張　寧，張春紅，李菊麗，渠慎良，陳　浩

(1.徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州　221018；

2.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，江蘇 徐州　221006)

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氬弧熔覆原位自生Ti(C、N)-WC增強(qiáng)Ni60A復(fù)合涂層的研究

張寧1，張春紅2，李菊麗1，渠慎良1，陳浩1

(1.徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221018；

2.徐州生物工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，江蘇 徐州221006)

摘要：以Ni60A、TiC、TiN、WC、Co粉為原料，在Q235鋼的表面用氬弧熔覆原位合成技術(shù)制備了Ti(C、N)-WC增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料涂層.研究了涂層的顯微組織、化學(xué)成分、硬度變化和摩擦磨損特性.熔覆層組織主要由富Ni的γ(Ni,Fe)相、Ti(C、N)、WC和(Fe, Cr)xC等組成.涂層的顯微硬度和耐磨性分別是基體Q235鋼的6.5倍和10倍.顯微硬度由表及里呈先上升后下降的階梯狀趨勢(shì)，到熱影響區(qū)時(shí)又明顯降低.基體Q235鋼的磨損機(jī)制為黏著磨損和磨料磨損，而復(fù)合涂層的的磨損形式主要是磨屑充當(dāng)?shù)谌w引起的磨粒磨損.

關(guān)鍵詞：Ti(C、N)-WC；氬弧熔覆；原位自生；耐磨性

Ti(C、N)是由TiC和TiN連續(xù)固熔而形成的單一化合物，屬立方晶系，面心立方點(diǎn)陣, 是一種性能優(yōu)良、用途廣泛的非氧化物陶瓷材料，兼具TiC和TiN的優(yōu)點(diǎn)，具有熔點(diǎn)高、硬度高、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化性以及良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等優(yōu)點(diǎn)[1].WC為黑色六方晶體，不但顯微硬度值高，且與鐵液的潤(rùn)濕性良好，潤(rùn)濕角接近零，另外，WC陶瓷顆粒的化學(xué)穩(wěn)定性較好[2].

氬弧熔覆是一種表面改性的新技術(shù)，首先在工件表面涂覆均勻的合金粉末，然后利用基體和鎢極產(chǎn)生的電弧作為熱源，涂層材料吸熱熔化，從而使基體與熔覆層之間形成冶金結(jié)合.目前國(guó)內(nèi)外對(duì)氬弧熔覆技術(shù)的研究相對(duì)較少，國(guó)外氬弧熔覆的研究多集中于不銹鋼、鈦合金表面制備熔覆層.Buytoz[3]分析了氬弧熔覆過(guò)程中粉末的含量、熱輸入量對(duì)熔覆層顯微硬度、組織的影響，在提高基體的耐磨性上取得了顯著成果.國(guó)內(nèi)對(duì)氬弧熔覆的研究主要是在低碳鋼、鑄鐵的表面進(jìn)行熔覆.

鑒于國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于采用氬弧熔覆技術(shù)原位合成Ti(C、N)-WC增強(qiáng)鎳基表層復(fù)合材料的報(bào)道，本實(shí)驗(yàn)以Ni60A、TiC、TiN、WC、Co粉為原料，在Q235鋼的表面用氬弧熔覆原位合成技術(shù)制備了Ti(C、N)-WC增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料涂層，并對(duì)涂層的顯微組織、化學(xué)成分、硬度變化和摩擦磨損特性進(jìn)行了研究.

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所用的基體材料為Q235鋼板，尺寸為100 mm×50 mm×6 mm.熔覆粉末選用Ni60A粉(60~90 μm)、TiC粉(75~150 μm)、TiN粉(10~25 μm)、WC粉(40~50 μm)和Co粉(60~90 μm).成分配比見表1.

表1　氬弧熔覆材料成分配比　%

1.2試驗(yàn)方法

Q235鋼板預(yù)先用砂紙打磨處理表面的銹跡，再分別用丙酮和無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗.涂覆材料為Ni60A、TiC、TiN、WC、Co粉，采用水玻璃為黏結(jié)劑，并壓制成型，厚度1.2 mm，再涂覆在Q235鋼板上.自然風(fēng)干24 h，使預(yù)置涂層中的水分充分揮發(fā)，再放入烘干箱，加熱到150 ℃保溫烘干2 h.然后利用TIG弧焊機(jī)和自制的氬弧熔覆用全自動(dòng)焊接裝置制備Ti(C、N)-WC增強(qiáng)鎳基耐磨復(fù)合涂層.熔覆工藝參數(shù)為：焊接電流130 A，氬氣流量12 L/min，熔覆速度30 mm/min，保護(hù)氣體為體積分?jǐn)?shù)99.99%的氬氣.

利用線切割機(jī)床將熔覆后的試樣沿垂直于堆焊層表面方向切開，加工成待測(cè)試樣.再用金相砂紙進(jìn)行磨制，之后在拋光機(jī)上進(jìn)行研磨拋光.對(duì)制備好的試樣進(jìn)行腐蝕， 基體Q235鋼用4%的硝酸酒精，熔覆層用質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的硝酸加氫氟酸酒精溶液(HF∶HNO3=1∶3).熔覆層的顯微組織在FEI Inspect S50掃描電子顯微鏡下觀察，用OXFORD X-act/INCA 150能譜儀分析熔合區(qū)增強(qiáng)相顆粒的成分，用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量熔合區(qū)附近的顯微硬度，并用SFT-2M型銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)量基體和熔覆層的磨損體積.

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1復(fù)合涂層的顯微組織

圖1為熔覆層各部位橫截面的顯微組織照片，從圖1(a)可以看出，熔覆層的截面有3個(gè)明顯的區(qū)域：熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基體.并且在熔覆層界面處形成了一條白亮帶區(qū)域，寬度大約為50 μm，這是因?yàn)闅寤‘a(chǎn)生高能熱源，熔覆層和母材在形成熔池的過(guò)程中，界面處兩端的原子發(fā)生劇烈相互擴(kuò)散，凝固后形成非常優(yōu)良的冶金結(jié)合層，沒(méi)有明顯的氣孔、裂紋和未焊透等缺陷.

由圖1(b)電子背散射圖可以看出，在熔覆層的頂部存在大量的增強(qiáng)相顆粒，多呈四邊形、五邊形、柱狀和針狀，分布均勻，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的團(tuán)聚現(xiàn)象.如圖2(a)，A點(diǎn)處EDS分析表明，四邊形和五邊形的白色塊體主要為WC相，并固溶有TiC、CrxC和γ(Ni, Fe)相[4].另從圖2(b)可知，B點(diǎn)處的黑色的短棒狀析出物為Ti(C、N).熔覆層中還均勻分布著很多針狀析出相(C區(qū)域)，經(jīng)EDS分析表明，主要為(Fe,Cr)xC和γ(Ni, Fe)相，還含有少量TiC.D區(qū)域?yàn)轸~骨狀的共晶體，主要為富Ni的γ (Ni, Fe)相，和一些(Fe, Cr)xC、TiC和Co2C相.

圖1　熔覆層各部位的顯微組織

在氬弧熔覆凝固時(shí)，增強(qiáng)相顆粒比基體金屬密度小，在高溫熔池?cái)嚢枰约爸亓怏w吹力等作用下，增強(qiáng)相顆粒出現(xiàn)向上浮動(dòng)并聚集在一起[5]，而且還因?yàn)槿鄹矊禹敳康睦鋮s速度快，所以相對(duì)于圖1(c)熔覆層中心和圖1(d)底部的增強(qiáng)相顆粒明顯增多，均呈彌散分布.中心部位白色的方塊狀WC顆粒尺寸變小，數(shù)量也減少.而黑色小短棒狀或方塊狀的Ti(C、N)顆粒也呈現(xiàn)這樣的變化，且有些區(qū)域有團(tuán)聚現(xiàn)象.熔覆層底部則沒(méi)有針狀的組織，且WC和Ti(C、N)顆粒更為細(xì)小，增強(qiáng)相顆粒大為減少，這主要是因?yàn)橥繉又械脑睾突w中的元素相互融合擴(kuò)散，底部被稀釋的結(jié)果.熔覆層頂部彌散分布大量的增強(qiáng)相顆粒，這對(duì)于提高涂層的耐磨性是非常有利的.

圖2　熔覆層上部不同區(qū)域的EDS點(diǎn)分析

2.2復(fù)合涂層的顯微硬度

測(cè)顯微硬度時(shí)從外層的熔覆開始，然后沿著一條直線向內(nèi)部基體Q235鋼每隔0.2 mm測(cè)量1次硬度，加載力9.8 N，加載時(shí)間15 s.熔覆層至基體內(nèi)部的硬度分布曲線如圖3所示，從圖中可以看出，折線走向呈先上升后下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)槿鄹矊幼钔饷嬗捎谑軞寤≈苯蛹訜?，涂層元素?zé)龘p和揮發(fā)嚴(yán)重，所以最外層硬度值不高，而隨著深度的增加顯微硬度亦增加，達(dá)到最高硬度后再緩慢下降，最高硬度可達(dá)1073.6 HV；從熔覆層表層到距表層1.2 mm以內(nèi)，硬度值相對(duì)于基體處于較高水平；在距熔覆層表面1.2~2.0 mm范圍內(nèi)顯微硬度迅速下降，這是由于在熔覆層與基體的結(jié)合界面處，基體具有稀釋作用，且從上面熔覆層底部的分析可知，底部生成的Ti(C、N)和WC等增強(qiáng)相大幅減少，硬度較低.焊后熱影響區(qū)的硬度明顯降低，這歸因于粗大晶粒的生長(zhǎng)和氬弧熔覆過(guò)程中位錯(cuò)的恢復(fù)[6].到2.2 mm后顯微硬度值趨于穩(wěn)定，在165 HV附近，相當(dāng)于基體硬度水平.涂層的顯微硬度大約是母材Q235鋼的6.5倍，非常有助于涂層耐磨性的提高.

2.3復(fù)合涂層的磨損特性

材料耐磨性的測(cè)試采用的是銷盤式的摩擦磨損方式，通過(guò)測(cè)量表面輪廓計(jì)算磨損體積，GCr15鋼球與測(cè)試試樣之間形成干滑動(dòng)磨損.磨損樣件線切割成15 mm×15 mm×8 mm的塊狀試樣，磨損面分別為基體和熔覆層，鋼球直徑5 mm，加載載荷100 N，轉(zhuǎn)速500 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑4 mm，磨損時(shí)間20 min.在磨損實(shí)驗(yàn)前，對(duì)熔覆層和基體待磨表面必須先進(jìn)行砂輪粗磨和砂紙細(xì)磨，保證預(yù)磨面的表面粗糙度相同.利用試驗(yàn)機(jī)自帶的接觸式磨損量測(cè)量?jī)x對(duì)磨損體積進(jìn)行測(cè)定，每個(gè)試樣測(cè)量3次，求取平均值.

圖4為基體和熔覆層的磨損體積對(duì)比圖，從中可見基體Q235鋼的磨損體積是復(fù)合涂層的10倍，即熔覆層的耐磨性得到極大的提高.這是因?yàn)樵谀p試驗(yàn)期間，涂層中的硬質(zhì)相起到了保護(hù)作用，并提高了材料的耐磨性.參與摩擦磨損的大多是在摩擦面呈微凸?fàn)顟B(tài)的Ti(C、N)-WC顆粒，Ti(C、N)和WC顆粒都具有極高的硬度，對(duì)于相對(duì)較軟的合金基體有屏蔽作用，增強(qiáng)相顆粒與鋼球直接接觸，承受較多的磨損，需要消耗更多的摩擦功，使得堆焊層的磨損體積大為降低[7].與Q235鋼相比，Ti(C、N)-WC增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層具有良好的耐磨性.

圖3　熔覆層至基體內(nèi)部的硬度分布

圖4　基體和熔覆層磨損量對(duì)比圖

2.4復(fù)合涂層的磨痕形貌

圖5是基體和熔覆層磨損表面形貌的背散射照片，從圖中可以明顯看出，Q235鋼基體磨損的磨痕寬度大約為1.3 mm，而熔覆層的磨痕寬度只有0.5 mm.在干滑動(dòng)磨損條件下，圖5(a)中基體Q235鋼產(chǎn)生了較嚴(yán)重的塑性變形，磨損表面遍布很深很寬的犁溝和大片狀磨屑脫落的痕跡，試樣發(fā)生了嚴(yán)重的黏著磨損和磨料磨損.而圖5(b)中熔覆層表面只存在較少的犁溝和撕裂痕跡，試樣的磨損形式主要是磨屑充當(dāng)?shù)谌w引起的磨粒磨損(犁溝的出現(xiàn))，表現(xiàn)出良好的耐干滑動(dòng)磨損性能.磨損實(shí)驗(yàn)初期，試樣磨損表面在黏著點(diǎn)附近區(qū)域因反復(fù)變形而硬化，在空位等缺陷的積累處萌生裂紋[8].因?yàn)槿鄹矊又袕浬⒎植贾罅康腡i(C、N)-WC增強(qiáng)相硬顆粒，且與基體之間結(jié)合牢固，凸起的硬質(zhì)相顆粒與GCr15鋼球?qū)δッ嫦嘟佑|，很好地保護(hù)了基體，增強(qiáng)了抗磨損能力.在隨后的磨損過(guò)程中，裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致硬化層破碎，凸起物從基體的熔覆層中脫離而產(chǎn)生磨粒磨損.磨損表面上觀察到的劃痕，是脫落的磨粒參與隨后的磨擦而導(dǎo)致.此外，隨著摩擦?xí)r間的增加，氧化磨損加劇，磨損表面的形貌發(fā)生變化.

3結(jié)論

圖5　基體和熔覆層磨損表面形貌

1)在Q235鋼的表面用氬弧熔覆原位合成的技術(shù)制備Ti(C、N)-WC增強(qiáng)鎳基復(fù)合材料涂層，涂層的組織結(jié)構(gòu)沿層深方向可分為熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基體3個(gè)區(qū)域，熔覆層和基體形成了較好的冶金結(jié)合界面.熔覆層上彌散分布著大量短棒狀和方塊形的Ti(C、N)增強(qiáng)相顆粒，四邊形和五邊形的WC顆粒，沒(méi)有出現(xiàn)大量的團(tuán)聚現(xiàn)象.且增強(qiáng)相顆粒從熔覆層頂部、到中部、底部數(shù)量逐漸減少，尺寸逐漸變小.

2)復(fù)合涂層的顯微硬度由表及里呈先上升后下降的階梯狀趨勢(shì)，到熱影響區(qū)時(shí)的硬度又明顯降低，隨后恢復(fù)到正?；w硬度.復(fù)合涂層的顯微硬度最高達(dá)到1073.6 HV，大約為母材Q235鋼的6.5倍，主要是因?yàn)門i(C、N)-WC顆粒的生成提高了熔覆層的硬度.

3)經(jīng)氬弧熔覆后，復(fù)合涂層的耐磨性得到極大提高，磨損體積只為Q235鋼的1/10.熔敷層中原位生成的大量Ti(C、N)-WC增強(qiáng)相硬顆粒，使涂層具有很高的黏著磨損抗力和磨料磨損抗力.基體Q235鋼的磨損機(jī)制為黏著磨損和磨料磨損，而復(fù)合涂層的的磨損形式主要是磨屑充當(dāng)?shù)谌w引起的磨粒磨損.

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(編輯武峰)

Research of Argon-arc Cladding In-situ Synthesis of Ti(C、N)-WC

Particle Reinforced Ni60A Composite Coating

ZHANG Ning1, ZHANG Chun-hong2, LI Ju-li1, QU Shen-liang1, CHEN Hao1

(1.Jiangsu Key Laboratory of Large Engineering Equipment Detection and Control, Xuzhou Institute of Technology, Xuzhou 221018, China;

2.Department of Mechanical Engineering, Xuzhou Bioengineering Technical College, Xuzhou 221006, China)

Abstract:Taking Ni60A,TiC, TiN and Co powder as the raw material,the Ti(C、N)-WC particle reinforced nickel composite coating was prepared from Q235 steel plate with the argon-arc cladding in-situ synthesis technology.Microstructure,chemical composition,hardness changes and tribological characteristics of the coating were studied.The asdeposited microstructure mainly consists of Ni-rich γ(Ni,Fe)phase,Ti(C、N),WC,and(Fe,Cr)xC.Compared with that of the Q235 steel substrate,the microhardness and wear resistance of the coating are 6.5 and 10 times respectively.The microhardness of composite coating is a declining process from the surface to the center till the heat affected zone.The wear mechanism of Q235 steel is adhesive wear and abrasive wear, while the wear form of composite coating is abrasive wear caused by debris as the third part.

Key words:Ti(C、N)-WC; argon arc cladding; in-situ synthesis; wear resistance

中圖分類號(hào)：TG135+.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-358X(2015)01-0047-05

作者簡(jiǎn)介：張寧(1980-)，男，江蘇徐州人，講師，博士研究生，主要從事材料焊接研究.

基金項(xiàng)目：江蘇省大型工程裝備檢測(cè)與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室開放課題(JSKLEDC201308)；江蘇省高等學(xué)校大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201411998054Y)；徐州市科技計(jì)劃項(xiàng)目(C14GX100)；2014年江蘇省高?！扒嗨{(lán)工程”資助項(xiàng)目

收稿日期：2014-10-23