，在鑄態(tài)組織下，5種熔敷層均應(yīng)以A組織為主，同時(shí)部分熔覆層存在F組織。舍夫勒組織圖主要考慮化學(xué)成分對(duì)組織的影響，未考慮到實(shí)際結(jié)晶條件及合金元素存在形態(tài)的影響。而實(shí)際上，合金元素只有在固溶狀態(tài)下才對(duì)A與F的比例產(chǎn)生影響。合金元素以化合物形式沉淀時(shí)，并不影響A與F的比例。

根據(jù)以上分析，并結(jié)合圖2中各熔敷層的顯微組織特點(diǎn)可知，F(xiàn)e2合金熔敷層主要以A為基體，并有少量F分布于A基體上，由于B元素在Fe中的溶解度極低，只有0.026%，其余則以初生共晶硼化物（Fe2B等）與奧氏體分布于晶界位置[8-10]。Fe3合金熔敷層以A為主，同時(shí)在A基體上存在少量細(xì)針狀M，晶界處則主要是初生共晶硼化物+奧氏體。與Fe3相比，F(xiàn)e1熔敷層晶粒尺寸較小，仍以A基體為主，同時(shí)在A基體上存在少量的細(xì)針狀M及塊狀鐵素體，晶界處則以初生共晶硼化物和馬氏體為主。

與Fe1、Fe2、Fe3不同，由于C元素和合金元素含量的增加，F(xiàn)e4、Fe5合金熔敷層均出現(xiàn)長(zhǎng)條狀或塊狀的初生合金碳化物，其中，F(xiàn)e4以A為基體，并在柱狀的A晶界間存在魚骨狀共晶硼化物+奧氏體。Fe5熔敷層C及Cr含量極高，根據(jù)Fe-Cr-C三元合金相圖，組織以塊狀或長(zhǎng)條狀初生M7C3碳化物、部分奧氏體及馬氏體為主[11-13]，同時(shí)因B元素的存在，還有部分共晶硼化物。

圖2 熔覆層金相組織Fig.2 Microstructures of coatings

圖3 舍夫勒組織圖Fig.3 Schaeffler diagram

2.4 熔敷層硬度

為研究不同鐵基粉末熔敷層硬度對(duì)比情況，采用THRP-150D型數(shù)顯洛氏硬度測(cè)試鐵基粉末噴焊層的硬度。選用C標(biāo)尺，加載力150 kg。堆焊層硬度測(cè)試面距離熔合線約2mm，每個(gè)試樣測(cè)定5個(gè)硬度值并取平均值，結(jié)果如圖4所示。

圖4 熔敷層硬度及磨損試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 Results of hardness and wear testing

由圖4可知，熔敷層Creq/Nieq對(duì)硬度無明顯影響。Fe2和Fe3兩種合金熔敷層硬度較低，約42HRC，結(jié)合圖3中的組織分析，F(xiàn)e2和Fe3熔敷層以硬度較低的奧氏體為主（硬度300～600 HV），有少量高硬度的共晶硼化物Fe2B（硬度1 280～1 680 HV）與奧氏體組織，宏觀硬度較低。Fe1熔敷層仍以低硬度的奧氏體為主，但在晶界處有較多硬度高的馬氏體及共晶硼化物，宏觀硬度較高，可達(dá)52 HRC。Fe4熔敷層中w（C）較高，且含有較多高硬度的合金碳化物M7C3等，其硬度達(dá)到1 200～1 700 HV，宏觀硬度高。Fe5熔敷層中w（C）達(dá)到4.8%，以高硬度低韌性的M7C3化合物為主，宏觀硬度很高，但韌性較差，滲透探傷中表面裂紋很多。

2.5 熔敷層耐磨性

采用微機(jī)控制立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行銷盤式磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)載荷200 N，電機(jī)轉(zhuǎn)速160 r/min，試驗(yàn)時(shí)間3 600 s。試驗(yàn)前后使用超聲清洗設(shè)備處理銷試樣，并使用精度0.000 1 g的天平稱重，計(jì)算磨損試驗(yàn)前后試驗(yàn)銷的失質(zhì)量。摩擦銷試樣由各熔敷層加工制備，磨損試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

熔敷層的磨損失重與Creq/Nieq值沒有直接的線性關(guān)系。同時(shí)，硬度對(duì)磨損失重的影響并不完全遵循硬度高耐磨性高的一般原則。

材料的耐磨性主要取決于顯微組織結(jié)構(gòu)中硬質(zhì)相的類型、性能、數(shù)量和分布，同時(shí)基體的形態(tài)和性質(zhì)以及硬質(zhì)相的匹配關(guān)系對(duì)耐磨性也有很大影響。由圖4 可知，隨著 Fe1、Fe2、Fe3、Fe4 及 Fe5 熔敷層化學(xué)成分的變化，特別是C、Cr元素，組織中出現(xiàn)高硬度的初生合金化合物，耐磨性增加[14-16]，但由于Fe5熔敷層表面裂紋較多，在試驗(yàn)過程中硬質(zhì)相從基體中脫落，起到磨粒作用，加速磨損，因此Fe5的磨損失重較大。

3 結(jié)論

（1）5種合金熔敷層顯微組織均為鑄態(tài)組織，以奧氏體為基體，在晶界處存在共晶硼化物+奧氏體（馬氏體），隨著Creq/Nieq值的降低，組織中出現(xiàn)初生合金碳化物M7C3，其本質(zhì)是w（C）增加所致，導(dǎo)致熔覆層表面易產(chǎn)生裂紋。

（2）熔敷層的宏觀硬度及耐磨性由顯微組織決定，與Creq/Nieq值沒有直接的線性關(guān)系，硬質(zhì)相的出現(xiàn)使耐磨性增加，但當(dāng)硬度達(dá)到一定值，出現(xiàn)裂紋，硬質(zhì)相易脫落，使耐磨性下降。

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