合金元素對Q345 鋼表面Cu 基熔覆層組織及性能的影響*

張廣成， 鄔正堃， 雷龍宇， 李繼紅

（1. 西安航天動力機械有限公司， 西安 710025； 2. 中國航天科工集團第六研究院210 所，西安 710065； 3. 西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710048）

0 前 言

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 對大型機械的服役強度、 運轉(zhuǎn)速度和適應(yīng)服役環(huán)境的能力等都有了較高的要求[1-2]。 Q345 鋼是目前較為常用的一種低碳結(jié)構(gòu)鋼， 具有較高的強度、 塑性和優(yōu)良的焊接性能， 廣泛應(yīng)用于各個工業(yè)領(lǐng)域。 但Q345鋼的耐磨性較差， 在服役過程中表面極易產(chǎn)生磨損， 從而降低構(gòu)件的服役壽命。 因此， 為了優(yōu)化Q345 鋼構(gòu)件的服役性能， 對其進行表面改性已成為研究熱點。 銅合金具有良好的導(dǎo)熱性和耐磨性， 利用銅合金對鋼進行表面改性制得的銅/鋼復(fù)合材料兼?zhèn)鋬煞N材料的優(yōu)勢， 既能滿足強度的要求， 同時也能大大降低構(gòu)件因燒傷、 磨損等引起的失效， 從而提高材料的經(jīng)濟效益[3-5]。

目前， 常見的表面改性方法主要有電鍍、 噴涂、 激光熔覆和電弧熔覆等。 其中激光熔覆是利用高能量密度的激光束作為熱源熔化金屬粉末，從而在基材表面形成熔覆層的一種表面改性方法。與電鍍和噴涂相比， 激光熔覆方法具有熱量集中、熱影響區(qū)小、 基材變形小、 界面結(jié)合強度高等優(yōu)點， 受到國內(nèi)外學(xué)者的重點關(guān)注和研究[6-8]。 繆喆宇等[9]利用激光熔覆技術(shù)在Q235 鋼上制備了銅基耐磨耐蝕層， 發(fā)現(xiàn)在最佳激光熔覆工藝參數(shù)（功率1 000 W、 掃描速率1 000 mm/min） 下， 熔覆層表面組織以銅基體和Fe8CuS 相為主。 孔耀等[10]在Q235 鋼表面制備了銅基合金激光熔覆層， 研究發(fā)現(xiàn)， 熔覆層與基體之間達到了較好的冶金結(jié)合，熔覆層主要由富銅Cu （Ni，F(xiàn)e）固溶體和富鐵Ni（Cr，Mo，F(xiàn)e）固溶體組成。

但激光熔覆存在生產(chǎn)效率低、 設(shè)備昂貴等缺點， 且銅對激光的反射率較高， 熔覆層容易產(chǎn)生各種缺陷。 與激光熔覆方法相比， 電弧熔覆具有生產(chǎn)效率高、 操作簡單、 成本低廉等特點， 受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注。 Wan 等[11]利用TIG 沉積方法在碳鋼上制備了Cu-Fe 復(fù)合熔覆層， 結(jié)果表明， 熔覆層中富鐵相主要存在球狀、 樹枝狀和帶狀三種分布形態(tài)， 同時所有試樣在剪切試驗中均斷裂在熔覆層內(nèi)， 表明銅/鋼界面的冶金結(jié)合情況較好。 Li 等[12]利用TIG 熔覆方法制備了銅基復(fù)合材料層， 研究了Ti 含量對熔覆層組織及耐磨性能的影響， 發(fā)現(xiàn)隨著Ti 含量的增加， 熔覆層中原位生成的TiNTi2Cu 和TiN 增強相數(shù)量增加， 熔覆層硬度也隨之增加， 最高達到410HV，結(jié)果表明， TiNTi2Cu 和TiN 增強相能夠大大改善銅基熔覆層的耐磨性。 但上述研究均以合金粉末為制備原料， 制備工藝較為復(fù)雜， 且存在材料浪費嚴重、 生產(chǎn)效率不高等問題。

針對以上銅/鋼復(fù)合材料制備過程中存在的問題， 本研究以熔覆效率高、 成分調(diào)整便捷的金屬粉芯焊絲作為制備原料， 并采用鎢極氬弧焊（gas tungsten arc welding, GTAW） 實現(xiàn)銅/鋼復(fù)合材料的制備。 另外， 采用微觀組織觀察與力學(xué)性能檢測相結(jié)合的方式對復(fù)合材料的性能進行表征， 建立成分-組織-性能之間的依存關(guān)系， 為優(yōu)化銅/鋼復(fù)合材料的制備工藝及原料提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

試驗選用規(guī)格為200 mm×100 mm×10 mm 的Q345 鋼板為基材， 在前期研究[13]基礎(chǔ)上設(shè)計了兩種不同成分的金屬粉芯焊絲作為表面改性的熔覆材料， 焊絲的外皮均為7 mm×0.3 mm 的純銅帶， 通過拉拔制成直徑1.5 mm 的金屬粉芯焊絲，其填充率為24%～28%。 兩種金屬粉芯焊絲及Q345 基材的成分見表1， 其中， Ni 元素可以與Cu、 Fe 在熔融狀態(tài)下無限互溶， 且不易形成金屬間化合物， 是銅/鋼過渡材料的首選元素； Cr元素不僅能對熔覆金屬起到固溶強化的作用， 也能與少量的C 元素形成碳化物增強相， 有利于提高銅基熔覆層的耐磨性。 銅/鋼復(fù)合材料制備如圖1 所示， 采用Panasonic 焊機進行表面熔覆，焊接電流選擇150～160 A， 保護氣體為純度99.99%的氬氣， 氣體流量為15～18 L/min。

圖1 銅/鋼復(fù)合材料制備示意圖

表1 試驗材料的化學(xué)成分

為了建立復(fù)合材料及熔覆層成分、 組織與性能之間的依存關(guān)系， 研究中結(jié)合微觀組織觀察與力學(xué)性能檢測的方法。 采用5 g FeCl3+5 mL HCl+50 mL C2H5OH 的溶液對試樣進行表面侵蝕， 并利用VEGA3 XMU 型掃描電子顯微鏡對熔覆試樣的微觀組織演化以及元素擴散情況進行表征； 另外， 采用HT-1000 摩擦磨損試驗機對熔覆層表面的耐磨性進行評價。 其中， 試驗過程中電機頻率6.25 Hz、 試驗載荷5 N，電機轉(zhuǎn)速350 r/min， 試驗時間40 min， 摩擦半徑5 mm。 采用HVS-1000A 型顯微維氏硬度計對熔覆層硬度進行表征， 試驗加載0.98 N，試驗點間距0.5 mm， 保荷時間15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2 為兩種焊絲制備的銅基熔覆層（以下分別簡稱為1#熔覆層和2#熔覆層） 的微觀組織形貌， 可以發(fā)現(xiàn)二者微觀形貌差別較大， 1#熔覆層主要由銅基體和大小不一的球狀析出相組成， 析出相分布較為均勻（圖2 （a） 與圖2 （b））； 而2#熔覆層中的析出相主要呈棒狀或細小的球狀， 且主要分布于銅基體晶界處（圖2 （c） 與圖2（d））。

圖2 熔覆層的微觀形貌

前期研究中的XRD 分析表明， 在與本研究1#、 2#熔覆層成分類似的Cu-Ni-Cr-Fe-C熔覆層中， 基體為Cu-Fe-Ni-Cr 固溶體[13]。 結(jié)合兩種熔覆層的EDS 點能譜分析結(jié)果 （見表2），可以認為1#熔覆層的基體也為Cu-Fe-Ni-Cr固溶體， 且Fe、 Cr 含量均高于其在Cu 中的室溫溶解度， 這與GTAW 熔覆過程較快的冷卻速率有關(guān)。 在較高的冷卻速度下， 部分Fe、Cr 元素來不及從基體中析出， 從而固溶在Cu晶格中形成了過飽和固溶體， 這有利于產(chǎn)生較高的固溶強化效果。 1#熔覆層中的球狀析出相為富Fe 相 （EDS 點2）， 這與熔池凝固過程中的液相分離現(xiàn)象有關(guān)。 根據(jù)Cu-Fe 二元相圖[14]及相關(guān)凝固理論可以認為， 受較高的冷卻速率及熔池過冷度的影響， Cu-Fe 熔體在冷卻過程中容易進入液相不混溶的間隙區(qū)域， 從而發(fā)生液相分離， 形成互不相溶的兩種液相： L→L1 （Cu） +L2 （Fe）。 液相分離產(chǎn)生的富Fe 相對銅基體具有第二相強化作用， 將有利于提高熔覆層的硬度和耐磨性能。 另一方面， 考慮到本試驗設(shè)計的金屬粉芯焊絲中并沒有加入Fe 元素， 因此， 可以斷定熔覆層中Fe 元素來源于Q345 鋼基材在熔覆過程中的熔化及成分擴散。

表2 熔覆層的EDS 測試結(jié)果

對于2#熔覆層， EDS 點3 的分析結(jié)果表明析出相為富Cr 相。 與Cu-Fe 體系類似， Cu-Cr體系也為難混溶體系， 因此銅基熔覆層中富Cr相的形成也與液相分離現(xiàn)象有關(guān)。 此外， 2#熔覆層的基體也為Cu-Fe-Ni-Cr 過飽和固溶體（EDS點4）， 與1#熔覆層相似。

2.2 界面元素擴散分析

為表征銅基熔覆層與基體之間的界面結(jié)合情況， 分析異質(zhì)界面間的元素擴散特點， 利用SEM和EDS 對1#和2#熔覆層的界面形貌及元素擴散情況進行了分析， 結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 （a）、圖3 （c） 中可以看出， 銅基熔覆層與Q345 鋼基材之間的界面較清晰， 未發(fā)現(xiàn)裂紋、 未熔合等缺陷， 表明界面冶金結(jié)合效果良好。 由兩種熔覆層界面處的EDS 線掃描能譜分析結(jié)果（見圖3 （b）、圖3 （d）） 可知， 從基體到熔覆層， Fe 元素逐漸減少， Cu、 Cr、 Ni 元素逐漸增多， 元素過渡較為平滑， 表明各元素在界面處發(fā)生了互擴散， 并在界面處形成了Cu-Fe 固溶體中間層， 使得銅/鋼異質(zhì)界面達到了充分的冶金結(jié)合， 有利于提高界面結(jié)合強度。 與2#熔覆層相比， 1#熔覆層中由基材擴散過來的Fe 元素較多， 從而會在1#熔覆層中形成較多的富Fe 相， 與圖2 中熔覆層微觀組織的分析結(jié)果一致。 兩組熔覆層中Fe 元素擴散程度的差異與焊絲中Ni 元素含量的不同有關(guān)， Ni 可促進Fe 向Cu 中擴散， 因此Ni 含量較高的1#熔覆層中富Fe 相也較多， 與文獻[15]的結(jié)果一致。

圖3 熔覆層界面形貌及元素擴散情況

2.3 顯微硬度分析

為了探究銅基熔覆層的力學(xué)性能， 對1#熔覆層、 2#熔覆層上表面和Q345 鋼基材進行了硬度測試， 試驗結(jié)果如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 兩種銅基熔覆層的平均顯微硬度均接近Q345 鋼基材， 表明焊絲中加入的C、 Cr、 Ni 元素能夠在一定程度上提高熔覆層的微區(qū)強度。 焊絲中的C、 Cr、 Ni 元素和基材擴散的Fe 元素一方面固溶在Cu 中， 起到固溶強化作用； 另一方面在熔池凝固過程中形成析出相， 對熔覆層起第二相強化作用。 兩種強化機制共同作用提高了銅基熔覆層的硬度。 另外， 兩種銅基熔覆層的硬度存在差異， 這與其微觀結(jié)構(gòu)的不同有關(guān)。 1#熔覆層中的析出相主要為粗大的富Fe 相， 而2#熔覆層中主要為細小的富Cr 相。 2#熔覆層的顯微硬度高于1#熔覆層， 這說明相比粗大的富Fe 相，細小富Cr 相對位錯運動的阻礙能力更強， 對銅基體的強化效果更好。

圖4 熔覆層和基材的硬度試驗結(jié)果

2.4 摩擦磨損性能分析

圖5 為1#熔覆層、 2#熔覆層和Q345 鋼基材的摩擦磨損試驗結(jié)果。 從圖5 中可以看出， 1#熔覆層、 2#熔覆層和基材的平均摩擦系數(shù)分別為0.851、 0.821 和0.56， 其中2#熔覆層的摩擦系數(shù)略低于1#熔覆層， 表明其減磨性優(yōu)于1#熔覆層。 兩種熔覆層和Q345 鋼基材的磨損量差別較大， 1#熔覆層、 2#熔覆層的磨損量分別為8 mg和1.7 mg， 遠低于基材磨損量 （37.3 mg）， 表明雖然兩種熔覆層的硬度與基材差別不大， 但其耐磨性均遠優(yōu)于Q345 基材。 對比1#和2#熔覆層的磨損量可知， 1#熔覆層磨損量約為2#熔覆層的4.7 倍， 表明2#熔覆層的耐磨性遠高于1#熔覆層。 兩種熔覆層的基體均為Cu-Fe-Ni-Cr固溶體， 合金元素過飽和固溶產(chǎn)生的固溶強化作用能夠有效強化基體， 有利于提高熔覆層的耐磨性能。 此外， 第二相對材料的耐磨性能也起著較大作用。 2#熔覆層中的富Cr 析出相一方面由于其尺寸更小， 對熔覆層的強化效果更好；另一方面富Cr 相的硬度高于富Fe 相， 抗磨能力和對Cu 基體的支撐效果更好， 使得2#熔覆層的磨損量遠低于1#熔覆層。

圖5 熔覆層和基材的摩擦磨損試驗結(jié)果

3 結(jié) 論

（1） 為了提高Q345 鋼的表面耐磨性， 設(shè)計了兩種銅基金屬粉芯焊絲， 采用GTAW 沉積方法制備了兩種銅基熔覆層， 并利用SEM、 EDS、硬度和摩擦磨損試驗研究了熔覆層的組織和性能。 結(jié)果顯示， 兩種熔覆層的微觀組織均由Cu-Fe-Ni-Cr 過飽和固溶體和析出相組成， 其中1#熔覆層的析出相主要為粗大的富Fe 相， 2#熔覆層的析出相以細小的富Cr 相為主。 析出相的形成與熔池冷卻過程中的液相分離現(xiàn)象有關(guān)。

（2） 兩種熔覆層與Q345 鋼基材的界面結(jié)合情況良好， Cu、 Cr、 Ni、 Fe 元素在界面處均發(fā)生了一定的擴散， 表明銅/鋼異質(zhì)界面間達到了冶金結(jié)合。

（3） 2#熔覆層的顯微硬度高于1#熔覆層，這與固溶強化和第二相強化作用有關(guān)。 兩種熔覆層的耐磨性均高于Q345 鋼基材， 且2#熔覆層的摩擦系數(shù)略低于1#熔覆層， 磨損量與1#熔覆層相比大大減少， 表明其耐磨性更優(yōu)。