堆焊工藝參數與碳化鎢含量對鎳基碳化鎢涂層性能的影響研究①

2020-09-14 11:06:58王俊杰鄒德寧李新濤米小雨

礦冶工程 2020年4期

王俊杰，楊軍，2，鄒德寧，2，李新濤，米小雨

（1.西安建筑科技大學冶金工程學院，陜西西安710055； 2.陜西省冶金工程技術研發中心，陜西西安710055）

等離子堆焊工藝可將高性能涂層制備于成本低的基材表面，實現表面強化，所得涂層具有與母材結合力強、稀釋率低、厚度可調、成分可控等優點［1-3］，被廣泛應用于材料的維修和防護。制備具有優異耐磨性能的陶瓷顆粒增強金屬基復合涂層，近幾年受到廣泛關注。陶瓷顆粒增強相主要有WC［4-5］、TiC［6］、Cr3C2［、7-8］SiC［9］等。其中WC 顆粒因具有硬度大、熔點高，對金屬基體有很好的潤濕性而被廣泛使用［10］，但WC 由于密度大而帶來的沉積問題至今未很好解決。本文以Ni35 復合WC 粉末為原料，采用等離子堆焊法在Q235A 低碳鋼表面制備鎳基復合碳化鎢涂層，研究了焊接電流、WC 含量對涂層性能的影響。

1 試驗

1.1 試驗材料及工藝參數

本次試驗選用的基體材料為Q235A 低碳鋼，尺寸為Φ90 mm × 30 mm。鎳基堆焊層采用的鎳基合金粉末為Ni35+WC。 3 種粉末的粒度均為50 ～150 μm，其化學成分等相關參數列于表1。等離子堆焊前，對Q235A 基底材料的堆焊面進行砂紙打磨，去除表面氧化皮等雜質，然后用丙酮清洗表面殘留油污。焊接前，采用球磨機將Ni35 和WC 粉末機械混合，合金粉末在堆焊前置于150 ℃烘箱中干燥2 h。采用上海多木實業有限公司生產的DML-V03CD 等離子轉移弧堆焊機進行堆焊，堆焊工藝參數見表2。

表1 材料化學成分、密度及硬度

表2 等離子堆焊工藝參數

1.2 試驗方法

采用Ni35 復合WC 粉末作為原材料，按表3 配比及電流參數進行等離子堆焊涂層的制備。電流參數及WC 含量的選取依據堆焊操作人員經驗。

采用線切割獲取涂層截面部分試樣，尺寸為15 mm×4.5 mm，并依次采用80#～2000#SiC 磨盤逐級打磨，然后用Al2O3拋光劑進行拋光，最后用王水腐蝕15 s。采用SEM 觀察試樣涂層組織結構及WC 分布，并借助SEM 自帶的EDS 系統判斷微觀結構的元素配比。對SEM 樣品表面重新打磨、拋光，再進行XRD 分析。

表3 試驗材料類型

采用顯微硬度計測量試樣截面硬度，載荷為200g，保載時間為10 s，沿截面高度方向每隔0.25 mm 打1 個點，打3 組數據求平均值。

6 組摩擦磨損試樣尺寸為20 mm×15 mm×4.5 mm，其中20 mm ×15 mm 的涂層上表面作為摩擦磨損試驗面。試驗前先將6 組試驗面采用800#磨盤打磨成統一粗糙度，用酒精清洗，用吹風機吹干，避免外界因素影響。摩擦磨損試驗在德國布魯克UMT-3MT-2 摩擦磨損試驗機上進行，涂層摩擦學性能的測試采用直線往復式干滑動摩擦磨損，往復試驗摩擦副為硬度57 ～59HRC、直徑8 mm 的440-C 不銹鋼球，試驗載荷40 N，往復距離5 mm，往復速度50 mm/s，測試時間30 min。動態摩擦系數通過UMT 試驗機直接獲取，并采用Origin軟件繪圖。每組樣品的磨損量采用精度為0.000 01 的天平測量。

2 結果與討論

2.1 顯微物相及組織

Ni35 復合WC 制備的等離子堆焊涂層，由于增強相WC 密度（15.63 g/cm3）遠大于黏接相Ni35 的密度（7.5 g/cm3），堆焊層會出現嚴重的碳化鎢沉積現象，涂層中顆粒分布和組織不均勻將影響涂層的耐磨性能。

圖1 為各等離子堆焊涂層橫截面SEM 形貌圖。從圖1 看出，大電流（210 A）條件下焊接涂層中，WC含量較少的樣品1 和樣品2 出現了明顯的WC 沉積，含量較大的樣品3 中WC 分布較為均勻。小電流（195 A）條件下焊接涂層中，WC 含量較小的樣品4 中WC 沉積現象比較嚴重，含量較大的樣品5 和6 中WC 分布較為均勻。 WC 含量越大沉積現象越弱，這是由于WC具有較好的熱導率，可以加速凝固過程中的熱量擴散，凝固加快，阻礙WC 顆粒下沉。從實際應用角度考慮，樣品3、樣品5 和樣品6 涂層可以在不進行表面切割的情況下直接使用，較為理想。

圖1 等離子堆焊涂層橫截面形貌

圖2 為各樣品涂層的XRD 圖譜。大電流下，隨著WC 含量增加，注入涂層的W、C 元素量增加，更易于碳化物的生成，主要基體相由固溶了Cr、Fe 的γ-Ni 固溶體相逐漸轉變為固溶了Fe 的γ-Ni 固溶體相，Cr 的碳化物、W 的碳化物增多，這些碳化物具有較高的硬度，有效提升涂層硬度。比較圖2 中樣品2、樣品5 的圖譜可知，隨焊接電流降低，溶入γ-Ni 固溶體中的Cr量減少，主要的基體相為γ-（Ni，Fe）。

圖2 樣品XRD 圖譜

圖3為樣品2、樣品5 熔合區到涂層上表面的顯微組織圖。由圖3 可見，從熔合區到涂層上表面析出彌散相含量逐漸增加、組織粗大化，在相同位置樣品2較樣品5 的析出相量小、基體相組織粗大。凝固過程是沿熔合區到表面區方向，熔合區溫度梯度大、冷卻速度慢，處于高溫時間長，大量合金元素溶入γ-Ni 相，固溶強化起主要作用；析出的彌散相極少，彌散強化起次要作用。

圖3 等離子堆焊涂層的橫截面組織

圖4 為樣品2、樣品5 堆焊中間層區域特定區域EDS 圖。結合XRD 譜圖，可以確定樣品2 中1、2 和3點分別為W2C、γ-Ni（Cr，Fe）和WC；樣品5 中的4、5和6 點分別為γ-（Ni，Fe）、Cr 的碳化物和WC。證實了樣品2 中的基體相為γ-Ni（Cr，Fe）且析出了W2C 硬脆相；樣品5 中的基體相為γ-（Ni，Fe），主要以Cr 的碳化物為彌散相。

圖4 WC 增強Ni 基涂層試樣截面的顯微組織及相應點的EDS 譜

2.2 動態摩擦系數

圖5 為各樣品涂層上表面摩擦系數隨時間變化的曲線。由圖5 可見，每組樣品的動態摩擦系數都經歷初期急速增加、中期緩慢增加、最終趨于穩定的過程。摩擦副表面的狀態直接影響摩擦系數的值，摩擦磨損初期，摩擦副接觸方式接近于點接觸，突然施加的載荷會產生應力集中，使得摩擦方向的阻力增大，同時摩擦磨損面產生塑性變形從而發生涂層表面與磨球齒合、撞擊。此階段的磨損量較大，摩擦系數較小。磨損量的急劇增加使得摩擦副接觸面積快速增大，應力集中減弱，摩擦方向的阻力急劇下降，這個過程即為摩擦磨損的磨合期；磨合期產生大量碎屑堆積在涂層上表面，起到了一定的自潤滑作用［11-12］，隨磨損時間增長，摩擦副接觸表面溫度上升，涂層上表面軟化［13］，兩者共同作用，減緩摩擦系數的增長速度。隨著摩擦副接觸表面狀態趨于穩定，摩擦系數在某一數值附近波動。

圖5 試樣摩擦系數與時間的關系曲線

定義μ為穩定期平均摩擦系數，由圖5（a）可以看出，在大焊接電流下，隨著WC 含量增加，摩擦系數呈現增加趨勢。此焊接電流條件下，作為黏結相的鎳基組織較為粗大，力學性能較差，不能在摩擦磨損過程中很好固定住作為增強相的WC 顆粒，使得WC 顆粒脫落嚴重，WC 含量越多脫落越嚴重，摩擦副接觸表面粗糙度越大，因而摩擦系數增加。由圖5（b）可知，在小焊接電流下，隨著WC 含量增加，摩擦系數呈現先減小后增大趨勢。此電流條件下，黏結相鎳基基體組織較為細小，力學性能較好，可以在摩擦磨損過程中較好地固定WC，并且當WC 含量為20%時，堆焊上表面WC 達到最佳分布，因而樣品5 的平均摩擦系數最小（μ5＝0.677）。分別比較樣品1 與4、樣品2 與5、樣品3 與6，在相同WC 含量下，堆焊電流降低，摩擦系數呈現降低趨勢。堆焊電流降低，堆焊層形成的鎳基基體組織更加細小，彌散強化相更加豐富，磨損表面鎳基基體強度增加，因而摩擦系數減小。

2.3 涂層硬度及磨損量

材料的硬度是研究材料耐磨性能的一個重要指標。圖6 各樣品堆焊層顯微硬度分布曲線。由圖6 可見，堆焊層的顯微硬度（均大于300HV）較基材Q235A（約190HV）有明顯提高。堆焊層中高硬度的碳化物和硼化物等硬質相及固溶了Cr、Fe 等元素的固溶強化奧氏體的存在，使得鎳基涂層的硬度明顯提升。此外，鎳基堆焊層的硬度呈現出波動范圍較小的梯度分布。堆焊層上表面的硬度值較熔合線附近處略高，由金屬凝固原理知堆焊層凝固是沿熔合區到堆焊層上表面的方向，熔合區附近在凝固過程中散熱較慢，長時間處于高溫，從而使得合金中原有的元素（Fe、Cr 等）很容易固溶于γ-Ni 中形成固溶體，起到固溶強化的作用。而遠離熔合區的位置則由于接近涂層上表面，溫度梯度小，散熱較快，從而不利于合金原有元素的固溶，形成較多的彌散相，起到彌散強化的作用，較熔合區附近強化效果弱。

圖6 試樣橫截面的顯微硬度曲線

在焊接電流一定時，隨著WC 含量增加，堆焊涂層的硬度普遍增大。 WC 含量增加使得未溶解的分布于涂層中的高硬度WC 量增加，同時WC 受熱分解的量增加，從而固溶于γ-Ni 的W 量也增加，使得堆焊層硬度提升。對比圖6 中樣品1 與4、樣品2 與5、樣品3與6，發現堆焊層顯微硬度隨堆焊溫度降低而升高。相同WC 含量條件下，隨著堆焊電流降低，輸入涂層熱量降低，涂層中基體相γ-Ni 固溶體晶粒尺寸減小，涂層硬度提升。

試樣磨損量是直接表征材料耐磨性能的參數。圖7 為各樣品磨損量柱狀圖。在大焊接電流（210 A）下，隨著鎳基涂層中WC 含量增加，試樣磨損量逐漸增大。在小焊接電流（195 A）下，WC 含量較大的樣品5、6 較含量較少的樣品4 磨損量明顯降低。分別對比樣品1與4、樣品2 與5、樣品3 與6，在相同WC 含量條件下，隨著堆焊電流降低，樣品磨損量降低。其中，樣品5 和樣品6 的磨損量最低（14×10-2mg）。由Archard 磨損理論可知，堆焊涂層的耐磨性能與其摩擦系數成反比，與其顯微硬度成正比。