Q235鋼表面氬弧熔覆B4 C－Ti復合涂層組織與性能的研究

陳永生，王永東

(黑龍江科技大學 材料科學與工程學院，哈爾濱150022)

目前，關于表面改性技術已經有了很廣泛的研究，尤其是表面熔覆技術已成為國內外研究的熱點，國外學者［1－4］對氬弧熔覆技術的研究，多關注于在鈦合金或不銹鋼基體上制備提高耐磨耐蝕性的復合涂層，國內研究多在鑄鐵或低碳鋼表面上制備增強復合涂層［5－8］，氬弧熔覆技術具有所需設備價值低廉，工藝簡單等優點，對零件和工具設備修復具有重要的實用價值，在制備耐磨材料領域得到了廣泛應用［9，10］。本文采用氬弧熔覆技術，在Q235鋼基體表面原位合成TiC－TiB/Fe基復合涂層，對復合涂層的顯微組織和耐磨性能進行了探究。

1 試驗方法

選用Q235鋼作為基體材料，切割加工試樣尺寸為40mm×10mm×10mm，用無水乙醇和丙酮清洗，表面除油除銹。熔覆材料為B4C粉、鈦粉(平均粒度為約為25μm，純度B4C粉99.5%、鈦粉99.9%)和鐵粉(平均粒度為約為30μm，純度99.5%)，將混好的待熔粉末用膠水調成糊狀涂覆于Q235鋼試件表面，預涂復合涂層厚度范圍為1mm～1.5mm，自然干燥24h后，在電爐中200℃保溫1h烘干，采用MW3000型數字式焊接機進行氬弧熔覆制備熔覆涂層。

本文借助MX2600型掃描電子顯微鏡分析涂層組織形態，利用MHV2000型顯微硬度計分析試樣熔覆區、結合區與基體之間的硬度變化規律，利用D/max2200型X射線衍射儀進行物相分析，在MMS－2B摩擦磨損試驗機上用淬火態的GGr15鋼環進行磨損試驗，實驗參數為:法向載荷200 N，轉速為200r/min，磨損時間為30min，用精度為0.1mg的FC系列－204型電子分析天平稱量試樣的磨損失重，用Axio lab.A1蔡司顯微鏡觀察磨損表面形貌。

2 結果與分析

2.1 氬弧熔覆復合涂層微觀組織分析

圖1為氬弧熔覆復合涂層與Q235鋼基體顯微組織的截面SEM掃描照片，從圖中可以看出，熔覆層與基體之間界面冶金結合較好。圖2為氬弧熔覆復合涂層試樣的XRD衍射圖譜，對衍射峰的標定分析結果表明，復合涂層中存在的物相主要由TiB、TiC和α－Fe等構成。

圖1 復合涂層截面的組織形貌

圖2 復合涂層的XRD圖譜

圖3為氬弧熔覆合成顆粒的掃描電鏡組織形貌及能譜分析，可以看出，組織形貌顆粒相富含C和Ti(見圖3a)，長條棒狀物相主要成分為B和Ti(見圖3b)。結合上述XRD分析結果表明，圖中黑色基體為α－Fe，彌散分布的顆粒相為TiC，長條狀棒狀為TiB。

圖3 復合涂層的SEM及EDS分析

該反應系在氬弧熔覆溫度作用下，發生5Ti+B4C=4TiB+TiC化學反應，在200K～1 300K的溫度范圍內，該反應式的吉布斯自由能小于0，從熱力學角度分析該反應自發產生，反應產物也最穩定。氬弧熔覆熔池中分布的C、B、Fe和Ti等各元素具有濃度分布的不均勻性，鈦是強碳化物形成元素，又由于碳的擴散系數大于硼的擴散系數，熔池凝固過程中優先生成碳化物TiC，TiC的晶格結構呈八面體狀，所以TiC較易呈顆粒狀形貌長大，隨著反應的繼續進行，其后生成的TiB以TiC為形核質點長大，隨著TiB的長大，界面處的B原子濃度發生變化，B原子過飽和度較大的地方生長較快，從而較易生長成長條棒狀的TiB(圖3b)。

2.2 氬弧熔覆復合涂層性能分析

圖4為氬弧熔覆復合涂層顯微硬度分析曲線。由圖中可知，涂層表面硬度很高，最高達700HV0.2，TiC/TiB增強相具有很高的硬度，沿基體方向，硬度呈梯度逐漸降低，最低可達207HV0.2，圖5為Q235鋼基體與熔覆復合涂層的相對耐磨性，基體磨損失重為0.059g，復合涂層失重為0.010g，在相同載荷條件下，氬弧熔覆復合涂層的耐磨性明顯優于基體Q235鋼，約為基體的6倍，復合涂層高磨損抗力的原因在于TiC和TiB硬質相的存在。

圖6是氬弧熔覆復合涂層和基體材料磨損表面形貌蔡司金相照片。從圖可知，相同條件下，基體的磨損表面與復合涂層的相比:磨痕粗且深，發生的塑性變形嚴重，磨面上產生的溝狀條紋較大，有大片磨屑脫落得痕跡。分析原因主要是由于硬度較高的TiC和TiB粒子在基體中是均勻彌散分布的，減少了大片磨屑脫落的可能性。

圖4 復合涂層的顯微硬度分布曲線

圖5 復合涂層和Q235鋼的相對耐磨性

圖6 Q235和復合涂層磨損表面形貌

3 結論

(1)以B4C粉、Ti粉和Fe粉末為原料，采用氬弧熔覆技術在Q235鋼基體表面制備出增強熔覆層，涂層相組成為:α－Fe、TiC和TiB，增強相TiC呈顆粒狀，TiB呈長條棒狀。

(2)對涂層進行硬度測試，平均硬度為700HV0.2，在干滑動磨損條件下，涂層的耐磨性比基體提高了約6倍。

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