TIG電弧制備碳化鎢熔覆層組織及性能的研究

楊立軍，孫?濤，王耀偉，黃一鳴

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TIG電弧制備碳化鎢熔覆層組織及性能的研究

楊立軍1, 2，孫?濤1，王耀偉1，黃一鳴1, 2

(1. 天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300350；2. 天津市現(xiàn)代連接技術(shù)重點(diǎn)實驗室，天津 300350)

鐵基材料目前已廣泛應(yīng)用在海洋石油開采、先進(jìn)武器制造等領(lǐng)域，針對其耐磨性差的問題，采用自主研制的藥芯焊絲和鎢極氬弧焊(TIG)制備含有碳化鎢顆粒的熔覆層，利用掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀分析熔覆層的顯微組織，通過硬度測試和磨損實驗研究熔覆層的力學(xué)性能．實驗結(jié)果表明，通過TIG和藥芯焊絲的方式可以制備碳化鎢分布均勻的熔覆層．熔覆層中的碳化鎢顆粒分為未溶解或少量溶解、部分溶解和完全溶解3種狀態(tài)，對應(yīng)的顯微硬度分別為2474.7HV0.1、1456HV0.1和735HV0.1，熔覆層基體的平均硬度為616.6HV0.1．未溶解和部分溶解的碳化鎢顆粒與基體之間發(fā)生元素擴(kuò)散，碳和鎢元素由碳化鎢顆粒內(nèi)部向基體中擴(kuò)散，鐵元素由基體向碳化鎢顆粒中擴(kuò)散，使得碳化鎢與基體之間形成冶金結(jié)合，基體對碳化鎢顆粒起到良好的支撐作用，碳化鎢則保護(hù)基體免受摩擦副的作用，從而提升熔覆層的耐磨性．完全溶解的碳化鎢通過其與基體凝固時形成硬度較高的鑄態(tài)組織來提升基體的耐磨性能．在與GCr15鋼輪對磨的情況下，加載50N的力，實驗1h，熔覆層的磨痕寬度為2.5mm，磨損體積為0.4mm3，僅為母材的1/50．

碳化鎢熔覆層；鎢極氬弧焊；磨損；顯微組織

碳化鎢作為一種耐磨堆焊的常用材料，因其與鐵基材料潤濕性好，熱膨脹系數(shù)小，被廣泛地應(yīng)用在石油工程、軍用裝備等領(lǐng)域．均勻分布的碳化鎢顆粒，可以顯著地提高鐵基材料熔覆層的硬度和耐磨性．

關(guān)于碳化鎢熔覆層的制備，從碳化鎢粉末的利用方式來看，主要有同步送粉[1]、預(yù)制鋪粉[2]和旁送?絲[3]3種方式；從焊接方法來看，主要有激光[4]、等離子弧[5]和鎢極氬弧焊[2]．李福泉等[1]采用同步送粉的形式，研究了碳化鎢含量對激光熔覆層組織的影響.實驗結(jié)果表明，隨著碳化鎢顆粒的增加，熔覆層的硬度顯著提升．英國的Abioye等[6]在Inconel 625中進(jìn)行激光同步送粉和填充鎳基焊絲，通過焊絲來吸收部分激光的熱量，降低碳化鎢的熔解，使得堆焊層中分布著大量的碳化鎢顆粒．范麗等[5]采用等離子弧制備球形碳化鎢增強(qiáng)鐵基復(fù)合層，相比于母材，復(fù)合層的磨損率顯著降低．袁曉波等[7]采用氣體保護(hù)藥芯焊絲堆焊技術(shù)制備耐磨熔覆層，碳化鎢顆粒能夠與周圍鐵基體形成抗磨體系，有效地降低熔覆層的磨損量.

相比于激光[8]、等離子弧等方法，鎢極氬弧焊(TIG)具有操作簡單、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)，并且熱輸入少，可適當(dāng)?shù)販p少碳化鎢的溶解[9]．本研究利用自主研制的碳化鎢藥芯焊絲和鎢極氬弧焊制備碳化鎢顆粒分布均勻的熔覆層，分析其中的組織以及耐磨?性能．

1?實驗材料及方法

實驗中，焊絲填充粉末為球形鑄造碳化鎢顆粒，直徑在100μm左右．粉芯絲材外皮選用H08A低碳鋼帶，成分如表1所示．焊絲直徑為1.6mm，填充率為45%．母材為150mm×80mm×8mm的Q345?鋼板．

表1 ?H08A成分

Tab.1? Composition of H08A %

TIG焊鎢極直徑為3.2mm，采用直流正接方式，焊前打磨鋼板，除去表面油污及鐵銹．電流為140A，電壓為13V，焊接速度為0.06m/min，氣體流量15L/min．焊后用電火花線切割機(jī)將試件切下來進(jìn)行組織分析，先用500#、1000#、1500#和2000#的砂紙打磨，然后在拋光機(jī)上拋光，使用4%的硝酸酒精溶液腐蝕試樣表面．利用帶能譜儀的熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡JSM-7800F進(jìn)行組織觀察和元素分析．用X射線衍射儀Bruker D8 Advanced(銅靶)進(jìn)行物相分析．采用Wilson 432SVD硬度儀沿著焊縫向母材方向進(jìn)行維氏硬度測試，加載10s 100的力．

磨損實驗前，先將試樣加工成尺寸為7mm×7mm×25mm的樣品，其中7mm×25mm的熔覆層表面為摩擦面．在MM-200磨損機(jī)下進(jìn)行磨損實驗，摩擦副為直徑43mm的GCr15輪，轉(zhuǎn)速200r/min，加載力為50N，時間60min．磨損后用讀數(shù)顯微鏡測量磨痕的寬度，再利用標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12444.2—2006[10]提供的公式計算出磨損體積．采用ZEISS Smartzoom 5 超景深三維智能顯微鏡觀察磨損形貌．

2? 實驗結(jié)果與討論

2.1? 組織形貌

TIG電弧熔覆得到的熔覆層宏觀形貌如圖1所示．熔寬為8mm，余高為4mm，熔深很?。娀〉拇蟛糠帜芰慷急缓附z吸收，形成熔覆金屬，母材得到的電弧的熱輸入很少．從圖中可以看到碳化鎢顆粒在熔覆層中分布比較均勻．

圖1 ?熔覆層的宏觀形貌

圖2為熔覆層的XRD測試結(jié)果，從圖中看出，熔覆層中主要分布的是WC、W2C和Fe3W3C 3種相．碳化鎢在焊接過程中的溶解為

但是在熔覆層的組織中幾乎觀察不到W2C的存在，因為它與基體中的鐵元素反應(yīng)生成了Fe3W3C[11]，即

圖2 ?熔覆層的XRD分析

根據(jù)低倍數(shù)下掃描電鏡的觀察結(jié)果(見圖3(a))顯示，除了熔覆層的基體組織外，碳化鎢顆粒的形態(tài)可以分成3類：未溶解或少量溶解的碳化鎢顆粒(見圖3(b))、部分溶解的碳化鎢顆粒(見圖3(c))以及碳化鎢完全溶解后與基體形成的蛛網(wǎng)狀組織(見圖3(d)).根據(jù)表2中的能譜分析結(jié)果，圖3(b)中處的能譜顯示為75%的W元素和25%的C元素，并且保持著碳化鎢顆粒的原始形貌．圖3(c)顯示的是部分溶解的碳化鎢顆粒，這是一個亞穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)．中心處保持著與原始碳化鎢顆粒近似的組成成分，如表2所示，含有68.55%的鎢、29.07%的碳和2.38%的鐵，只有少量的鐵元素擴(kuò)散到中心處．

盡管碳化鎢的熔點(diǎn)在2360～2460℃[12]，電弧的溫度足夠高時仍然會造成碳化鎢的溶解．在電弧熱的作用下，完全分解的碳化鎢與基體快速凝固，形成蛛網(wǎng)狀的鑄態(tài)組織，如圖3(d)所示．同純金屬的結(jié)晶過程一樣，這個過程也需要經(jīng)過形核和長大．從圖3(e)中可以看到熔覆層中分布細(xì)小的Fe3W3C相(處)，它的熔點(diǎn)在1548～1637℃，高于基體的熔點(diǎn)．圖3(e)的處所示為熔覆層的基體，根據(jù)能譜的結(jié)果顯示，大部分為鐵元素，伴有少量的鎢元素和碳元素．圖3(f)為放大30000倍下的鑄態(tài)組織掃描圖，可以看到蛛網(wǎng)狀組織的最小的單位結(jié)構(gòu)，即樹枝狀組織．據(jù)此，可以推斷：當(dāng)熔池由液態(tài)凝固時，熔點(diǎn)較高的Fe3W3C相先析出，以之為形核質(zhì)點(diǎn)，呈現(xiàn)出樹枝晶的連續(xù)長大機(jī)制；多個樹枝晶連在一起，形成蛛網(wǎng)狀的組織．根據(jù)表2的能譜結(jié)果顯示，圖3(f)中呈現(xiàn)亮白色的組織(處)為Fe3W3C，而暗黑色的相(處)中絕大部分元素為鐵．因為枝晶與枝干的化學(xué)成分不同，枝干先結(jié)晶，含高熔點(diǎn)的鎢較多，腐蝕時不易浸蝕，呈亮白色；而枝干間含有較多的鐵元素，容易浸蝕，呈暗黑色．

表2 ?圖3中各點(diǎn)的能譜結(jié)果

Tab.2? EDS results of the spots in Fig.3

圖4為未溶解的碳化鎢顆粒與基體之間的界面和元素的線掃描分析．從線掃描結(jié)果來看，在圖4(a)所示的碳化鎢顆粒周圍有1個約1～2mm的過渡層，過渡層處發(fā)生元素的擴(kuò)散，即W和C元素從碳化鎢顆粒中擴(kuò)散到基體中，F(xiàn)e元素從基體中逐漸向碳化鎢顆粒中擴(kuò)散．元素的擴(kuò)散也證明了碳化鎢顆粒與周圍基體是冶金結(jié)合，而非直接鑲嵌在基體中.當(dāng)碳化鎢處于部分溶解狀態(tài)時(見圖3(c))，過渡層的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，由原來的1～2mm擴(kuò)展到20mm左右．碳化鎢內(nèi)部的鎢元素向熔覆層基體的擴(kuò)散阻礙了鐵元素由基體向碳化鎢內(nèi)部的擴(kuò)散，所以過渡層中的鐵元素明顯增多，鎢元素急劇下降，碳的含量略有提升．再向外延，碳化鎢顆粒的四周已經(jīng)被分解得支離破碎，看不到原始的形態(tài)．

2.2 ?硬?度

圖5(a)為不同組織下的硬度值，熔覆層基體的平均硬度為616.6HV0.1，碳化鎢完全溶解后與基體形成的鑄態(tài)組織的硬度為735HV0.1，部分溶解的碳化鎢的硬度為1456HV0.1，而未溶解的碳化鎢的平均硬度達(dá)到2474.7HV0.1．圖5(b)為熔覆層的硬度分布，測量時選取熔覆層上的20個點(diǎn)，間隔0.3mm測量?1次．

圖5(b)中方框所示的是未溶解碳化鎢的硬度，圓框所示為部分溶解碳化鎢的硬度，其余的硬度測試點(diǎn)均在熔覆層的基體和碳化鎢完全溶解后與基體形成的鑄態(tài)組織．溶解的碳化鎢與基體由液態(tài)快速凝固時形成了在基體中彌散分布的硬質(zhì)相Fe3W3C，使得熔覆層的硬度顯著提升．而部分溶解的碳化鎢顆粒盡管周圍溶解，中心部分仍保持原始碳化鎢的形態(tài)，硬度介于未溶解碳化鎢的硬度與完全溶解碳化鎢的硬度值之間．未溶解的碳化鎢顆粒因其自身硬度高，維持在2474HV0.1左右．高硬度的未溶解的碳化鎢顆粒對基體起到了良好的保護(hù)作用，可以降低熔覆層的磨損．

圖4? 未溶解的碳化鎢顆粒與基體界面的元素分布

圖5 ?熔覆層的硬度分布

2.3 ?磨損實驗及磨損機(jī)制分析

根據(jù)磨損實驗后的磨痕寬度和式(3)[10]計算出磨損體積

式中：k為磨損體積，mm3；為摩擦副直徑，mm；為磨痕平均寬度，mm；為試樣寬度，mm．

如圖6(a)所示，在前文所述的磨損條件下，母材Q345鋼板的磨痕寬度為9mm，磨損體積20mm3，磨損表面主要是粗大的劃痕和梨溝(見圖6(c))，產(chǎn)生了較大的塑性變形．因為Q345母材的組織主要是由條帶狀的珠光體和鐵素體構(gòu)成，硬度較低，不含任何抵抗磨損的硬質(zhì)顆粒，耐磨性差．熔覆層的平均磨痕寬度為2.5mm(見圖6(b))，磨損體積為0.4mm3，是母材的1/50．

含有碳化鎢顆粒的熔覆層，相比于母材，其耐磨性顯著提升．根據(jù)磨損實驗結(jié)果分析，碳化鎢顆粒熔覆層耐磨性的提升主要是依靠“陰影效應(yīng)”和“支撐效應(yīng)”．“陰影效應(yīng)”是指當(dāng)熔覆層表面受到摩擦副的作用時，發(fā)生塑性變形，逐漸下凹，碳化鎢顆粒凸起并承受摩擦副的沖擊和切削，保護(hù)其陰影下的基體材料．“支撐效應(yīng)”是指碳化鎢顆粒與基體結(jié)合，基體對碳化鎢顆粒起到支撐作用．在“陰影效應(yīng)”和“支撐效應(yīng)”共同作用下，熔覆層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性[13]．

如圖6(d)所示，磨損后的熔覆層表面觀察到少量的部分脫落的碳化鎢顆粒和一些細(xì)的劃痕．少量的碳化鎢在磨損時會脫落，而脫落的顆粒會像刀具一樣在涂層表面進(jìn)行切削，留下一些細(xì)的劃痕．圖6(e)沒有觀察到劃痕，說明碳化鎢和基體結(jié)合的牢固，并且基體對碳化鎢起到了強(qiáng)烈的支撐作用．當(dāng)摩擦副作用在基體時，基體隨著時間慢慢下凹，分布在熔覆層中的碳化鎢顆粒逐漸顯露出來，使得基體免受摩擦副的影響．

從磨損的機(jī)制來看，在母材的磨損過程中，主要是黏著磨損機(jī)制起作用．摩擦副與母材Q345剛接觸時，在接觸點(diǎn)處產(chǎn)生固相黏著．隨著摩擦副的轉(zhuǎn)動，兩摩擦表面發(fā)生相對運(yùn)動，黏著點(diǎn)受到剪切力的作用，引起母材的塑性變形；而后又會形成新的黏著點(diǎn)，在如此往復(fù)的過程中，材料逐漸被磨損，表面形成粗大的劃痕和梨溝．在碳化鎢熔覆層的磨損過程中，主要是磨粒磨損機(jī)制，同時還參雜著少量的氧化黏著磨損．摩擦副剛接觸到熔覆層時，會有黏著磨損產(chǎn)生，但是熔覆層的硬度高于母材，本身就有一定抵抗磨損的能力[14]．將表面的熔覆層磨損掉，碳化鎢顆粒開始暴露出來．根據(jù)圖3所示，未溶解和部分溶解的碳化鎢顆粒與基體之間都存在過渡層，在過渡層中發(fā)生原子的擴(kuò)散，使得碳化鎢顆粒與基體緊密結(jié)合，基體對碳化鎢顆粒起到支撐作用，而碳化鎢顆粒起到強(qiáng)大的保護(hù)效果，抵抗GCr15鋼輪對熔覆層的作用．

圖6(f)為磨損后的碳化鎢顆粒的元素分析．根據(jù)能譜結(jié)果，除了鐵、鎢、碳元素，磨損后的碳化鎢顆粒還含有氧元素．按照原子比例顯示，處含有56.55%的氧元素和38.36%的鐵元素，可以推斷碳化鎢顆粒中黑色區(qū)域的成分為氧化鐵．當(dāng)碳化鎢受到摩擦副長時間的作用下，顆粒會遭到一定的損害，裸露出的鐵原子與空氣中的氧原子結(jié)合，生成氧化鐵．

3?結(jié)?論

(1) 通過TIG填充藥芯焊絲的方式，可以獲得碳化鎢顆粒分布均勻的熔覆層．

(2) 在碳化鎢熔覆層中，碳化鎢存在著未溶解或少量溶解、部分溶解和完全溶解3種狀態(tài)．完全溶解的碳化鎢與基體快速凝固時，形成蛛網(wǎng)狀的鑄態(tài)組織．少量溶解和部分溶解的碳化鎢作為硬質(zhì)相使熔覆層的硬度顯著提升，完全溶解的碳化鎢則與基體共同形成Fe3W3C使得熔覆層硬度提升．

(3) 均勻分布的碳化鎢顆粒與周圍基體達(dá)到冶金結(jié)合，對熔覆層起到了良好的增強(qiáng)保護(hù)作用，使得熔覆層的耐磨性顯著提升，在60min、50N的磨損條件下，磨損體積是母材的1/50．

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Microstructure and Mechanical Properties of WC Cladding Layer Made by TIG Welding

Yang Lijun1, 2，Sun Tao1，Wang Yaowei1，Huang Yiming1, 2

(1. School of Materials Science and Engineering，Tianjin University，Tianjin 300350，China；2. Tianjin Key Laboratory of Advanced Joining Technology，Tianjin 300350，China)

Iron-based materials have been widely used in offshore oil exploration，advanced weapons manufactur-ing，and other fields. In order to solve the problem of the poor wear resistance of iron matrix materials，a coating containing tungsten carbide particles was prepared by means of a self-developed flux-cored wire and tungsten inert gas (TIG) welding. The microstructure of the coating was analyzed by scanning electron microscopy and X-ray diffractometry. Mechanical properties of the coating were studied with hardness and wear tests. The experimental results showed that uniform distribution of the tungsten carbide cladding layer could be prepared by TIG welding and flux-cored wire. Tungsten carbide particles in the cladding layer can be divided into three states：undissolved or slightly dissolved, partially dissolved, and completely dissolved. Corresponding microhardnesses would be 2474.7 HV0.1，1456 HV0.1，and 735 HV0.1，respectively. The average hardness of the matrix of the cladding layer was 616.6 HV0.1. Element diffusion occurred between undissolved and partially dissolved tungsten carbide particles and matrix. Carbon and tungsten elements diffused from the tungsten carbide particles to the matrix，while the iron diffused from the substrate to the tungsten carbide. The formation of a metallurgical combination between the tungsten carbide particles and matrix allowed the matrix to better support the particles. Tungsten carbide protected the matrix from the frictional effect of the pairing，thereby improving the wear resistance of the cladding layer. Fully dissolved tungsten carbide can improve the wear resistance of the matrix by forming a cast structure with a higher hardness when solidifying with the matrix. In the case of grinding with a GCr15 steel wheel，a force of 50 N was loaded. After 1 h，the width of the wear mark of the cladding layer was 2.5 mm and the wear volume was 0.4 mm3，or just 1/50 of the base metal.

WC cladding layer；tungsten inert gas(TIG)；wear；microstructure

TG442

A

0493-2137(2019)08-0829-07

10.11784/tdxbz201811063

2018-11-22；

2018-12-05.

楊立軍（1966—??），男，博士，教授.

楊立軍，yljabc@tju.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51875403).

the National Natural Science Foundation of China(No.51875403).

(責(zé)任編輯：田?軍)