等離子熔覆金屬基/陶瓷復(fù)合涂層性能分析

龐德禹, 張尚毅, 周曉宏

(1. 揚(yáng)州誠德鋼管有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225200;2. 安徽省春谷3D打印智能裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司，安徽 蕪湖 241000)

無縫管生產(chǎn)過程中由于多數(shù)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，生產(chǎn)線上的工/模具，如頂頭、U形軸、輸送軸等，長期處于高溫摩擦下，導(dǎo)致這些工/模具表面磨損嚴(yán)重，使管件的表面質(zhì)量受到影響.表面強(qiáng)化是提高這些工/模具表面耐高溫磨損的有效方法.通過合理設(shè)計(jì)易損件結(jié)構(gòu)以降低磨耗、提高使用壽命是有限度的，而新型整體抗磨材料的開發(fā)往往受到金屬價(jià)格的限制[1-2].在實(shí)際生產(chǎn)中，磨損失效通常發(fā)生在部件表層，利用表面強(qiáng)化技術(shù)處理零部件表面，所獲得的表面層厚度在幾微米到幾毫米之間，降低了涂層制備的成本；同時(shí)可以顯著降低磨耗[3]，有效提高硬度[4]和抗氧化性能[5-6]，從而提高部件壽命[7]，在耐磨涂層制備過程中具有獨(dú)特優(yōu)勢而備受青睞.

表面處理技術(shù)中激光熔覆、等離子熔覆等方法應(yīng)用廣泛，是合金粉末在激光或等離子束作用下在基體表面熔化并自行冷卻，以實(shí)現(xiàn)材料表面改性的技術(shù)，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用.表面強(qiáng)化材料以金屬基復(fù)合陶瓷粉末用于耐高溫磨損層比較常見，其中常用的陶瓷分別為鎢、硅化合物，主要有W5Si3、WSi2和WC等，具有高熔點(diǎn)、低溫塑性變形強(qiáng)、高溫強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于提升材料表面強(qiáng)度.但是，其室溫脆性限制了其進(jìn)一步的開發(fā)利用.

本文為了解決無縫鋼管生產(chǎn)線上U形軸的表面高溫磨損嚴(yán)重問題，采用等離子在U形軸的基體材料Cr13鋼表面熔覆金屬/Cr3C2復(fù)合粉末，研究陶瓷粉末含量對(duì)表面強(qiáng)化層的影響，分析涂層的組織及硬度等.

1 試驗(yàn)方法

等離子熔覆試驗(yàn)中，采用450 A型等離子熔覆機(jī).等離子熔覆工藝為：1) 電流180 A，等離子氣流量1.5 L/min，保護(hù)氣流量15 L/min，保護(hù)氣和等離子氣都采用氬氣；2) 噴嘴離工件距離5～8 mm；3) 熔覆層數(shù)2層，單層厚度3.5 mm.

基體采用的U形軸材質(zhì)為Cr13鋼，基體尺寸為50 mm×50 mm×10 mm，熔覆前表面打磨干凈.

試驗(yàn)材料為：1) 1號(hào)試樣.鐵基粉末+15%碳化鉻+1.5%鉬粉.2) 2號(hào)試樣.鐵基粉末+20%碳化鉻+1.5%鉬粉.3) 3號(hào)試樣.鐵基粉末+25%碳化鉻+1.5%鉬粉.

采用電子掃描電鏡(SEM)和光學(xué)顯微鏡觀察分析涂層的組織，采用硬度計(jì)測試涂層的硬度.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 陶瓷粉末對(duì)等離子熔覆層組織的影響

鐵基中加入碳化鉻粉末，采用碳化鉻微粒改變了原來鐵基合金的組織和成分，達(dá)到增強(qiáng)熔覆層性能的目的.圖1為3組樣品的金相顯微組織，在3組樣品的組織中都能清楚地觀察到白色柱狀的碳化物存在.

隨著碳化鉻加入量的增加，熔覆層的顯微組織發(fā)生了顯著的變化，由圖1可以看出：在圖1(a)的熔覆層組織中沒有觀察到典型的碳化鉻顆粒的物相，說明碳化鉻添加量較少時(shí)，會(huì)在反應(yīng)過程中基本溶解，這樣就會(huì)使熔覆層中C元素的含量增加；與圖1(a)相比較，圖1(c)中塊狀碳化物的數(shù)量明顯增加，這是因?yàn)樘蓟t添加量的增加，使初始合金粉末的組成發(fā)生了改變，提高了碳的相對(duì)含量，金屬相中已經(jīng)固溶的鉻元素與碳再次結(jié)合形成碳化物.

圖1 3組試樣的金相顯微組織

對(duì)圖1(b)～(c)的塊狀組織進(jìn)行SEM觀察及EDS能譜分析，其結(jié)果如圖2～3所示.由圖2～3可知：熔覆層組織中的不規(guī)則邊界的塊狀顆粒，將這塊區(qū)域進(jìn)行面掃描后發(fā)現(xiàn)此塊狀顆粒主要元素為Cr，可以確定這些不規(guī)則塊狀顆粒是在熔覆過程中未熔化的碳化鉻；隨著Cr3C2含量的增加，富鉻不規(guī)則顆粒的尺寸變大，在組織中顯得更明顯.此現(xiàn)象應(yīng)該是由于碳化鉻顆粒的量增加，在熔覆過程中未完成溶解導(dǎo)致.碳化鉻顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合熔覆層的組織包括γ-Fe基體、晶間碳化物及原始未溶解的碳化鉻顆粒，阻礙碳化鉻的分散，從而導(dǎo)致不規(guī)則塊狀組織增多.

圖2 試樣2掃描電鏡圖及能譜

圖3 試樣3掃描電鏡圖及能譜

2.2 陶瓷粉末對(duì)等離子熔覆層結(jié)合界面的影響

熔覆層截面如圖4所示，試樣的截面由表面熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基體組成，熔覆層與基體之間沒有裂紋和氣孔等缺陷，在結(jié)合區(qū)處出現(xiàn)鉤鏈和鉚接效應(yīng).由圖4可以看出：3個(gè)試樣在熔覆層與基體的結(jié)合處均有明顯的分界面，結(jié)合處存在1條寬度約為15μm的不規(guī)則平面狀條帶(虛線區(qū)域)，表明熔覆層和基體的結(jié)合度很高，實(shí)現(xiàn)了冶金結(jié)合.

圖4 結(jié)合區(qū)顯微組織

2.3 陶瓷粉末對(duì)等離子熔覆層硬度的影響

圖5為熔覆層的硬度曲線，可以看出：碳化鉻的添加量為15%時(shí)，熔覆層的硬度為56 HRC；隨著碳化鉻顆粒加入量的增多，熔覆層中增強(qiáng)體的含量增大，使熔覆層的硬度提高；碳化鉻含量達(dá)到20%時(shí)，熔覆層的硬度達(dá)到60 HRC；碳化鉻含量上升至25%時(shí)，熔覆層的硬度達(dá)到63 HRC.因此隨著碳化鉻含量的增加，熔覆層的硬度也提高.

圖5 Cr3C2添加量對(duì)于熔覆層硬度的影響

碳化鉻在等離子熔覆過程中，因?yàn)樘蓟t部分分解并與基體金屬的互相反應(yīng)，會(huì)形成金屬化合物，隨著碳化鉻含量的逐漸增加，碳化鉻趨向于集中，在涂層表面形成塊狀富集區(qū)，導(dǎo)致熔覆層的硬度增加；另一方面，碳化鉻也具有較高的硬度，隨著其含量增加，其在熔覆層的分布越多熔覆層的硬度也會(huì)增加.

3 結(jié)論

1) 采用的等離子熔覆制備鐵基/碳化鉻陶瓷復(fù)合層，其等離子熔覆層與基體之間具有良好的結(jié)合界面.

2) 隨著碳化鉻顆粒加入量的增多，組織中塊狀不規(guī)則組織增多，該塊狀組織為富鉻組織，說明碳化鉻的增加導(dǎo)致碳化鉻聚集.

3) 硬度會(huì)隨著碳化鉻添加量的增大而提高，碳化鉻的含量達(dá)到15%時(shí)，熔覆層的硬度達(dá)到了56 HRC；當(dāng)碳化鉻顆粒含量增加到25%，熔覆層的硬度提高到63 HRC.