TiC對Ni35A堆焊層組織及摩擦磨損性能的影響

徐 強，何 芹，王 艷，姚先國

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

TiC對Ni35A堆焊層組織及摩擦磨損性能的影響

徐 強，何 芹，王 艷，姚先國

（西華大學材料科學與工程學院，四川成都610039）

利用等離子弧對Ni35A及加入10％TiC的Ni35A預壓塊體進行堆焊試驗，借助金相顯微鏡、X射線衍射儀、維氏硬度計及摩擦磨損試驗機研究堆焊層組織及磨損性能。結果表明，堆焊層主要由（Fe，Ni）固溶體組成，加入TiC粉末后，堆焊層含硬質相Ni3Ti及TiC，合金晶粒明顯細化；焊層硬度增加，表層硬度提高了73％；磨痕深度、磨痕寬度、磨損量較Ni35A堆焊層的分別降低了38.9％、25.0％、57.6％。

等離子弧；堆焊；金相組織；耐磨性

0 前言

摩擦與磨損是在兩個或以上物體表面相互接觸并相對運動時出現的一種普遍現象。如何提高材料耐磨性，延長材料使用壽命成為研究的主要方向。為提高材料耐磨性，科研工作者做了大量工作，如表面滲碳滲氮、激光表面改性、火焰及等離子噴涂等[1-5]，并且獲得了良好的效果。等離子弧堆焊具有節能、高效、廉價且可獲得較厚改性層的優點，自熔性鎳基合金粉末因其良好的性能和經濟效益成為材料表面耐磨改性的首選，結合兩者優勢，制備經濟高效耐磨堆焊層對工程應用具有重大意義。

Ni35A是自熔性、潤濕性和噴焊性都很好的中等硬度鎳鉻硼硅合金粉末。其噴焊層具有耐蝕、耐磨、耐熱等特點，可用于小能量多沖擊條件下的沖頭、汽門、齒輪面等修復和預防性保護。本研究采用鎳基合金粉末Ni35A，并在其中加入10％TiC，利用等離子弧堆焊的方法，在低碳鋼Q235A上制備堆焊層，綜合分析其性能。

1 實驗材料及方法

實驗基體采用Q235A，焊前經打磨、除油、清洗等處理。粉末采用成都大光熱噴涂材料有限公司

生產的Ni35A合金粉末，粒度-150/+300目，其化學成分如表1所示。在Ni35A中添加10％TiC（質量分數），對照組為純Ni35A，將混合好的材料置于自制模具，采用經鈍化后的水玻璃作為粘結劑，將其壓制成70 mm×40 mm×3 mm的薄塊，晾干。焊前經120℃、保溫1 h烘干處理。采用PTE-400E-ST型等離子噴焊機，堆焊參數為：焊接速度90 mm/min，擺動寬度22 mm，擺動速度1 100 mm/min，焊接電流125 A，保護氣600 L/h，離子氣200 L/h。

表1 Ni35A合金粉末化學成分Tab.1Chemical composition of Ni35A powder％

采用DKM280AZ型數控電火花線切割機切取金相及摩擦磨損試樣，并將其表面打磨平整。金相試樣經拋光、氯化鐵鹽酸溶液腐蝕后，用LY-WNHP SUPRE CCD萬能視頻成像裝置觀察堆焊層組織。采用D/MAX-2500/PC X射線衍射儀對堆焊層進行物相分析。用HV-1000型顯微硬度計測試試樣顯微硬度，加載時間10s，試驗載荷0.5kgf（4.9N）。在HSR-2M型高速往復摩擦磨損試驗機上進行干摩擦摩擦磨損試驗，對磨樣為ZrO2陶瓷球，試驗載荷40 N，試驗時間20 min，行程2 mm。試驗前用超聲波清洗儀清洗試樣，除去表面雜質。

2 實驗結果及分析

2.1 金相組織及相

堆焊層橫截面組織如圖1所示。堆焊合金為樹枝晶；Ni35A堆焊層組織粗大（見圖1b），在其中加入TiC（見圖1a）能夠明顯細化晶粒。究其原因：等離子弧溫度高，TiC在高溫作用下部分發生分解進入基體，對基體產生細化；而未發生分解的TiC則作為硬質相和異質形核核心，在細化晶粒的同時提高堆焊層的性能[4]。結合X射線衍射分析（見圖2），發現堆焊合金基體均為（Fe，Ni）固溶體，加入TiC后，部分發生分解，與合金粉末中的Ni形成金屬間化合物Ni3Ti，部分則未發生分解，保留在堆焊層中。圖1中亮白色基體組織均為（Fe，Ni）固溶體，黑色組織為碳化物。

圖1 堆焊層橫截面組織Fig.1Cross section microstructure of the deposited metals

圖2 X射線衍射分析Fig.2X-ray diffraction analysis

堆焊層縱截面組織如圖3所示。對比圖1和圖3可知，堆焊層縱截面組織較橫截面粗大，這是因為縱截面較母材距離近，稀釋率大，過多的母材進入堆焊層；縱截面屬于中間層，在散熱方面較堆焊層表面慢，使之在高溫停留時間較長，促使晶粒長大。

2.2 硬度

采用HV-1000型顯微硬度計對堆焊層表面、中間層以及母材進行5點硬度測試，并求其平均值，如表2所示，平均硬度如圖4所示。

Q235A鋼上堆焊合金粉末后，硬度均上升；由于稀釋和冷卻速度的影響，中間層硬度較表層有所下降。在Q235A堆焊Ni35A后，表層平均硬度值達到232.9，而母材硬度平均值HV0.5為154.9，表層

硬度約為母材的1.5倍；當在Ni35A中加入TiC后，其表面平均硬度值大大提高，HV0.5達到402.7，約是母材硬度平均值的2.6倍。

圖3 堆焊層縱截面組織Fig.3Longitudinal section microstructure of deposited metals

表2 堆焊層及母材顯微硬度（HV0.5）Tab.2Microhardness of the deposited metals and base metals(HV0.5)

對比Q235A與Ni35A+TiC可以發現，加入TiC后，其硬度值大為提高，表層硬度提高了73％，中間層硬度提高了57％。主要原因是加入TiC，在細化晶粒的同時強化了基體，提高了材料的力學性能。

2.3 摩擦磨損性能

堆焊層摩擦系數如圖5所示。通常摩擦系數越低，磨損性能越好。由圖5可知，Ni35A的摩擦系數波動較大，介于0.5～0.9；在加入TiC后，堆焊層的摩擦系數變得穩定，摩擦系數介于0.5～0.6。因此，在加入TiC后，堆焊層的耐磨性能加強。

圖4 堆焊層及母材顯微硬度平均值（HV0.5）Fig.4Microhardness of the deposited metals and base metals

圖5 堆焊層摩擦系數Fig.5Friction coefficient of the deposited metals

堆焊層磨坑形貌如圖6所示。Ni35A合金堆焊層的磨坑較添加了TiC的Ni35A合金堆焊層的磨坑更寬大。測量發現，Ni35A合金堆焊層的磨痕深度92.81μm，磨痕寬度1.5289mm，磨損量0.0829mm2；添加TiC后，堆焊層磨痕深度56.72 μm，磨痕寬度1.144 1 mm，磨損量0.035 2 mm2；較Ni35A合金堆焊層的磨痕深度、磨痕寬度、磨損量分別降低了38.9％、25.0％、57.6％。

堆焊層磨痕形貌如圖7所示。加入TiC的堆焊層磨痕淺，在與磨球的相對高速運動中，由于其硬度較高，使得堆焊層表面被拋光，能發現其中的組成。而Ni35A堆焊層的表面磨痕較深，并有剝落現象，且有磨屑嵌入基體（見圖7b）。

究其原因，Ni35A合金堆焊層硬度較低，晶粒粗大，在磨損過程中受微觀切削，產生較多磨屑，磨屑在力的作用下嵌入基體，部分隨磨球運動，對堆焊層表面進行切削，產生犁溝。加入TiC后，部分TiC在高溫作用下發生分解，細化晶粒，提高硬度，

增加材料力學性能；而未分解的部分TiC則作為硬質相，分散分布于材料基體，在堆焊層中起耐磨骨架作用，對犁溝、擠壓有良好的抵制作用，可有效減少磨屑與基體的接觸及其對基體的連續切削作用，加強對基體的保護。堆焊層中相對較軟的基體韌性好，可以防止裂紋的產生及擴展，對硬質相起支撐作用，防止硬質相在磨損過程中被成塊兒剝落；兩者相互作用，提高了堆焊層的耐磨性。

圖6 堆焊層磨坑形貌Fig.6Depth of griding pits of the deposited metals

圖7 堆焊層磨痕形貌Fig.7Wear morphology of the deposited metals

3 結論

（1）試驗Ni35A耐磨堆焊層，其主要組織為（Fe，Ni）固溶體，晶粒粗大，但硬度較母材有所增加，約為母材1.5倍。

（2）加入10％TiC粉末后，部分TiC粉末發生分解，與堆焊合金反應形成金屬間化合物Ni3Ti；未分解部分以硬質相存在于堆焊合金，兩者均能提高材料硬度，堆焊層硬度約為母材的2.6倍。

（3）TiC的加入大大增加了材料的抗磨性，其磨痕深度、磨痕寬度、磨損量較Ni35A合金堆焊層的分別降低了38.9％、25.0％、57.6％。

[1]李于朋，李寧，王世君，等．等離子噴焊Ni60A合金的組織與性能研究[J]．長春工業大學學報（自然科學版），2010， 30（4）：399-402．

[2]蘇允海，秦昊，吳德廣，等．原位合成TiC和M7C3陶瓷硬質相的生長習性[J]．焊接學報，2012，33（11）：59-62．

[3]吳向清，胡慧玲，謝發勤，等．等離子噴涂鎳基合金涂層的組織與耐蝕性[J]．中國表面工程，2011，24（5）：13-17．

[4]曹明．等離子熔覆TiC/Ni梯度層組織及其抗汽蝕性能研究[D]．江蘇：河海大學，2007．

[5]劉宗德，董世運，白樹林．顆粒增強金屬基復合材料涂層的制備及其特性與應用[J]．復合材料學報，2013，30（1）：1－11．

[6]徐志鵬．Ti及Cr3C2對等離子鐵基合金堆焊層組織和性能的影響[D]．安徽：安徽工業大學，2013．

Influence of TiC on the microstructure and friction-wear properties of Ni35A surfacing layer

XU Qiang，HE Qin，WANG Yan，YAO Xianguo
（School of Material and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The pre-pressed Ni35A and Ni35A with the addition of 10％TiC powder were deposited by plasma arc.With the aid of metallographic microscope，X ray diffraction，Vivtorinox hardness tester，friction-wear testing machine，the microstructure and wear properties were analyzed and tested.The results showthat the microstructures are mainly（Fe,Ni）solid solution，with the addition of TiC powder，deposited surface contains hard phase Ni3Ti and TiC,the grain refinement obviously；the hardness has greatly improved，surface hardness increases by 73％；the wear scar depth，wear width，the amount of wear compared to Ni35A surfacing layer decreases by 38.9％，25.0％，57.6％.

plasma arc；surfacing；metallographic structure；wear resistance

TG455

A

1001－2303（2016）07－0033-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.07.08

2015-12-30；

2016-04-28

四川省教育廳重點項目（13ZA0030）；汽車高性能材料及成形技術四川省高校重點實驗室開放基金資助項目（szjj2015-090）；2015省級大學生創新創業訓練計劃資助項目（201510623002）

徐強（1991—），男，四川成都人，在讀碩士，主要從事耐磨材料及材料耐磨性能研究工作。