趙 彬，盧金斌，周留洋，彭竹琴，侯應(yīng)黎

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

灰口鑄鐵等離子熱噴焊WC／Ni基涂層組織和性能研究

趙 彬1，盧金斌1，周留洋1，彭竹琴1，侯應(yīng)黎2

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

在HT250表面采用等離子噴焊工藝制備了碳化鎢／鎳基合金復(fù)合涂層，并對(duì)涂層的宏觀形貌、微觀組織和顯微硬度進(jìn)行了分析．結(jié)果表明：復(fù)合涂層與基體形成冶金結(jié)合，其中WC均勻地分布在涂層的中底部，而在WC附近形成了強(qiáng)化相Fe3W3C，涂層的耐磨性得到了改善；界面處的HT250在快速冷卻過程中，發(fā)生淬火反應(yīng)，部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；涂層的顯微硬度在570～870 HV0．2之間，明顯高于基體硬度．

等離子噴焊；HT250；顯微硬度；組織；WC

鑄鐵材料具有良好的鑄造性能，其壓力成型、切削等加工性能較好，但其耐磨性、耐蝕性等并不能完全滿足使用要求．盡管鑄鐵表面處理技術(shù)很多，但都或多或少地存在著一定的局限性，尤其是沒能較好地解決工程適應(yīng)性，即在保證結(jié)合性能前提下的工藝性和經(jīng)濟(jì)性問題［1］．因此，對(duì)鑄鐵表面進(jìn)行改性處理，從而提高其表面硬度，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)之一．

等離子弧熱噴焊技術(shù)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一種進(jìn)行表面防護(hù)和強(qiáng)化的熱噴焊技術(shù)，它利用等離子弧在普通材料表面噴焊高性能合金涂層，具有可噴焊各種合金粉末材料、合金材料消耗少、成本低、生產(chǎn)效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，因而在機(jī)械、冶金、電力等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益［2－3］．鎳基合金粉末價(jià)格適中，熔點(diǎn)低，自熔成渣性及噴焊工藝性好，其合金涂層具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和耐熱性．而WC顆粒熔點(diǎn)高、硬度高、耐磨性好、性能穩(wěn)定，并且與鋼鐵潤濕性好，二者之間的潤濕角幾乎為零，加上我國是鎢的富產(chǎn)國，所以選擇WC作為耐磨相［4］．本文采用等離子噴焊技術(shù)在HT250表面制備鎳基合金碳化鎢復(fù)合涂層，使其具有高硬度以及高耐磨性，從而使鑄鐵零件減少損壞．

1 試 驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)噴焊基體選用HT250，用線切割機(jī)將其切割成20 mm×20 mm×100 mm的長方體試樣，其化學(xué)成分見表1．

表1 HT250的化學(xué)成分 wt%

涂層材料采用Ni60基＋35%WC粉末進(jìn)行等離子噴焊試驗(yàn)．該Ni60是Ni－Cr－B－Si系自熔性合金粉末，具有優(yōu)良的耐腐蝕性、抗氧化性、耐熱性、耐磨損性及抗沖擊韌性．因此，把Ni60基＋35%WC粉末噴焊在金屬零件的表面，可以增強(qiáng)零件的耐磨性，提高其使用壽命．其中，Ni基合金的化學(xué)成分見表2．

表2 Ni60鎳基合金粉末的化學(xué)成分 wt%

由表2可見，Ni基合金中含有一定量的B和Si元素，這2種元素會(huì)與鎳及其他元素形成共晶組織，從而大大降低合金的熔點(diǎn)，提高其流動(dòng)性和對(duì)噴焊表面的潤濕鋪展能力．

1．2 等離子弧熱噴焊工藝

采用武漢材料保護(hù)研究所研制的PTA－400E粉末等離子噴焊機(jī)進(jìn)行噴焊．噴焊前對(duì)HT250基體表面進(jìn)行除油、除銹處理．噴焊電流為125 A，噴焊速度為60 mm／min，送粉量為12 V，擺幅為14 mm，噴嘴離試樣的高度為8～10 mm．

1．3 涂層分析測(cè)試方法

垂直于HT250涂層截取噴焊層截面，制成金相試樣，在JSM－5610LV掃描電鏡上觀察其組織，涂層顯微硬度測(cè)試采用HXD－1000TC型顯微硬度計(jì)，載荷200 g．

2 結(jié)果與討論

2．1 涂層的組織分析

通過優(yōu)化等離子噴焊工藝參數(shù)，在HT250基材上獲得了表面光滑且連續(xù)性好、無宏觀氣孔和裂紋的復(fù)合涂層組織．

涂層橫截面的掃描電鏡形貌如圖1、圖2所示．

圖1是涂層與基體的組織，涂層厚度達(dá)到3～4 mm．從圖1可以看出，涂層與基體之間結(jié)合緊密，形成良好的冶金結(jié)合，WC主要分布在涂層的中底部，且分布均勻．這主要是因?yàn)?WC顆粒密度較大，在噴焊過程中有部分顆粒沉底．圖2是涂層中底部組織．從圖2可以看出，涂層中高亮區(qū)域是光滑的WC顆粒，其直徑大約為50～120μm，表面有明顯的溶解痕跡，說明WC顆粒與基體潤濕良好，并且相互發(fā)生了擴(kuò)散；部分WC顆粒溶解固溶于涂層，可以對(duì)涂層產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，有利于提高涂層的基體性能．

圖3所示是HT250與涂層的界面組織．從圖3可以看出，HT250中有片狀石墨．

圖3 HT250與涂層的界面組織

圖2、圖3顯示組織中有部分Fe3W3C樹枝晶，這是由于等離子噴焊時(shí)基體表面部分熔化，基體中熔化的Fe與分解的W和C形成了Fe3W3C樹枝晶，該類碳化物在冷卻過程中呈小晶面生長．顆粒狀WC和樹枝晶Fe3W3C等相為強(qiáng)化相組織，使涂層耐磨性得到了改善．

圖4所示是HT250等離子涂層中的馬氏體組織．在等離子噴焊基體表面的過程中，由于噴焊速度很快，整個(gè)基體還來不及升溫，涂層和基體表面就已經(jīng)開始快速冷卻，于是隨著基體表面的快速凝固，形成了馬氏體．馬氏體的形成過程為：在基體冷卻過程中，首先析出奧氏體樹枝晶，它在從高溫快速冷卻到室溫時(shí)，發(fā)生淬火反應(yīng)，大部分轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體．

圖4 HT250等離子涂層中的馬氏體組織

2．2 涂層的顯微硬度分析

圖5所示為涂層的顯微硬度分布圖．由圖5可知，涂層表層硬度基本均勻，涂層中部到熱影響區(qū)之間硬度較大．這主要是因?yàn)椴糠?WC以顆粒狀的形態(tài)存在，在WC較多的區(qū)域，硬度形成高峰，硬度曲線出現(xiàn)跳動(dòng)，因此波動(dòng)較大；在熱影響區(qū)，硬度隨著距離的增加而降低，到基體處硬度最低．涂層的顯微硬度在570～870 HV0．2之間波動(dòng)，明顯高于基體硬度，可見，噴焊后，材料的表面硬度得到很大提高．這與涂層中有固溶強(qiáng)化、增強(qiáng)相強(qiáng)化以及相變有關(guān)．

圖5 涂層的顯微硬度分析圖

3 結(jié) 語

（1）HT250表面經(jīng)等離子噴焊添加WC的鎳基合金，涂層與基體之間結(jié)合緊密，形成良好的冶金結(jié)合，WC、Fe3W3C等均勻分布在涂層的中底部，在界面處有部分馬氏體形成．

（2）涂層的顯微硬度在570～870 HV0．2之間，明顯高于基體硬度．

［1］ 陳淑惠，雷阿利，馮拉俊．鑄鐵噴焊組織及力學(xué)性能研究［J］．鑄造技術(shù)，2006，27（9）：902－904．

［2］ 許雪，趙程．等離子弧熱噴焊技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀［J］．冶金叢刊，2006（3）：44－46．

［3］ 斯松華，袁曉敏，何宜柱．等離子弧噴焊鎳基合金層組織及耐磨性試驗(yàn)研究［J］．焊接技術(shù)，2002，31（3）：13－14．

［4］ 詹長書．熱噴焊技術(shù)工藝設(shè)計(jì)及其應(yīng)用［J］．森林工程，2003，19（3）：39－40．

Sdudy on Composite Coatings Prepared by Plasma Spray Welding on Grey Cast Iron

ZHAO Bin1，LU Jin－bin1，ZHOU Liu－yang1，PENG Zhu－qin1，HOU Ying－li2
（1．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2．Luoyang Langli Hard Surfacing Company Limited，Luoyang 471000，China）

The WC／Ni－based composite coatings are sprayed on the surface of HT250 by plasma spray welding．The analysis on macrostructure and microstructure of the coatings are carried out．The results show that metallurgical bonding forms between the coatings and the substrate，and WC mainly well－distributed in the middle and bottom of the coatings，and has formed strengthening phase Fe3W3C，so the wear resistance of composite coatings is improved；When the surface of HT250 cooled，and appeared quenching reaction from high temperature to room temperature rapidly，finally the majority turned to martensite；The microhardness of composite coatings is about 570～870 HV0．2，and is higher than the substrate obviously．

plasma spray welding；HT250；microhardness；microstructure；WC

TG142

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．03．008

1671－6906（2012）03－0039－03

2012－03－29

河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計(jì)劃項(xiàng)目（072300440020）

趙 彬（1988－），女，河南南陽人，碩士生．