BC增強鐵基活性氬弧熔覆層的制備與耐磨性能

馬 壯，袁紅昆，董世知，李智超

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000；2.遼寧科技學院，本溪 117000)

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BC增強鐵基活性氬弧熔覆層的制備與耐磨性能

馬 壯1,2，袁紅昆1，董世知1，李智超1

(1.遼寧工程技術大學材料科學與工程學院，阜新 123000；2.遼寧科技學院，本溪 117000)

摘要：以粉煤灰為活性劑,采用活性氬弧熔覆技術在Q235鋼表面制備了B4C增強鐵基活性氬弧熔覆層，對該熔覆層的物相、顯微組織、顯微硬度以及耐磨性能進行了研究，并與B4C增強鐵基氬弧熔覆層(普通氬弧熔覆層)的進行了對比。結果表明:活性氬弧熔覆層中含有Fe3.5B、Fe23(C,B)6、Fe5Si3、Fe2AlB2等新相;粉煤灰活性劑的加入對細化熔覆層顯微組織、促進熔覆層與母材良好熔合具有重要作用;活性氬弧熔覆層的顯微硬度較普通熔覆層的提高了60 HV，其耐磨粒磨損性能和耐沖蝕磨損性能分別為普通氬弧熔覆層的1.16倍和1.86倍。

關鍵詞：活性氬弧熔覆層；粉煤灰；B4C；耐磨性能

0引言

金屬材料的腐蝕、磨損、氧化等破壞形式一般都從其表面開始。表面熔覆技術可以以較低的成本改善材料的表面性能，延長材料的使用壽命，日益受到了材料工作者的重視[1-6]。目前，常用的熔覆技術有堆焊、氬弧熔覆、激光熔覆、等離子熔覆和熱噴涂等[7]。與其它熔覆技術相比，氬弧熔覆技術具有投資和運行費用低、操作方便等優點，而且在氬氣的保護下熔池中合金元素的燒損和氧化損失也較少，其應用范圍涵蓋了普通碳鋼以及鈦合金等金屬[8-11]；但其熔覆效率低，熔覆層產生裂紋或剝離的傾向較大，這大大限制了該技術的發展。

粉煤灰是我國當前排量較大的工業廢渣之一，是從煤燃燒后的煙氣中收捕的細灰，它的應用主要集中在建筑、化工和農業等方面[12-13]。目前，焊接不銹鋼或碳鋼時所用焊接活性劑的主要成分為氧化物，它可增加焊縫熔深，改善焊縫成形和焊接質量，提高焊接效率[14]。粉煤灰的化學成分主要為SiO2、Al2O3和堿性金屬氧化物，可作為焊接活性劑使用[15]?；钚詺寤∪鄹布夹g在等熱量輸入條件下可實現焊縫熔深大幅增加，使熔覆層與母材金屬更好地結合在一起。該技術在提高熔覆效率、降低生產成本的同時，也可改善熔覆層的性能，具有重要的科研意義。目前，國內外有關活性氬弧熔覆技術的研究鮮有報道。為此，作者嘗試以固體廢棄物粉煤灰作為活性劑，將其涂覆在鐵基B4C熔覆材料上，采用活性氬弧熔覆技術在Q235鋼板表面進行氬弧熔覆,制備了B4C增強鐵基活性氬弧熔覆層,對它的物相、組織、顯微硬度、耐磨性能進行了研究,并與普通B4C增強鐵基氬弧熔覆層進行了對比。

1試樣制備與試驗方法

1.1　試樣制備

母材采用尺寸為100 mm×30 mm×6 mm的Q235鋼板，試驗前對其進行表面除銹、去脂。熔覆層材料為6%(質量分數，下同)B4C、5%硼砂和還原鐵粉組成的混合粉。將10 g混合粉倒入研缽中研磨至均勻，然后加入0.5～0.6 g、模數為2.5的鈉水玻璃作為粘接劑，攪拌均勻后放入模具中；采用萬能試驗機在60 MPa壓力下將混合粉壓制成尺寸為100 mm×10 mm×2 mm的預置熔覆塊；將熔覆塊置于Q235鋼表面進行單道氬弧熔覆，制備得到的B4C增強鐵基氬弧熔覆層記為普通氬弧熔覆層。熔覆工藝參數：熔覆電流145 A，熔覆速度120 mm·min-1，氬氣流量7 L·min-1，弧長4 mm，鎢極直徑2 mm。

活性劑選用阜新當地的粉煤灰，其成分見表1。試驗前將其在800 ℃保溫2 h進行熱活化[16]，并過200目篩；然后取2 g粉煤灰置于10 mL丙酮中，搖勻，再用扁平毛刷將其均勻地涂覆在預置熔覆塊表面，烘干；然后將涂有粉煤灰活性劑的熔覆塊置于Q235鋼表面，進行活性氬弧熔覆，其工藝參數與上述氬弧熔覆的相同，制備得到的B4C增強鐵基活性氬弧熔覆層記為活性氬弧熔覆層。

表1　粉煤灰的成分(質量分數)

1.2　試驗方法

采用D/max-Rc型X射線衍射儀測熔覆層的物相，掃描速度為10 (°)·min-1，掃描范圍為10°～80°，采用銅靶Kα輻射，鎳濾波片，管電壓為40 kV，管電流為40 mA；采用XJL-02A型立式顯微鏡觀察熔覆層的截面形貌和顯微組織，腐蝕劑為3%(體積分數)硝酸酒精溶液；采用HVT200型顯微硬度測試儀測熔覆層截面的顯微硬度，載荷為1 N，加載時間為10 s；在ML-100型磨損試驗機上進行磨粒磨損試驗，試樣為圓柱形，直徑為6 mm，端面預磨平齊，試驗載荷為70 N，轉速為60 r·min-1，砂紙為180目，每次更換試樣時，均更換新砂紙；采用精度為10-4g的TG328A型分析天平稱量試樣磨損前后的質量；采用SSX-550型掃描電鏡觀察試樣磨損后的表面形貌；采用MSH型腐蝕磨損試驗機對熔覆層進行沖蝕磨損試驗，采用石英砂與水混合溶液模擬熔覆層在實際工況條件下的服役情況，試樣尺寸為10 mm×10 mm×6 mm，沖蝕角為90°，沖蝕介質石英砂的粒徑為30～70 μm，水和石英砂的體積分別為5 000 mL和2 800 mL，線速度為628 mm·min-1，磨損周期為30 min。

2試驗結果與討論

2.1　熔覆層的XRD譜

普通氬弧熔覆層中含有Fe3C、Fe2B、Fe3B相，如圖1(a)所示，這說明B4C在焊接電弧作用下生成了碳和硼，碳和硼又與鐵反應生成了新的硼化物和碳化物。此外，還發現了B4C相的存在，這說明原料B4C并未完全參與反應。

活性氬弧熔覆層中不僅存在Fe3C、Fe2B、Fe3B相，還存在Fe3.5B和Fe23(C，B)6等新相，但卻沒有B4C，如圖1(b)所示。這說明涂覆粉煤灰活性劑后，提高了焊接熱輸入，使B4C全部分解，從而使得有更多的硼與鐵發生反應，并且部分碳元素溶于母材中形成了含碳的固溶體和碳化物，這些新生成的硼化物、碳化物及固溶體對提高熔覆層的硬度及耐磨性具有一定作用。此外，活性氬弧熔覆層中還存在Fe5Si3、Fe2AlB2等新相。這是由于粉煤灰活性劑中含有SiO2和Al2O3，它們在焊接電弧作用下發生分解，生成了硅元素和鋁元素，硅元素和鋁元素進入熔池與鐵、硼元素發生反應生成了Fe5Si3、Fe2AlB2等新相。

2.2　截面形貌及顯微組織

圖1　不同熔覆層的XRD譜Fig.1　XRD patterns of different cladding layers: (a) common argon arc cladding layer and (b) surfactant argon arc cladding layer

圖2　不同熔覆層的截面形貌Fig.2　Section morphology of different cladding layers: (a) common argon arc cladding layer and (b) surfactant argon arc cladding layer

圖3　不同熔覆層的顯微組織Fig.3　Microstructure of different cladding layers: (a) common argon arc cladding and (b)surfactant argon arc cladding layer

由圖2(a)可以看出，普通氬弧熔覆層的截面形貌呈中心熔化型，電弧正下方的熔深較大，在這種情況下由于熔覆層邊緣易產生應力集中，在反復的應力作用下易產生裂紋甚至剝落。由圖2(b)可見，活性氬弧熔覆層的截面形貌呈半圓形，這是由于涂覆活性劑后熔化金屬對流比較自由而產生的，此時熔覆層與母材結合緊密不易脫落。對于普通熔覆技術來講，若要獲得性能優異的熔覆層，需保證熔覆層的稀釋率足夠小，即母材熔池中熔化金屬的體積不宜過大。但對于活性氬弧熔覆技術來講，盡管獲得較大的熔深在一定程度上對增強相有稀釋作用，但也可以通過加入活性劑來提高熱輸入效率或者溫度，促使部分活性劑與熔覆塊反應生成更多的新相來彌補，同時熔覆層與母材的結合強度也會有一定程度提高。由圖3可以看出，活性氬弧熔覆層中的白色塊狀組織較普通氬弧熔覆層中的多，且分布得較為均勻。結合XRD分析可知，熔覆層中的這些白色塊狀組織為Fe23(C,B)6、Fe2AlB2、Fe5Si3等硬質相。此外，活性氬弧熔覆層的晶粒較普通氬弧熔覆層的更細小致密，排布得較為規則。這說明涂覆粉煤灰會促進一些細小第二相的生成，并在熔池金屬冷卻結晶時率先析出，增加了形核質點的數量。

2.3　顯微硬度

圖5　不同試樣磨粒磨損后的表面形貌Fig.5　Surface morphology of different samples after abrasive wear: (a) base metal; (b)common argon arc claddingand (c) surfactant argon arc cladding layer

圖4　不同熔覆層截面的顯微硬度分布曲線Fig.4　Microhardness distribution curves in the sections ofdifferent cladding layers

由圖4可以看出，普通氬弧熔覆層的顯微硬度約為300 HV，活性氬弧熔覆層的約為360 HV，而母材的約為130 HV。根據XRD譜及顯微組織可知，活性氬弧熔覆層中含有Fe23(C,B)6、Fe2AlB2、Fe5Si3等硬質相，且晶粒更加細小，因此硬度較大。此外，硅的加入使碳在鐵中的溶解度下降，這樣便造成大量碳原子析出，熔池中的碳元素含量大幅增加，促使更多的碳化物、硼化物等硬質相形成，亦使得硬度增大。

2.4　耐磨性能

2.4.1耐磨粒磨損性能

由表2可以看出，磨損相同的時間后，母材的磨損量最大，普通氬弧熔覆層的次之，活性氬弧熔覆層的最??；普通氬弧熔覆層的耐磨性為母材的1.98倍，活性氬弧熔覆層的則提高至2.3倍；活性氬弧熔覆層的耐磨性為普通氬弧熔覆層的1.16倍。

表2　不同試樣的磨粒磨損量和相對耐磨性

由圖5(a)可見，母材的顯微組織為鐵素體+珠光體，硬度較低，抵抗磨粒壓入的能力較差，在對磨材料運動過程中，磨粒不斷擦傷母材并產生較大、較深的犁溝，母材表面的材料流失較快。由圖5(b)可見，有許多小的磨屑分布在普通氬弧熔覆層表面，磨痕較母材的均勻且更淺。這是由于熔覆層中加入了B4C顆粒，原位反應生成的顆粒增強相有效提高了熔覆層的硬度，抵抗磨粒壓入的能力顯著提升，故而耐磨性能提高；未參與反應的B4C及增強相彌散分布在母材上，這種分布規律有利于熔覆層在抵抗外界沖擊時緩解應力，但同時由于母材缺乏對增強相的保護，故而導致增強相易剝落，在磨損條件下易形成硬質點,對材料產生二次擦傷。由圖5(c)可見，活性氬弧熔覆層表面的劃痕淺而均勻，表面幾乎無碎屑?；钚詺寤∪鄹矔r,盡管熔深增加，但其對熔覆層的稀釋作用被熔覆層中由粉煤灰活性劑直接或間接產生的新相所彌補，其總體耐磨性仍然增大。由熔覆層的顯微組織可以看出，增強相的種類增多直接導致組織多樣化，既有短棒狀規則排列的組織，又有少量不規則形狀的組織。與普通氬弧熔覆層相比，其規則排列的短棒狀組織更加致密、有規律，中間夾雜著少量不規則形狀的新相，有助于增加熔覆層的硬度，在磨損條件下也可以抵抗較大的外力，使熔覆層的磨損量最小。

2.4.2耐沖蝕磨損性能

由表3可以看出，活性氬弧熔覆層和普通氬弧熔覆層的相對耐沖蝕性能分別為母材的4.70倍和2.52倍，活性氬弧熔覆層的耐沖蝕性能為普通氬弧熔覆層的1.86倍。這說明活性氬弧熔覆層的耐沖蝕磨損性能較普通氬弧熔覆層的有明顯提高。

沖蝕粒子的運動可分解為切向運動和法向運動，當石英砂以小角度在材料表面進行切向運動時，尖銳的砂粒將切出一定數量的微體積材料；當以大角度與靶材接觸時，由于表面材料在接觸點首先產生彈性變形，進而進入塑性變形狀態，所以沖擊后，材料表面的彈性變形將恢復，而塑性變形將保留，從而形成了凹坑。當石英砂與料料表面接觸時，會產生更強烈的機械磨損作用，使得材料表面產生裂紋，易脫落。同時，液體的高速流動，使被沖蝕材料表面上未完全脫落的材料迅速流失，在二者的共同作用下，產生沖蝕磨損。

表3　不同試樣的沖蝕磨損量和相對耐沖蝕性能

由圖6可以看出，沖蝕磨損后，母材表面出現了較深的劃痕及較多的點狀凹坑，普通氬弧熔覆層表面的劃痕和凹坑較少，活性氬弧熔覆層表面只有細微的劃痕和凹坑。Q235鋼母材的硬度較低，但塑性較大，受切向方向沖蝕的影響較大，故而表面會出現較多的劃痕和凹坑，沖蝕磨損嚴重。普通氬弧熔覆層中加入了B4C，被溶解的B4C與碳化物形成元素鐵生成了Fe2B和Fe3B硬質相，而未溶解的B4C又在熔覆層中起到了細晶強化的作用，因此耐沖蝕性能得以提高?；钚詺寤∪鄹矊又胁粌H含有Fe2B和Fe3B硬質相，還新生成了Fe3.5B、Fe23(B,C)6、Fe5Si3和Fe2AlB2新相，當砂粒作用于熔覆層表面時，熔覆層中較軟的相被逐漸沖蝕，暴露出具有較高硬度的新相，可以將沖擊的砂粒擊碎，因此耐沖蝕性能提高顯著。

圖6　不同試樣沖蝕磨損后的表面形貌Fig.6　Surface morphology of different samples after erosion wear: (a) base metal;(b) common argon arc cladding layerand (c) surfactant argon arc cladding layer

3結論

(1) B4C增強鐵基氬弧熔覆層中含有Fe3C、Fe2B和Fe3B等相，B4C增強鐵基活性氬弧熔覆層不僅含有Fe3C、Fe2B和Fe3B相，還含有Fe3.5B、Fe23(C,B)6、Fe5Si3、Fe2AlB2等新相。

(2) 粉煤灰活性劑的涂覆可使熔覆層的組織細小致密，晶粒分布較為規則，同時也起到了增加熔池深度的效果。

(3) B4C增強鐵基活性氬弧熔覆層的顯微硬度比普通B4C增強鐵基氬弧熔覆層的提高了60 HV，且前者的耐磨粒磨損性能和耐沖蝕磨損性能分別為后者的1.16倍和1.86倍。

參考文獻:

[1]高俊國，陸峰，湯智慧，等. 噴涂距離對超音速火焰噴涂CoCrAlYTa涂層組織性能的影響[J].表面技術,2013,24(1):1-4.

[2]邱俊波，王澤華，周澤華，等. 等離子熔覆鎳鉻碳合金層的顯微組織和硬度[J]. 機械工程材料,2011,35(4):83-90.

[3]張燕，張行，劉朝輝，等. 熱噴涂技術與熱噴涂材料的發展現狀[J]. 裝備環境工程,2013,10(3):59-62.

[4]羅輝，張元彬，唐琳琳. DZ12焊條堆焊工藝對堆焊層組織性能的影響[J]. 熱加工工藝,2009,38(21):126-128.

[5]王東生，田宗軍，沈理達，等. 激光熔覆MCrAlY涂層的研究現狀[J]. 機械工程材料,2013,37(12):1-5.

[6]馬壯，李劍，張璐，等. 氬弧熔覆技術特點及研究現狀[J]. 材料熱處理技術,2012,41(10):162-165.

[7]唐琳琳，羅輝，張元彬. 表面熔覆技術的研究進展[J]. 材料熱處理技術,2009,38(20):86-89.

[8]王振廷，丁元柱，梁剛. 鈦合金表面氬弧熔覆原位合成TiB2-TiN涂層組織及耐磨性能[J].焊接學報,2011,32(12):105-108.

[9]宋天革.16Mn鋼表面TIG熔覆制備陶瓷顆粒增強層[J]. 熱加工工藝,2013,42(8):148-154.

[10]郭國林，張占哲，李剛，等. 氬弧熔覆工藝對Ni60復合涂層組織和性能的影響[J]. 金屬熱處理,2012,37(12):83-85.

[11]王澤旺，張寰，趙程. 氬弧熔覆TiC顆粒增強Fe基涂層組織性能研究[J]. 表面技術,2014,43(5):51-54.

[12]彭巖，李強，等. 我國煤矸石應用現狀及發展方向[J]. 礦業快報,2008,24(11):8-11.

[13]陶瑩，馬壯，孫方紅，等. 以粉煤灰和Al-TiO2-B2O3為原料制備玻璃/陶瓷復合涂層的組織及耐磨性能[J]. 機械工程材料,2014,38(9):29-33.

[14]陳俐，胡倫驥. 活性劑焊接技術的研究[J]. 新技術新工藝,2005(4):39-41.

[15]張勇，羅建民，綦秀玲. 粉煤灰活性劑對LD10鎢極氬弧焊接頭性能的影響[J]. 兵器材料科學與工程,2013,36(5):74-76.

[16]LI D,SONG X Y,GONG C C,et al.Research on cementitious behavior and mechanism of pozzolanic cement with coal gangue[J].Cement and Concrete Research,2006,36:1752-1759.

Preparation and Wear Resistance of B4C-Fe-based Surfactant Argon Arc Clading Layer

MA Zhuang1,2，YUAN Hong-kun1，DONG Shi-zhi1，LI Zhi-chao1

(1.College of Materials Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000， China;

2.Liaoning Institute of Science and Technology， Benxi 117000,China)

Abstract:Taking fly ash as surfactant, B4C-Fe-based surfactant argon arc cladding layer was prepared on Q235 steel surface by surfactant argon arc cladding technology, and then the phases, microstructure, microhardness and wear resistance of the cladding were studied and compared with those of B4C-Fe-based argon arc cladding layer (common argon arc cladding layer). The results showed there were Fe3.5B, Fe23(C,B)6, Fe5Si3and Fe2AlB2new phases in the surfactant argon arc cladding layer. Fly ash played an important role in refining the microstructure of the surfactant argon arc cladding layer and promoting good adhesion of the cladding layer with the base metal.The microhardness of the surfactant argon arc cladding inreased by 60 HV than that of the common argon arc caldding layer, and the abrasive wear and erosion wear resistance of the former were 1.16 times and 1.86 times of those of the latter.

Key words:surfactant argon arc cladding layer; fly ash; B4C; wear resistance

中圖分類號：TG47

文獻標志碼：A

文章編號：1000-3738(2015)10-0042-05

通訊作者：袁紅昆

作者簡介：馬壯(1963-)，男，遼寧阜新人，教授，博士。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(E0422)

收稿日期:2014-12-08；

修訂日期:2015-06-15

DOI:10.11973/jxgccl201510010