王勤生

（江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗(yàn)研究院無(wú)錫分院，江蘇 無(wú)錫 214174）

為了提高金屬部件表面的理化性能，如抗磨、耐蝕、耐高溫、抗沖擊、抗氧化等，工程上常采用化學(xué)熱處理（滲碳、滲氮等）、噴丸、冷擠壓等方法。化學(xué)熱處理適合批量生產(chǎn)，成本較高；噴丸、冷擠壓等物理方法雖然能提高材料表硬度，但要想達(dá)到很高的硬度（如HRC60 以上），這種方法并不可行。金屬材料的表面改性處理，除了應(yīng)用上述方法外，還常采用熱噴涂、焊條堆焊等方法，熱噴涂方法易使涂層氧化、工件變形大；焊條堆焊方法雖然能使堆焊層獲得較高硬度，但其化學(xué)成分固定，不能獲得多方面的優(yōu)異性能，且不利于開展科學(xué)研究。近年來(lái)，激光熔覆成為金屬材料表面改性的重點(diǎn)和有效手段，其優(yōu)點(diǎn)是熱變形小、熔覆層材料性能穩(wěn)定，缺點(diǎn)是激光器價(jià)格較高、一次性投資大，且激光器零部件易損壞、維修率高，尚處于研究階段，其工業(yè)應(yīng)用受到一定限制。

等離子體是經(jīng)過(guò)機(jī)械、熱、電磁壓縮后所形成的高能離子束，其弧柱熱能集中，弧心最高溫度可達(dá)32000K，能熔化幾乎所有的金屬或陶瓷材料，且設(shè)備簡(jiǎn)單、便于操作、價(jià)格適中，是一種較理想的熔覆處理熱源。微束等離子熔覆處理技術(shù)是以小電流（小于100A）操作，具有金屬結(jié)構(gòu)件變形量小，熱影響區(qū)小，母材與堆焊層之間為冶金結(jié)合、涂層不氧化、金屬稀釋率低等優(yōu)點(diǎn)，適合高摩擦、高沖擊、強(qiáng)腐蝕工況下金屬構(gòu)件的表面處理，是一種發(fā)展前景非常廣闊的金屬表面改性處理新技術(shù)。

本文利用微束等離子熔覆處理技術(shù)，采用Ni 基合金/Co-WC 復(fù)合材料粉末，在母材表面熔覆形成一層冶金結(jié)合的熔覆涂層，通過(guò)冶金層微觀組織檢驗(yàn)和耐磨性試驗(yàn)，對(duì)微束等離子復(fù)合材料熔覆層組織與性能進(jìn)行了全面的分析研究。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

將Q235A 普通低碳鋼板加工成100×70×12 的試板，在其表面采用微束等離子熱源，熔覆Ni60AA、Co-WC 復(fù)合材料粉末，粒度為70～150 目，熔覆層化學(xué)組成如表1 所示。

表1 熔覆層化學(xué)組成

1.2 熔覆工藝

采用上海多木機(jī)電科技有限公司生產(chǎn)的DML-V02 型微束等離子熔覆強(qiáng)化設(shè)備，進(jìn)行試板表面熔覆。工藝參數(shù)：氬氣純度99.99%，送粉量47g/min，等離子體流量0.25L/min，保護(hù)氣流量5.5L/min，離子炬到工件表面距離10mm，電流72A，采用手工焊單道熔覆，熔覆層厚度約2mm。

1.3 分析測(cè)試方法

將熔覆后的試樣沿垂直熔覆方向進(jìn)行線切割，表面及橫斷面經(jīng)打磨、拋光后，加工成金相試樣，用王水對(duì)試樣表面進(jìn)行腐蝕。在光學(xué)顯微鏡下，觀察熔覆層截面金相組織；對(duì)熔覆層物相進(jìn)行X 射線衍射分析；用顯微硬度計(jì)，對(duì)熔覆層及界面附近進(jìn)行硬度測(cè)試。采用“自重式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)”對(duì)熔覆層進(jìn)行干摩擦耐磨試驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熔覆層微觀組織

圖1 熔覆層微觀組織

如圖1 所試示，為熔覆層微觀組織圖。圖(a)中，右側(cè)是Q235A 鋼板基體，左側(cè)為熔覆層，熔覆層與基體之間有過(guò)渡區(qū)，在過(guò)渡區(qū)右邊有與基體表面垂直生長(zhǎng)的平面結(jié)晶帶，與基體金屬為冶金結(jié)合。圖(b)為熔覆層中間部位的顯微組織，組織為典型柱狀樹枝晶。圖(c)為熔覆層表面顯微組織，組織為典型等軸樹枝晶，從圖中可以看出，該區(qū)域組織致密均勻、形態(tài)良好。

上述熔覆層結(jié)晶形態(tài)主要受控于熔池溫度梯度大小和結(jié)晶速度快慢。結(jié)晶開始時(shí)，由于熔池的結(jié)晶速度小，且熔化邊界處溫度梯度大，故而形成平面結(jié)晶；后隨著結(jié)晶的進(jìn)行，液態(tài)金屬溫度逐漸降低，熔池結(jié)晶速度增大，且其周圍又是剛剛凝固的金屬，故而溫度梯度變小，其結(jié)晶形態(tài)由平面向柱狀晶轉(zhuǎn)變；最后隨著溫度梯度的持續(xù)變小，便形成了等軸樹枝晶。

2.2 復(fù)合熔覆層物相結(jié)構(gòu)

圖2 為熔覆層物相結(jié)構(gòu)XRD 圖譜，方形對(duì)應(yīng)3 個(gè)主峰，其物相結(jié)構(gòu)為FeCr0.29Ni0.16C0.06 與Ni17W3 疊加而成，圖中的倒三角對(duì)應(yīng)的晶體結(jié)構(gòu)為Fe2B。

硼化物與金屬間化合物相硬度遠(yuǎn)高于奧氏體相，在磨損過(guò)程中其作用是作為硬質(zhì)顆粒，起到承受載荷和保護(hù)基體的作用。奧氏體相具有較高的韌性、耐沖擊，同時(shí)對(duì)硼化物與金屬間化合物相有穩(wěn)定的包裹和支撐作用，從而可發(fā)揮硼化物與金屬間化合物優(yōu)良的耐磨性能。

圖2 熔覆層物相結(jié)構(gòu)XRD 圖譜

2.3 復(fù)合熔覆層顯微硬度

復(fù)合熔覆層顯微硬度分布規(guī)律如圖3 所示，從表面向基體呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)。表層下硬度達(dá)HV334，顯微組織為等軸樹枝晶，硬度較高；熔覆層中間部位組織為粗大柱狀樹枝晶，硬度降低；在熔覆層與基體的結(jié)合區(qū)，顯微組織為平面晶，同時(shí)受到基體的稀釋作用，碳與金屬原子會(huì)發(fā)生短程遷移，其硬度將大幅度下降，逐漸接近基體的硬度約HV143。

在復(fù)合材料等離子熔覆過(guò)程中，由于等離子束能量集中，可幾乎同時(shí)使熔覆金屬粉末和基材熔化，基體材料將熔入涂層，稀釋涂層，使涂層硬度顯著降低。有研究表明：熔覆層與界面附近的硬度梯度分布，主要受稀釋率的影響。從熔覆的目的來(lái)說(shuō)，希望熔覆層稀釋率較小，以發(fā)揮復(fù)合材料冶金層的優(yōu)異性能，另外，考慮金屬結(jié)構(gòu)實(shí)際使用工況苛刻，希望熔覆層金屬與基體材料之間有較高的結(jié)合強(qiáng)度，使得熔覆層不易剝落，所以熔覆層金屬與基體材料之間必須是通過(guò)冶金結(jié)合，即要有一定的稀釋率。因此，在試樣加工過(guò)程中，既要保證熔覆層與基體間有一定的稀釋率，又要控制稀釋率不能太高，這樣才能發(fā)揮材料復(fù)合冶金層的優(yōu)異性能。

圖3 復(fù)合熔覆層顯微硬度分布規(guī)律

2.4 干摩擦磨損試驗(yàn)

干摩擦磨損試驗(yàn)采用中國(guó)計(jì)量學(xué)院研發(fā)的“自重式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)”，磨具為石英砂（粒度80 目），所加載荷12N，干摩擦試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間15min，對(duì)比試樣有：Ni60AA熔覆層試板、Q235A 試板，Ni60AA/Co-WC 復(fù)合粉末熔覆層試板。試樣數(shù)量：每種材料兩件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示。

表2 干摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)合粉末熔覆層與Q235A 的相對(duì)磨損率為，復(fù)合粉末熔覆層與Ni60AA 的相對(duì)磨損率為，由上述數(shù)據(jù)可見，復(fù)合粉末熔覆層干摩擦試驗(yàn)具有很高的耐磨性。

試驗(yàn)中，復(fù)合粉末熔覆層的磨損結(jié)果顯示主要為磨粒磨損，磨損量主要受控于熔覆金屬表面硬度及硼化物和金屬間化合物在材料中的分布規(guī)律，硼化物和金屬間化合物含量越高，則耐磨性越好，同時(shí)奧氏體相對(duì)硼化物與金屬間化合物的包裹與支撐作用也不容忽視。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）Ni60AA/Co-WC 復(fù)合粉末熔覆層與Q235A 碳鋼基體呈冶金結(jié)合，結(jié)晶形態(tài)從基體材料表面的平面晶向外過(guò)渡到柱狀晶以及近表層的等軸樹枝晶。

（2）Ni60AA/Co-WC 復(fù)合粉末熔覆層物相結(jié)構(gòu)為奧氏體不銹鋼FeCr0.29Ni0.16C0.06 晶粒分布有Fe2B、Ni17W3，增強(qiáng)了復(fù)合層的強(qiáng)韌性和耐磨性。

（3）熔覆層金屬的顯微硬度值從表面往基體呈逐漸降低趨勢(shì)，近表層的硬度可達(dá)HV334。

（4）復(fù)合粉末熔覆層耐磨性大幅提高，分別為Ni60AA的19.4 倍，Q235A 的26.4 倍。