微米和納米Cr3C2對Co40合金等離子堆焊層組織與性能的影響

斯松華，于婉萍，張 磊，李 飛

（安徽工業(yè)大學材料科學與工程學院，馬鞍山243002）

0 引 言

機械工程零部件失效的主要原因之一是表面的磨損，由此造成的經(jīng)濟損失較大［1］。等離子堆焊技術是一種有效的表面強化方法，通過在零件表面堆焊一層具有特殊性能的合金，可以提高基體材料的表面性能，從而延長零件的使用壽命［2］。等離子堆焊鈷基合金層常被用于高溫工作環(huán)境中，通過添加陶瓷顆粒來提高其磨損性能［3-4］。Cr3C2具有高熔點、高硬度等特點，其作為陶瓷增強相應用于表面涂層的研究已有很多報道［5-6］，但之前研究人員所使用的Cr3C2陶瓷顆粒多為微米級，它與基體的相容性有待進一步改善。

納米顆粒具有良好的納米效應，添加納米Cr3C2顆粒可以改善涂層的組織與性能。但目前相關的研究還不多見，為此，作者采用等離子堆焊方法在低碳鋼表面分別制備了Co40合金堆焊層、分別添加質量分數(shù)30%微米和納米Cr3C2的Co40合金復合堆焊層（以下簡稱Cr3C2／Co復合堆焊層），對比研究了添加米和納米Cr3C2對Co40合金堆焊層組織與磨損性能的影響。

1 試樣制備與試驗方法

主要原料包括Co40合金粉、微米和納米Cr3C2o粉。Co40合金粉的粒徑為53～120μm，其化學成分（質量分數(shù)／%）為0.27C，28.6Cr，2.27Ni，5.4Mo，0.5Fe，余 Co。微米 Cr3C2的粒徑為40～82μm，納米Cr3C2的粒徑為60nm。

分別以Co40合金粉、30%（質量分數(shù)，下同）微米Cr3C2和Co40合金混合粉、30%納米Cr3C2和Co40合金混合粉作為堆焊材料，以低碳鋼板作為基材，將以上幾種堆焊材料分別置于研缽中，添加適量的丙酮和火棉膠并混合均勻，然后將三種堆焊材料均勻預置于鋼板表面，將預置后的鋼板置于200℃加熱爐中烘干2h并隨爐冷卻后，利用PTA-400E型等離子噴焊機進行堆焊。堆焊前，先對待焊面進行預處理以除去其表面的鐵銹和油污，并用丙酮進行清洗。堆焊工藝參數(shù)為：轉移弧電流160A，送粉電壓25V，行走速度70mm·min-1，擺動寬度22mm，離子氣流量 0.5m3·h-1，保護氣流量0.5m3·h-1，噴距7mm。將堆焊后的試樣置于200℃加熱爐中保溫2h并隨爐冷卻。堆焊層的厚度約為3mm，將堆焊后的試樣沿垂直于焊接方向制取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光后采用王水進行腐蝕，然后采用PHILIP-XL30型掃描電鏡觀察各堆焊層的顯微組織；采用HV-1000Z型顯微硬度計測試樣的顯微硬度，加載載荷為9.8N，加載時間為10s；采用D8 Advance型X射線衍射儀分析各堆焊層的物相。

采用線切割制取磨損試樣，其尺寸為30mm×7mm×6.5mm，其中堆焊層表面（30mm×7mm）為磨損面。在MMS-2A型微機控制摩擦磨損試驗機上進行環(huán)-塊式滑動磨損試驗，下部環(huán)狀試樣采用硬度為60HRC的GCr15鋼，加載載荷為300N，轉速為200r·min-1，磨擦時間為40min。磨損前后分別用丙酮、酒精對試樣進行超聲清洗，并用精度為0.1mg的分析天平稱量試樣的質量，進而計算磨損量。

2 試驗結果與討論

2.1 堆焊層的物相組成

由圖1可以看出，Co40合金堆焊層主要由γ-Co和Cr23C6相組成；添加微米Cr3C2后，堆焊層中增加了Cr7C3相和未熔Cr3C2相；納米Cr3C2／Co復合堆焊層的物相與微米Cr3C2／Co復合堆焊層的相同，只是各相衍射峰的強度有所差異。等離子堆焊Co40合金涂層時，由于合金粉中鉻的含量較高而碳含量較低，即w（Cr）／w（C）的值較高，所以在熔池中易形成Cr23C6型碳化物。由于Cr3C2的熔點較高，因此部分Cr3C2未熔而被保留下來，而熔解的Cr3C2使熔池中的鉻、碳含量大幅增加，微米Cr3C2／Co復合堆焊層在凝固過程中形成Cr7C3型和Cr23C6型碳化物［7］。納米Cr3C2的粒徑與微米Cr3C2的不同，且熔點有所降低，熔解量有所差異，納米Cr3C2／Co復合堆焊層在凝固過程中形成的各相含量均不相同。因此與微米Cr3C2／Co復合堆焊層相比，組成相相同，但各衍射峰的強度不同。

圖1 不同堆焊層的XRD譜Fig.1 XRD patterns of different surfacing layers：（a）Co40alloy surfacing layer；（b）micron-Cr3C2／Co composite surfacing layer and（c）nano-Cr3C2／Co composite surfacing layer

2.2 堆焊層的顯微組織

由圖2可以看出，Co40合金堆焊層以亞共晶方式結晶，其組織主要由發(fā)達的柱狀晶及其間的網(wǎng)狀共晶組成，柱狀晶的生長方向性比較明顯，主要垂直于結合處沿熱流方向生長；向Co40合金粉中添加微米Cr3C2后，堆焊層的凝固特性發(fā)生了明顯的改變，柱狀晶的枝晶被打斷、碎化，生長方向性明顯減弱，且組織更加細化和均勻化；而添加了納米Cr3C2的納米Cr3C2／Co復合堆焊層則主要以共晶方式結晶，其組織主要由共晶組織組成，且進一步細化和均勻化。在等離子堆焊過程中，添加的微米Cr3C2由于熔點較高而部分未熔。一方面這些未熔的Cr3C2可以作為非自發(fā)形核的核心，阻礙柱狀晶生長，從而使組織細化和均勻化；另一方面，未熔的Cr3C2顆粒在熔池中起到攪拌作用可以使枝晶破碎，組織變細，從而使枝晶的生長方向性減弱。由于納米Cr3C2的熔點略低于微米Cr3C2的，所以納米Cr3C2／Co復合堆焊層中Cr3C2的熔解量有所增多，從而使熔池中的碳、鉻含量增多，合金成分達到共晶點時以共晶方式結晶，而未熔納米Cr3C2的尺寸較小，彌散分布在熔池中，作為非自發(fā)形核的核心，從而使組織更加均勻和細化。

圖2 不同堆焊層的顯微組織Fig.2 Microstructure of Co40alloy surfacing layer（a，b），micron-Cr3C2／Co composite surfacing layer（c，d）and nano-Cr3C2／Co composite surfacing layer（e，f）at low and high magnifications

2.3 堆焊層的硬度及耐磨性

由圖3可見，Co40合金堆焊層的顯微硬度為366HV，微米Cr3C2／Co復合堆焊層的顯微硬度為501HV，比Co40合金堆焊層的提高了37%，納米Cr3C2／Co復合堆焊層的顯微硬度為549HV，比Co40合金堆焊層的提高了50%。由圖4可以看出，相對于Co40合金堆焊層，微米Cr3C2／Co復合堆焊層的磨損量減少了29%，納米Cr3C2／Co復合堆焊層的磨損量減少了55%。

圖3 不同堆焊層的硬度分布Fig.3 Hardness distribution of different surfacing layers

圖4 不同堆焊層的磨損量Fig.4 Sliding wear loss of different surfacing layers

可見，在Co40合金堆焊層中添加微米Cr3C2可以提高堆焊層的硬度與耐磨性，而在Co40合金堆焊層中添加納米Cr3C2可以進一步改善堆焊層的硬度與耐磨性。

2.4 堆焊層的磨損表面形貌

由圖5可見，Co40合金堆焊層的磨損表面存在較深的犁溝和一定的剝落現(xiàn)象，磨損較嚴重；微米Cr3C2／Co復合堆焊層表面的犁溝明顯減輕，表面剝落現(xiàn)象也比較輕微；而納米Cr3C2／Co復合堆焊層的磨損表面只存在一些極輕微的犁溝，無明顯的剝落現(xiàn)象，屬輕微磨損。Co40合金堆焊層的硬度明顯低于GCr15鋼環(huán)的，在切向壓力作用下，鋼環(huán)上的微凸體對Co40合金堆焊層表面的切削作用較明顯，因此其表面犁溝較深；Co40合金堆焊層的組織由發(fā)達的柱狀晶和網(wǎng)狀的共晶組成，柱狀晶的硬度低于共晶組織的，且與共晶組織的結合力較小，因此在摩擦力的循環(huán)作用下柱狀晶易產(chǎn)生疲勞剝落。在Co40合金堆焊層中添加微米Cr3C2后，Cr3C2部分熔解，使熔池中的碳、鉻含量增多，從而使固溶強化作用增強；而殘存的未熔Cr3C2顆粒可以作為非自發(fā)形核的核心，具有較強的細晶強化作用和彌散強化作用，從而使堆焊層中枝晶及共晶碳化物的硬度得到明顯提高，可以大大減輕鋼環(huán)的“犁削”作用。同時，堆焊層中的高硬度未熔Cr3C2在一定程度上也能夠抵擋鋼環(huán)的“犁削”作用。因此，微米Cr3C2／Co復合堆焊層的耐磨性相對于Co40合金堆焊層有所提高。由于納米Cr3C2／Co復合堆焊層中納米Cr3C2的熔點低于微米Cr3C2的，Cr3C2的熔解量增多，從而使固溶強化作用進一步增強；另一方面，未熔納米Cr3C2的尺寸更加細小且分布得更加彌散，其細晶強化作用和彌散強化作用得到進一步增強，因此，納米Cr3C2／Co復合堆焊層的硬度和耐磨性得到明顯提高。同時，納米Cr3C2／Co復合堆焊層主要由均勻細密的高硬度共晶組織組成，固溶體和碳化物間的結合較緊密，能有效地減輕“犁削”作用和阻止疲勞剝落的產(chǎn)生，從而使堆焊層的耐磨損性能得到進一步提高。

圖5 各堆焊層的表面磨損形貌Fig.5 Morphology of worn surfaces of different surfacing layers：（a）Co40alloy surfacing layer；（b）micron-Cr3C2／Co composite surfacing layer and（d）nano-Cr3C2／Co composite surfacing layer

3 結 論

（1）Co40合金堆焊層主要由γ-Co和Cr23C6相組成，添加微米Cr3C2和納米Cr3C2后，堆焊層中增加了Cr7C3和未熔Cr3C2相。

（2）Co40合金堆焊層的組織主要為發(fā)達柱狀晶及其間的網(wǎng)狀共晶，且柱狀晶的生長方向性明顯；添加微米Cr3C2后，柱狀晶的枝晶被打斷、碎化，生長方向性減弱，且堆焊層組織更加細化和均勻化；納米Cr3C2／Co復合堆焊層則主要以共晶方式結晶，其組織主要由共晶組織組成，且進一步細化和均勻化。

（3）相對于Co40合金堆焊層，微米Cr3C2／Co復合堆焊層的硬度增加了37%，耐磨性提高了29%；而納米Cr3C2／Co復合堆焊層的硬度增加了50%，耐磨性提高了55%。

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