等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層的組織性能研究

常智敏，潘應(yīng)君，王 盼，柯德慶，黃 遼，李子豪

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081)

等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層的組織性能研究

常智敏，潘應(yīng)君，王 盼，柯德慶，黃 遼，李子豪

(武漢科技大學(xué)材料與冶金學(xué)院，湖北 武漢，430081)

采用等離子噴焊法在Q235鋼表面熔敷一層Mo-Fe-Cr-B合金覆層，借助光學(xué)顯微鏡、SEM、EDS、XRD、顯微硬度計(jì)及電化學(xué)工作站等對(duì)該覆層的組織結(jié)構(gòu)及性能進(jìn)行表征分析。結(jié)果表明，Mo-Fe-Cr-B合金覆層組織由均勻分布的α-Fe、Mo2FeB2、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相組成；覆層與Q235鋼基體形成良好的冶金結(jié)合，在熔合線附近存在元素的相互擴(kuò)散；覆層顯微硬度最高可達(dá)871HV0.3，其為Q235鋼基體硬度的4倍；覆層耐腐蝕性能強(qiáng)于Q235鋼及Ni60覆層。

等離子噴焊；合金履層；Mo2FeB2；顯微組織；顯微硬度；極化曲線；電化學(xué)腐蝕

硼化物系合金作為理想的覆層材料，因其優(yōu)異的耐磨、耐腐蝕及耐高溫性能，且與基體結(jié)合程度好、原料成本低而備受重視[1-2]。目前，普遍采用反應(yīng)燒結(jié)法制備硼化物系合金覆層材料，該法所制覆層材料存在內(nèi)部孔隙過多、孔隙度大等問題[3-6]。等離子噴焊法是一種能夠有效改善材料表面性能的表面處理技術(shù)，具有噴焊覆層厚度及寬度可控、與基體冶金結(jié)合良好、操作自動(dòng)化及生產(chǎn)成本較低等特點(diǎn)，近年來引起業(yè)界普遍關(guān)注[7-8]。為此，本文采用等離子噴焊法在Q235鋼表面試制Mo-Fe-Cr-B合金覆層，并分析研究該覆層的組織及性能特點(diǎn)，以期為硼化物系合金覆層材料的制備工藝優(yōu)化及推廣應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用Q235鋼為基體材料，切割成尺寸為50 mm×30 mm×10 mm的長(zhǎng)方體試樣，其化學(xué)成分如表1所示。

制備Mo-Fe-Cr-B合金覆層所需的原料粉末包括：Mo粉(分析純，粒度3～5 μm)、FeB粉(化學(xué)純，粒度8～10 μm，w(B)為19.7%)、羰基Fe粉(分析純，粒度2～3 μm)、Cr粉(化學(xué)純，粒度5～8 μm)及C粉(純度大于99.55%，粒度3～5 μm)，其成分配比如表2所示。

表1 Q235鋼的化學(xué)成分(wB/%)

表2 Mo-Fe-Cr-B合金原料粉末組成(wB/%)

噴焊實(shí)驗(yàn)采用DPT100型等離子噴槍(鎢針直徑為2.4 mm)、400 A等離子噴焊電源、送氣控制系統(tǒng)和MDS-3型堆焊送粉器等設(shè)備。

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

噴焊前對(duì)Q235鋼基體表面進(jìn)行機(jī)械加工，保證其表面粗糙度Ra<0.6 μm，然后預(yù)熱至300 ℃；原料粉末在干燥箱內(nèi)經(jīng)200 ℃保溫1 h后按照預(yù)設(shè)的等離子噴焊工藝參數(shù)(如表3所示)進(jìn)行噴焊試驗(yàn)，在Q235鋼基體表面制備厚度為5 mm的噴焊覆層。噴焊過程中噴槍與基體平面保持垂直，并通氬氣保護(hù)。

表3 等離子噴焊工藝參數(shù)

1.3 分析與檢測(cè)

分析試樣取自等離子噴焊所得覆層橫截面部位，在多功能ZEISS Axio Plan2型金相顯微鏡(OM)下觀察試樣金相組織；借助X’Pert PRO MPD型X射線衍射儀(XRD)對(duì)覆層進(jìn)行物相分析；利用 Nova 400 Nano型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)及其附帶的能譜儀(EDS)對(duì)覆層顯微組織及成分進(jìn)行表征與分析；使用HX-500型顯微硬度計(jì)測(cè)定試樣顯微硬度；采用武漢科思特CS-300系列電化學(xué)工作站分別測(cè)量Mo-Fe-Cr-B覆層、Q235鋼及Ni60覆層在5%NaCl溶液中的極化曲線并進(jìn)行對(duì)比分析，其中Ni60覆層是柯德慶等采用等離子噴焊法制備的Ni-Cr-B-Si系鎳基自熔性合金覆層[9]。

2 結(jié)果與分析

2.1 等離子噴焊覆層的組織及物相分析

等離子噴焊覆層同Q235鋼基體結(jié)合界面附近的微觀組織形貌如圖1所示。從圖1中可以看出，覆層與Q235鋼基體結(jié)合狀況良好，結(jié)合處無明顯裂紋及孔洞；覆層中組織分布均勻且無氣孔、咬邊及裂紋等宏觀缺陷。

圖1 結(jié)合界面處的微觀組織形貌

圖2為等離子噴焊覆層的XRD圖譜，物相分析顯示該覆層組織由Mo2FeB2、α-Fe、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相構(gòu)成，其中Mo2FeB2相的衍射峰最強(qiáng)，表明該物相在覆層組織中所占比例較大。

等離子噴焊覆層顯微組織如圖3所示。從圖3中可見，白色基體上均勻分布著尺寸較大的黑色顆粒，其中部分黑色顆粒聚集在一起；黑色顆粒周圍存在一些灰色共晶組織；白色基體上還分布著許多尺寸較小的黑色球形顆粒。

圖2 等離子噴焊覆層的XRD圖譜

圖3 等離子噴焊覆層顯微組織

圖4為等離子噴焊覆層SEM照片，在視場(chǎng)中選取3個(gè)具有代表性的測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行EDS分析，結(jié)果如表4所示。由于B、C等輕元素偏差較大，故未將其計(jì)算在內(nèi)。

測(cè)試點(diǎn)1所對(duì)應(yīng)的尺寸較大顆粒中Mo、Fe原子數(shù)比例接近2∶1，結(jié)合XRD物相分析結(jié)果，該處應(yīng)為Mo2FeB2相。在等離子噴焊過程中，B、Mo原子及其它原料在高溫條件下經(jīng)原位反應(yīng)形成Mo2FeB2硬質(zhì)相；測(cè)試點(diǎn)2處Mo、Fe原子比為10∶7，略低于Mo2FeB2相中Mo、Fe原子數(shù)比例，表明該處為M3B2共晶組織，其中M由Cr、Fe、Mo組成。M3B2共晶組織的形成是因?yàn)楦矊又械摩?Fe相在形成過程中對(duì)B元素有排斥效應(yīng)，而在Mo2FeB2相形成過程中硬質(zhì)顆粒周圍Mo與B元素濃度很高且Mo與B有很強(qiáng)的親和力，因此在α-Fe晶界處易形成M3B2共晶組織。M3B2共晶組織的形成對(duì)噴焊覆層起到了支撐和強(qiáng)化作用，有利于提高覆層的硬度和耐磨性；測(cè)試點(diǎn)3所對(duì)應(yīng)的為覆層中的黏結(jié)相，對(duì)其進(jìn)行局部元素掃描，結(jié)果顯示其相組成主要為α-Fe相，Mo、 Cr作為強(qiáng)鐵素體形成元素固溶于α-Fe體心立方晶格中形成固溶強(qiáng)化，同時(shí)尺寸細(xì)小的M7C3碳化物顆粒彌散分布在黏結(jié)相中形成彌散強(qiáng)化，共同增強(qiáng)了等離子噴焊覆層的性能[10]。

圖4 等離子噴焊覆層的SEM照片

Table4EDSanalysisresultsofplasmasprayingweldingcoating

測(cè)試點(diǎn)wB/%MoFeCr xB/%MoFeCr134.509.493.4360.3928.5411.07228.7912.024.4549.9335.8314.2434.0535.264.2710.3483.755.91

2.2等離子噴焊覆層與基材結(jié)合界面區(qū)域分析

圖5為等離子噴焊覆層同Q235鋼基體結(jié)合界面的微觀形貌及界面區(qū)域Mo、Fe、Cr等元素的線掃描圖譜。線掃描結(jié)果表明，Mo、Fe、Cr元素含量從Q235鋼基體一側(cè)到等離子噴焊覆層一側(cè)發(fā)生明顯變化，中間存在一個(gè)元素濃度變化過渡區(qū)。

圖5 結(jié)合界面SEM照片及EDS線掃描圖譜

Fig.5SEMimageandEDSlinearscanningspectrumofthebindinginterface

這個(gè)過渡區(qū)的形成主要是因?yàn)樵诘入x子噴焊過程中Q235鋼基體溫度迅速升高，基體與噴焊覆層結(jié)合界面上的Fe原子能量增加從而開始向覆層側(cè)擴(kuò)散，此時(shí)覆層處于熔融狀態(tài)，其中的Mo、B、Cr原子濃度很高，在濃度梯度的作用下沿著液相界面向Q235鋼基體側(cè)擴(kuò)散。隨著元素?cái)U(kuò)散不斷進(jìn)行，擴(kuò)散層持續(xù)長(zhǎng)大[11]，待溫度降低后即形成具有元素濃度梯度的過渡層，使等離子噴焊覆層與Q235鋼基體之間產(chǎn)生牢固的冶金結(jié)合。

圖6 為等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層的顯微硬度曲線。從圖6中可見，在熔合線噴焊覆層一側(cè)，硬度值分布均勻，并未隨著距離的增加而發(fā)生大的突變，這表明Q235鋼基體同覆層結(jié)合后對(duì)覆層組織影響不大。覆層的硬度介于790～871HV0.3之間，遠(yuǎn)高于Q235鋼基體硬度，這也間接表明噴焊覆層具有良好耐磨性。

圖6 等離子噴焊覆層顯微硬度曲線

Fig.6Microhardnesscurvesofplasmasprayingweldingcoating

2.3 極化曲線分析

圖7為等離子噴焊Mo-Fe-Cr-B合金覆層、Q235鋼及Ni60覆層在5%的NaCl溶液中進(jìn)行電化學(xué)腐蝕實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的極化曲線圖。

圖7 不同材料的極化曲線

對(duì)極化曲線進(jìn)行塔菲爾曲線擬合后得出，Mo-Fe-Cr-B覆層的自腐蝕電流密度為1.00014×10-6A/cm2，Q235鋼的自腐蝕電流密度為1.38386×10-5A/cm2，Ni60覆層的自腐蝕電流密度為4.260 15×10-6A/cm2，可見Mo-Fe-Cr-B覆層的自腐蝕電流密度最小，表明其耐腐蝕性最好。這是因?yàn)镸o-Fe-Cr-B覆層中的主要組分Mo2FeB2相是具有U3Si2四方型結(jié)構(gòu)的離子晶體，離子鍵中無自由電子且離子對(duì)外層電子束縛力大，所以在電化學(xué)腐蝕過程中Mo2FeB2相顆粒表現(xiàn)穩(wěn)定，不易被腐蝕，從而使覆層表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。在Q235鋼表面等離子噴焊一層Mo-Fe-Cr-B合金覆層可以在一定程度上提高Q235鋼的耐腐蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命。

3 結(jié)論

(1)采用等離子噴焊法在Q235鋼表面制備Mo-Fe-Cr-B合金覆層，覆層組織由均勻分布的α-Fe、Mo2FeB2、(Mo,Cr,Fe)3B2和(Cr,Fe)7C3等相構(gòu)成。覆層與Q235鋼基體熔合處無氣孔、夾雜、裂紋等缺陷，形成非常好的冶金結(jié)合，結(jié)合界面附近Fe、Mo、Cr等原子相互擴(kuò)散形成一定厚度的過渡層。

(2)Mo-Fe-Cr-B覆層的顯微硬度最高可達(dá)871HV0.3，且硬度分布均勻，遠(yuǎn)高于Q235鋼基體硬度。

(3)Mo-Fe-Cr-B覆層的自腐蝕電流密度小于Q235鋼及Ni60焊層相應(yīng)值，表明其耐腐蝕性能更強(qiáng)。

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[責(zé)任編輯沈冬冬]

MicrostructureandpropertiesofMo-Fe-Cr-Balloycoatingbyplasmasprayingwelding

ChangZhimin,PanYingjun,WangPan,KeDeqing,HuangLiao,LiZihao

(College of Materials Science and Metallurgical Engineering, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430081, China)

The Mo-Fe-Cr-B alloy coatings were prepared on the surface of Q235 steel by plasma spraying welding, then characterized and tested by optical microscope, scanning electron microscope, energy dispersion spectrum, X-ray diffractometer, microhardness tester and electrochemical corrosion work station. The results show that the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings consist of α-Fe, Mo2FeB2, (Mo,Cr,Fe)3B2and (Cr,Fe)7C3, which are evenly distributed. Favorable metallurgical coalescent has formed between the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings and the Q235 steel substrate with elements diffusion at the interface. The Mo-Fe-Cr-B alloy coatings have the maximal microhardness of 871HV0.3, about four times that of Q235 steel. Corrosion resistance of the Mo-Fe-Cr-B alloy coatings is also better than that of Q235 steel and Ni60 coatings.

plasma spraying welding; alloy coating; Mo2FeB2; microstructure; microhardness; polarization curve; electrochemical corrosion

TG148

A

1674-3644(2017)06-0428-04

2017-09-13

武漢科技大學(xué)省部共建耐火材料與冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青年基金(2016QN18)；武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(FMRUlab17-7).

常智敏(1993-)，男，武漢科技大學(xué)碩士生.E-mail：470713499@qq.com

潘應(yīng)君(1965-)，男，武漢科技大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師. E-mail：hbwhpyj@163.com

10.3969/j.issn.1674-3644.2017.06.005