Cr含量對(duì)鐵基激光熔覆層組織與性能的影響

田玉亮 李 杰

(1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北礦新材科技有限公司，北京 102206)

我國煤礦大多數(shù)屬于井工礦，高濕、強(qiáng)腐蝕、顆粒沖蝕的工作環(huán)境對(duì)在工作面上運(yùn)行的液壓支架提出很高要求，目前國內(nèi)外對(duì)煤礦液壓支架大多采用表面電鍍硬鉻的方式進(jìn)行防護(hù)，但由于碰傷或粉塵沖蝕極易使電鍍層破壞而失去防護(hù)作用，導(dǎo)致電鍍硬鉻工藝防護(hù)效果較差且對(duì)環(huán)境嚴(yán)重污染。激光熔覆作為一種綠色再制造工藝，在煤礦領(lǐng)域已得到較為廣泛的應(yīng)用，液壓支架作為頂板支護(hù)設(shè)備也受到重點(diǎn)關(guān)注[1-5]。激光熔覆層具備結(jié)合力好、硬度高、耐蝕性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足液壓支架立柱耐磨和抗腐蝕的使用要求，但是熔覆粉末成分是影響激光熔覆層性能的重要因素之一，研制符合條件的液壓支架專用激光熔覆粉末成為該領(lǐng)域研究重點(diǎn)之一。鐵基合金激光熔覆層因與基體鋼材成分相近，界面結(jié)合牢固，并且成本較低，激光熔覆用鐵基合金材料受到國內(nèi)外研究者的廣泛重視。目前激光熔覆用鐵基合金材料主要集中在FeNiCrMoSiC合金體系[6]，通過設(shè)計(jì)合金元素成分，調(diào)配熔覆層組織結(jié)構(gòu)，可獲得滿足要求的熔覆層，但前提是Cr元素含量達(dá)到13%以上才能保證熔覆層的耐蝕性，且國內(nèi)外尚缺乏Cr元素含量變化對(duì)熔覆層組織及其他性能影響的相關(guān)研究和報(bào)道，為此，本文作者綜合考慮其他合金元素對(duì)鐵基熔覆層微觀組織以及性能的影響[7-15]，并結(jié)合煤礦液壓支架立柱的工作環(huán)境特點(diǎn)，自行制備了兩種不同Cr含量的FeNiCrMoSiC合金粉末，初步探討粉末對(duì)激光熔覆工藝適宜性及對(duì)熔覆層組織性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)基材為27SiMn鋼，熔覆粉末采用真空霧化工藝制備，鐵基合金粉末的粉末流動(dòng)性為14～15 s/(50 g)、松比4～5 g/cm3，SEM形貌如圖1所示，粉末粒度分布見表1，主要成分見表2。

圖1 激光熔覆粉末的SEM形貌Fig.1 SEM image of Fe-based laser cladding powder

表1 激光熔覆鐵基粉末的粒度分布

從圖1可以看出，鐵基合金粉末大部分呈球形，表面光滑，基本無衛(wèi)星球組織。研究[16]表明，鐵基合金粉末中含有的B、Si，兩種元素能促進(jìn)合金液體在霧化過程中表面張力的產(chǎn)生，有助于形成球狀粉末。由表1可知，兩種粉末的粒度分布基本相似，顆粒主要分布在53～75 μm。由表2可知，兩種鐵基粉末材料主要元素含量基本一致，區(qū)別在于Cr元素含量不同，1#粉末中Cr元素百分含量為15%，2#粉末中Cr元素百分含量為18%。

表2 激光熔覆鐵基粉末的化學(xué)成分

采用 HJ3000 型 CO2激光器與 PF-3 型激光寬帶涂覆噴粉機(jī)進(jìn)行同步送粉式激光熔覆多道搭接試驗(yàn)，其工藝參數(shù)條件為：激光功率2.3 kW、送粉率8 g/min、光斑直徑3 mm、掃描速度 300 mm/min。

使用線切割方法制備試樣，在熔覆層橫截面處，用不同粒度的砂紙由粗到細(xì)進(jìn)行研磨拋光后，用王水進(jìn)行腐蝕。采用FEI Quanta 600型掃描電鏡表征熔覆層的顯微組織，用其聯(lián)配的能譜儀(EDS)分析熔覆層不同區(qū)域的元素成分。用HLM-100PLUS手持式里氏硬度儀檢測(cè)兩種試樣表面熔覆層的洛氏硬度，每個(gè)試樣表面隨機(jī)測(cè)定5個(gè)點(diǎn)，結(jié)果取其平均值。采用SHIMADZU-6000型X 射線衍射儀分析熔覆層的相組成。鹽霧腐蝕試驗(yàn)在YWX/Q-250鹽霧腐蝕試驗(yàn)箱中進(jìn)行，根據(jù)GB/T 10125—1997《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)—鹽霧試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。鹽霧試驗(yàn)主要條件為：試樣尺寸為30 mm×30 mm×3 mm，呈30°傾斜放置在樣品架上；溶劑采用去離子水；溶質(zhì)氯化鈉含量50 g/L；箱內(nèi)溫度35 ℃，溶液pH值為7；沉降速度為每80 cm2面積上1.7 mL/h，且分別從20、68、92、118、140、188、212 h取出腐蝕過的試樣，對(duì)熔覆層耐蝕性能進(jìn)行分析研究。

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層組織分析

鐵基合金熔覆層組織如圖2所示，從宏觀看，兩種合金熔覆層的組織結(jié)構(gòu)均勻，形貌光滑平整，無裂紋和氣孔。由于鐵基合金粉末對(duì)25SiMn鋼基材有較好的適應(yīng)性，二者熱膨脹系數(shù)相近，在熔覆過程中，熔覆層內(nèi)部特別是熔覆層與基材結(jié)合處產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力較小，同時(shí)熔覆層中Ni、Cr元素含量較高，有助于熔覆層保持良好的塑形和韌性，低B、C可以降低碳化物、硼化物在晶界的析出量，減少晶界內(nèi)部應(yīng)力，且兩種粉末粒度相似，選擇合適的熔覆工藝參數(shù)能夠避免未熔粉末顆粒的存在，有效降低熔覆層開裂。此外，鐵基粉末中B、Si元素有自我脫氧和造渣功能[17]，在熔覆過程中，B、Si元素在熔池表面形成硅酸鹽、硼化物熔渣，既吸附熔池合金液中的氧離子，又阻止大氣中氧原子進(jìn)入熔池，防止合金中的元素被氧化，從而可以獲得氧化物含量低、氣孔率小的熔覆層。從微觀看，兩種熔覆層呈三種典型的組織形態(tài)：即熔覆層與基體之間結(jié)合區(qū)，結(jié)合區(qū)呈快速凝固組織特征；熔覆層靠近結(jié)合區(qū)部的組織為樹枝狀晶(含部分胞狀晶)；熔覆層表端組織為等軸晶。熔覆層組織與基體有明顯輕微的白色界限，表明熔覆層與基材是冶金結(jié)合，有利于獲得熔覆層與基材間的優(yōu)良結(jié)合力。由于激光熔覆加熱速度快、變形小、稀釋率低，熔覆層元素不易被稀釋，可確保熔覆層性能不降低。

圖2 鐵基合金激光熔覆層宏觀形貌和微觀組織Fig.2 Appearance(a)and SEM image(b)of Fe-Based alloy laser cladding layers

通過比較兩種熔覆層晶粒組織大小，結(jié)果是二者無明顯區(qū)別，從基層到表端呈細(xì)小晶粒組織、粗大晶粒組織、小晶粒組織特征，熔覆層表端等軸晶晶粒平均尺寸約8 μm，細(xì)小的晶粒組織能增強(qiáng)熔覆層組織性能，同時(shí)晶粒間隙也無明顯析出物，這也從側(cè)面證明熔覆層晶粒內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)力較小，可避免熔覆層開裂。

掃描電鏡聯(lián)配能譜儀測(cè)定兩種熔覆層表端同一部位不同區(qū)域的成分，分析部位及結(jié)果如圖3和表3所示，其中A 區(qū)為等軸晶晶干部分，B 區(qū)為等軸晶間隙部分。從表3可以看出，兩種熔覆層元素分布情況基本相似，即等軸晶晶干區(qū)域主要富集元素為Cr和Mo，等軸晶間隙區(qū)域主要富集元素為Ni和Si。作為主要合金元素的Ni、Cr和Mo，在凝固過程中發(fā)生偏析，從而造成組織差異。

圖3 兩種熔覆層同一部位的 SEM形貌Fig.3 SEM images of the same part of Fe-based alloy laser cladding layers

表3 熔覆層能譜分析結(jié)果

圖4是熔覆層的XRD分析結(jié)果。從圖4可以看出，兩種熔覆層主要由γ-Fe 和α-Fe 以及微量化合物組成，各物相對(duì)應(yīng)的衍射峰的位置不變，但強(qiáng)度卻隨 Cr 含量的改變而變化，當(dāng)Cr 含量為15%時(shí)，熔覆層主要由α-Fe和、γ-Fe以及少量FeNiCrC、Fe0.64Ni0.36組成；當(dāng)Cr含量為18%時(shí)，熔覆層中α-Fe含量顯著增加，γ-Fe含量減少，F(xiàn)eNiCr化合物析出量也減少，結(jié)合EDS分析結(jié)果認(rèn)為，1#試樣熔覆層大塊區(qū)域?yàn)殍F素體、一定量馬氏體、Fe0.64Ni0.36，細(xì)密的等軸晶為奧氏體以及FeNiCrC的共晶組織；2#試樣熔覆層大塊區(qū)域?yàn)殍F素體、Fe0.64Ni0.36，細(xì)密的等軸晶為奧氏體以及FeNiCrC化合物。兩種熔覆層組織不一樣主要原因是，2#熔覆層等軸晶晶干部分Cr元素含量較1#熔覆層相同區(qū)域的高，在激光快速凝固冷卻條件下，更易形成FeCr過飽和固溶體，即馬氏體相。

圖4 鐵基合金熔覆層物相分析Fig.4 XRD patterns of the cladding layers

2.2 熔覆層硬度

材料表面硬度測(cè)試結(jié)果顯示，1#試樣熔覆層平均洛氏硬度可達(dá)到HRC51.5，2#試樣熔覆層平均洛氏硬度可達(dá)到HRC25.1，兩種試樣硬度變化結(jié)果與熔覆層組織變化有密切關(guān)系，熔覆層的XRD分析結(jié)果顯示，1#試樣熔覆層組織中含有一定量的馬氏體，作為硬質(zhì)相，有利于提高熔覆層硬度，隨著熔覆層中Cr含量的增加，組織中的鐵素體增多，馬氏體基本不存在，其他組織如奧氏體和鐵素體含量變化對(duì)硬度影響不太明顯。

2.3 熔覆層耐蝕性能

兩種鐵基熔覆層鹽霧耐腐蝕試驗(yàn)結(jié)果如圖5～6所示。可見，不同熔覆層在酸性環(huán)境中活性溶解開始時(shí)間不一致，1#試樣熔覆層經(jīng)20 h鹽霧腐蝕后出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，2#試樣熔覆層經(jīng)92～118 h鹽霧腐蝕后出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象；之后，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，合金熔覆層會(huì)發(fā)生自鈍化現(xiàn)象，1#試樣熔覆層在鹽霧試驗(yàn)140 h后發(fā)生自鈍化，2#試樣熔覆層在鹽霧試驗(yàn)188 h后發(fā)生自鈍化。經(jīng)212 h鹽霧試驗(yàn)后，1#、2#試樣熔覆層腐蝕面積分別為40%、25%，表明2#試樣熔覆層腐蝕程度明顯低于1#試樣熔覆層的。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，隨著Cr含量增加，熔覆層極易形成富 Cr 氧化物的鈍化膜，這種鈍化膜增強(qiáng)了熔覆層的耐蝕性，而且隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，鈍化膜的不斷增加補(bǔ)償了鈍化膜的溶解，阻止酸性溶液所帶來的腐蝕，提高了其總體耐蝕性。

為了比較熔覆層對(duì)基體保護(hù)性能，依據(jù)GB/T 6464—2002金屬基體上金屬和其它無機(jī)覆蓋層經(jīng)腐蝕后的試樣和試樣評(píng)級(jí)，對(duì)兩種熔覆層經(jīng)212 h后中性鹽霧試驗(yàn)基體腐蝕情況進(jìn)行評(píng)級(jí)，發(fā)現(xiàn)基體經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間鹽霧腐蝕，未出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，表明兩種鐵基熔覆層的耐腐蝕性能均達(dá)到8～9級(jí)，理論上能滿足井下生產(chǎn)需求。

圖5 熔覆層鹽霧腐蝕表面形貌隨時(shí)間演變Fig.5 Surface salt spray corrosion morphologies of cladding layers at different time

圖6 覆層鹽霧腐蝕面積隨時(shí)間變化情況Fig.6 Salt spray corrosion area of cladding layers at different time

3 結(jié)論

1)采用激光熔覆工藝可制備出無裂紋、無氣孔、與基材結(jié)合良好、Cr元素含量不同的兩種鐵基熔覆層。Cr元素含量為15%的鐵基熔覆層的主要組織為鐵素體，含一定量馬氏體、奧氏體、Fe0.64Ni0.36及FeNiCrC化合物，熔覆層平均硬度為HRC51.5；Cr元素含量為18%的鐵基熔覆層主要組織為鐵素體、奧氏體、Fe0.64Ni0.36及FeNiCrC化合物，熔覆層平均硬度為25.1。

2)鐵基粉末中Cr元素的含量不僅影響熔覆層的硬度，也影響熔覆層的耐蝕性能，隨著Cr元素含量的增加，熔覆層硬度降低，但耐蝕性能顯著提高。

3)兩種合金粉末均能滿足液壓支柱性能使用要求，但從降低成本的角度考慮，Cr元素含量為18%的合金粉末更適宜推廣使用。