鑄鐵等離子噴焊Stellite6鈷基合金涂層的組織與性能

彭竹琴，盧金斌，王會誼，孫克楠，寧亞軍

（1.中原工學(xué)院，鄭州450007；2.洛陽朗力硬面材料有限公司，洛陽471000）

以等離子弧為熱源，在普通材料表面噴焊高性能合金層，此材料表面強(qiáng)化技術(shù)具有合金材料消耗少、可噴焊各種合金粉末材料、成本低、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動化等優(yōu)點(diǎn)，因而在石油、化工、水電、礦山、機(jī)械、冶金等諸多領(lǐng)域應(yīng)用也越來越廣泛，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［1－5］.鈷基合金具有較高的強(qiáng)度、良好的抗熱疲勞、抗熱腐蝕和耐磨蝕性能，且有較好的焊接性.為提高軋機(jī)灰口鑄鐵導(dǎo)衛(wèi)板表面的硬度、耐磨性及耐熱性，延長導(dǎo)衛(wèi)板的使用壽命，本文采用等離子噴焊技術(shù)在成本低廉的HT250灰鑄鐵基體表面噴焊Stellite6鈷基合金粉末制備涂層，并分析涂層的顯微組織、硬度和耐磨性能，為其實(shí)際應(yīng)用提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo).

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗基材為150mm×30mm×25mm的HT250灰鑄鐵；以Stellite6（－140～＋320目）鈷基合金粉末作為噴焊材料，其化學(xué)成分如表1所示.

表1 Stellite 6合金粉末的化學(xué)成分 wt%

噴焊前將Stellite6鈷基合金粉末在120℃下烘干2h，試樣表面除油、除銹.采用PTA－400E1－ST通用型粉末等離子噴焊機(jī)進(jìn)行噴焊處理.為獲得最佳噴焊工藝，經(jīng)過系列工藝試驗，選擇工藝參數(shù)為：離子氣流量1 8 0L／h，送粉器流量7 4 0L／h，保護(hù)氣流量300L／h，送粉電壓12V，工作電流135A，行走速度45mm／min，焊槍擺幅 14mm，擺頻 36Hz，噴距12mm.涂層成形良好，表面光滑、連續(xù)，涂層致密，無宏觀氣孔、裂紋等缺陷.涂層厚度約3.5mm，寬度約15mm.

1.2 試驗方法

采用 MM－6型金相顯微鏡（OP）和附帶OXFORD能譜儀的JSM－5610LV掃描電鏡（SEM）觀察分析涂層的組織，利用X’pert MPD Pro X射線衍射儀（XRD）分析涂層的物相組成.利用MH－6型顯微硬度計測試涂層剖面的顯微硬度，載荷4.9N.在MM200磨損試驗機(jī)上對涂層和基體試樣進(jìn)行環(huán)－塊磨損試驗，試樣尺寸為15mm×10mm×10mm；對磨試樣為W18Cr4V，硬度為60～62HRC.試驗條件為：主軸轉(zhuǎn)速200r／min，載荷196N，干摩擦2h.耐磨性比較采用失重測量法，測重之前，用丙酮、甲醇清洗，在100℃下保溫2h烘干，然后在FA2104型萬分之一電子天平上進(jìn)行失重測量.

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 涂層組織分析

涂層組織如圖1所示，其中圖1（a）、（b）分別為涂層上部和涂層與基體結(jié)合處的金相組織.從中可以看出，涂層組織均勻細(xì)小，主要呈枝晶生長特征，為與沿散熱相反方向生長的典型的柱狀樹枝晶.從圖1（a）還可以看出，接近表層的樹枝晶變更為細(xì)小，方向也變得雜亂，說明在涂層表層，柱狀樹枝晶已轉(zhuǎn)變成等軸樹枝晶，在該區(qū)域，組織更均勻致密.如圖1（b）所示，由于基體表面一薄層熔化，當(dāng)熔池因熱量沿基體向外散熱而發(fā)生凝固時，界面上形成生長方向與界面近似垂直的共晶萊氏體組織［6］.

圖1 涂層金相組織

圖2所示為涂層的X射線衍射圖.從圖2可知，涂層中的物相主要由γ—Co和（Cr，F(xiàn)e）7C3相組成；結(jié)合圖1可以判斷，其中白色樹枝晶為γ—Co，黑色組織為γ—Co與（Cr，F(xiàn)e）7C3形成的共晶組織.

圖2 涂層X射線衍射圖譜

圖3所示為涂層放大后的SEM組織.從圖3可知，其中黑色相為γ—Co，白色相為（Cr，F(xiàn)e）7C3.由于固溶體的電位低于碳化物的電位，γ—Co已被腐蝕凹下去，而碳化物凸出來.

圖3 涂層的SEM組織

由圖1可知，涂層快速凝固時為亞共晶組織，呈枝晶生長特征.在熔池快速凝固過程中，先析出初生枝狀晶γ—Co固溶體；在繼續(xù)冷卻過程中，在已形成的一次晶軸之間，由于存在溫度梯度和濃度起伏，出現(xiàn)了二次晶軸.當(dāng)熔池溫度冷卻到共晶溫度時，在枝晶間剩余的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成細(xì)小的由γ—Co與（Cr，F(xiàn)e）7C3組成的共晶體，共晶組織中的共晶化合物（Cr，F(xiàn)e）7C3主要呈平行短棒狀，且聯(lián)合成網(wǎng)狀分布［7－8］.

2.2 涂層的顯微硬度分析

圖4所示為涂層橫截面的顯微硬度分布曲線.從圖4可知，涂層硬度分布均勻，基本分布在590～680HV0.5之間，涂層與界面的結(jié)合區(qū)——基體側(cè)形成萊氏體組織，基體的顯微硬度為200～220HV0.5.由此可知，涂層的顯微硬度明顯高于基體硬度，表明HT250噴焊Stellite6鈷基合金粉末后，硬度得到明顯提高.

圖4 涂層橫截面的顯微硬度分布曲線

2.3 涂層的耐磨性能分析

對涂層試樣和基體試樣進(jìn)行室溫干滑動磨損對比測試，基體試樣的失重量約為涂層的5.5倍，表明涂層的耐滑動磨損性能得到了明顯提高.涂層的耐磨性能與材料的顯微組織形態(tài)、結(jié)構(gòu)、晶粒大小、硬度、表面狀態(tài)等多種因素有關(guān)［9］.分析認(rèn)為，涂層中分布有高硬度的硬質(zhì)相（Cr，F(xiàn)e）7C3，同時具有良好塑韌性的γ—Co基體在磨損過程中可對耐磨增強(qiáng)相（Cr，F(xiàn)e）7C3起到有力的支撐和連接作用，充分發(fā)揮耐磨增強(qiáng)相的抗磨骨架作用，而且γ—Co固溶體還可以作為磨粒的“收容所”；涂層快速加熱及快速凝固產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用，賦予涂層優(yōu)良的強(qiáng)韌性結(jié)合，特別是在受到外力時，表層細(xì)小的等軸晶可以提高變形抗力，阻斷裂紋發(fā)展，使涂層在磨損過程中不致于產(chǎn)生開裂和顯微剝落現(xiàn)象，尤其是能防止其產(chǎn)生整體脫落；界面基體側(cè)的萊氏體硬化層能對涂層起到強(qiáng)有力的支撐作用.上述因素是使涂層硬度和耐磨性能顯著提高的主要原因［10－11］.

3 結(jié) 語

（1）選擇合適的工藝參數(shù)，在HT250灰鑄鐵基體上噴焊Stellite6鈷基合金粉末，可以獲得與基體呈良好冶金結(jié)合的涂層，涂層表面光滑、連續(xù)，無宏觀氣孔和裂紋.

（2）涂層組織均勻細(xì)小，呈枝晶生長特征，主要由γ—Co和（Cr，F(xiàn)e）7C3相組成；在涂層與基體界面結(jié)合區(qū)形成了細(xì)小的共晶萊氏體組織.

（3）涂層截面硬度均勻，可達(dá)590～680HV0.5，明顯高于基體硬度200～220HV0.5；基體試樣的失重量約為涂層的5.5倍.涂層中大量高硬度的（Cr，F(xiàn)e）7C3相的抗磨骨架作用以及涂層快速加熱及快速凝固產(chǎn)生的細(xì)晶強(qiáng)化作用，使涂層具有較高的硬度及良好的耐滑動磨損性能.

［1］Hou Q Y，Gao J S，Zhou F.Microstructure and Wear Characteristics of Cobalt－based Alloy Deposited by Plasma Transferred Arc Weld Surfacing［J］.Surface and Coatings Technology，2005，194：238－243.

［2］商延賡，王文權(quán)，黃詩銘，等.等離子噴焊層 NiCrBSi＋WC／Co的組織與性能［J］.吉林大學(xué)學(xué)報，2011，41（s2）：198－201.

［3］揭曉華，寧志堅，羅天友，等.氣門錐面等離子噴焊司太立鈷基合金的組織與性能研究［J］.材料保護(hù)，2007，40（12）：12－14.

［4］龍軍峰，孫智富，葉靖，等.等離子噴焊鎳基合金碳化物復(fù)合涂層［J］.重慶工學(xué)院學(xué)報，2009，23（10）：46－49.

［5］王德權(quán)，胡毅鈞，李杰.閥門用鈷基合金及堆焊工藝［J］.閥門，2004（2）：12－17.

［6］彭竹琴，盧金斌，吳玉萍，等.鑄鐵表面等離子熔覆Fe－Cr－Si－B涂層的組織特征［J］.材料熱處理學(xué)報，2008，29（1）：124－127.

［7］宋強(qiáng)，仇性啟，秦書清.等離子噴焊耐磨涂層制備及性能分析［J］.南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2009，31（5）：102－105.

［8］侯清宇，高甲生.鈷基合金等離子噴焊組織結(jié)構(gòu)和性能研究［J］.機(jī)械工程材料，2004，28（5）：4－7.

［9］張春華，張松，李春彥，等.熱作模具鋼表面激光熔覆Stellite6X－40鈷基合金［J］.焊接學(xué)報，2005，26（1）：7－20.

［10］彭竹琴，商全義，盧金斌，等.鑄鐵等離子熔覆鐵基合金耐磨涂層［J］.焊接學(xué)報，2008，29（4）：61－64.

［11］Navas C，CadenasM，C uetos J M，et al.Microstructure and Sliding Wear Behaviour of Tribaloy T－800Coatings Deposited by Laser Cladding［J］.Wear，2006，260：838－846.