等離子熔覆Fe-Cr-C合金涂層工藝優(yōu)化及性能研究

李響，來佑彬，楊波，王冬陽，孫銘含，吳海龍，苑仁月，孫世杰，于錦

等離子熔覆Fe-Cr-C合金涂層工藝優(yōu)化及性能研究

李響，來佑彬，楊波，王冬陽，孫銘含，吳海龍，苑仁月，孫世杰，于錦

（沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，沈陽 110866）

目的采用等離子熔覆技術(shù)在Q235鋼表面制備Fe-Cr-C合金熔覆層，提高基材表面的硬度和耐磨性。方法通過正交試驗(yàn)確定最佳工藝參數(shù)，用SEM、EDS、XRD分析熔覆層的組織結(jié)構(gòu)和物相，用顯微硬度計(jì)和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試熔覆層的硬度和耐磨性。結(jié)果工作電流和送粉速度對(duì)等離子熔覆層的硬度和磨損量的綜合影響最為顯著，最佳工藝參數(shù)為：工作電流110 A，掃描速度110 mm/min，送粉速度6 r/min，搭接率40%，離子氣流量1 L/h。熔覆層硬質(zhì)相為(Cr,Fe)7C3，其余物相為γ-Fe、(Fe,Cr)、(Fe,Ni)、(Fe,C)、(Fe,Ni)23C6、Cr7C3、Ni3Si、Fe3Mo、Fe2Nb。最優(yōu)參數(shù)試樣熔覆層的平均顯微硬度為545.1HV0.5，比Q235鋼基體的硬度高3倍左右。經(jīng)過5 h摩擦磨損試驗(yàn)后，其總磨損量為0.25 g，比基體磨損量減少約2/3；磨損體積為45.09 mm3，約為基體磨損體積的1/3；磨損率為1.22×10?4mm3/(N·m)，約為基體磨損率的1/3；摩擦系數(shù)為0.23，約為基體摩擦系數(shù)的1/2。結(jié)論在Q235鋼基體表面采用等離子熔覆技術(shù)制備出Fe-Cr-C合金熔覆層，其硬度和耐磨性能得到顯著提升。

等離子熔覆；Fe-Cr-C合金熔覆層；Q235鋼；正交試驗(yàn)；摩擦磨損；顯微硬度

機(jī)械零部件在工作中會(huì)受到強(qiáng)烈的摩擦磨損作用，導(dǎo)致其服役壽命急劇降低，提高機(jī)械零部件材料的耐磨性能，是材料科學(xué)研究的重點(diǎn)[1-2]。近年來，許多研究者利用激光熔覆[3-5]、等離子熔覆[6-8]等表面處理技術(shù)，對(duì)改善材料的表面性能進(jìn)行了大量的研究。其中，等離子熔覆技術(shù)不僅具有表面修復(fù)和強(qiáng)化等功能，還具有冷卻速度快、試樣熱變形小、熔覆層內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)缺陷少、熔覆層與基體結(jié)合強(qiáng)度高、設(shè)備操作簡單、成本較低等優(yōu)點(diǎn)[9-11]。目前，等離子熔覆常用的材料為鈷基、鎳基和鐵基等自熔性合金材料，鐵基合金材料由于其組成變化范圍廣、成本低、耐磨性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已成為使用最廣泛的熔覆材料[12]。其中，過共晶Fe-Cr-C熔覆材料含有大量的M7C3碳化物，具有很高的硬度，特別適用于磨損嚴(yán)重的環(huán)境[13]。近年來，為了加強(qiáng)Fe-Cr-C系熔覆層的性能，研究人員主要針對(duì)開發(fā)具有不同成分的過共晶高鉻鑄鐵熔覆材料，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[14-15]。賈華等[16]在Q235鋼表面堆焊了Fe-Cr-C-B耐磨合金，其堆焊層由馬氏體、少量殘余奧氏體、M3(C,B)、M23(B,C)6和M7(C,B)3組成，堆焊層的硬度及耐磨性得到有效改善。楊健等[17]制備了新型中碳Fe-Cr-C合金藥芯焊絲，其堆焊層的顯微組織主要包括高合金馬氏體、普通馬氏體、殘余奧氏體及M7C3型和MC型碳化物，堆焊層擁有良好的硬度和耐磨性能。劉政軍等[18]在低碳鋼表面堆焊了Fe-Cr-C-B-N系合金，結(jié)果表明，堆焊層的顯微組織為馬氏體、奧氏體、BN、M23(C,B)6、M3(C,B)、M2B，堆焊層的硬度和耐磨性得到改善。目前，F(xiàn)e-Cr-C合金涂層在具有高性能的同時(shí)，涂層中的硬質(zhì)相在應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生裂紋或脫落，導(dǎo)致其壽命降低。該問題可以從兩方面入手：一是優(yōu)化合金粉末中的元素含量；二是優(yōu)化熔覆過程中的工藝參數(shù)。然而，針對(duì)Fe-Cr-C合金粉末元素含量的優(yōu)化研究較多，對(duì)于Fe-Cr-C系熔覆工藝優(yōu)化的研究則相對(duì)較少。

本文所采用的Fe-Cr-C熔覆材料中含有Nb、Mo等貴金屬，可以更好地促進(jìn)碳化物的析出以及初生碳化物含量的提高。利用等離子熔覆技術(shù)在Q235鋼基體表面制備合金熔覆層，以硬度和磨損量為指標(biāo)，工作電流、掃描速度、送粉速度、搭接率和離子氣流量為試驗(yàn)因素，對(duì)等離子熔覆Fe-Cr-C合金涂層的最佳工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過掃描電鏡（SEM）、能譜儀（EDS）和X射線衍射儀（XRD）分析熔覆層的組織結(jié)構(gòu)和物相，通過顯微硬度和摩擦磨損試驗(yàn)研究熔覆層的耐磨性。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用100 mm×100 mm×10 mm的Q235鋼板作為基材，其化學(xué)成分含量如表1所示。Fe-Cr-C合金粉末的成分含量如表2所示，其顯微形貌見圖1。試驗(yàn)前對(duì)鋼板表面進(jìn)行打磨，并用丙酮溶液擦拭，去除表面氧化層和油污[19]。

表1 Q235鋼的化學(xué)成分

Tab.1 Chemical composition of Q235 steel wt.%

表2 Fe-Cr-C合金粉末的化學(xué)成分

Tab.2 Chemical composition of Fe-Cr-C alloy powder wt.%

圖1 Fe-Cr-C自熔性合金粉末SEM顯微形貌

1.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)表3選定的工藝參數(shù)，采用正交試驗(yàn)的方法，通過DML-02BD等離子焊機(jī)進(jìn)行了16組多道搭接等離子熔覆試驗(yàn)，試件如圖2所示，熔覆長度為60 mm。用線切割在每個(gè)試件的中部切取試樣（尺寸為18 mm×12 mm×10 mm），并對(duì)其熔覆層截面進(jìn)行打磨、拋光，用4%硝酸乙醇溶液腐蝕60 s，清理烘干備用。

用VHX-5000超景深顯微鏡和MIRA3-XMH掃描電子顯微鏡觀察試樣熔覆層的顯微結(jié)構(gòu)和分布，通過能譜分析系統(tǒng)測(cè)定顯微結(jié)構(gòu)的元素組成。用Rigaku UItima IV型X射線衍射儀測(cè)定試樣熔覆層的物相，試驗(yàn)電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描步長為0.02°，掃描范圍為10°~90°。

表3 試驗(yàn)中的工藝參數(shù)

Tab.3 Process parameters in the experiment

圖2 等離子熔覆16組多道搭接試驗(yàn)樣件

用HXD-1000TMC/LCD維氏硬度儀，測(cè)量試樣熔覆層的顯微硬度，測(cè)量點(diǎn)縱向間隔0.2 mm，試驗(yàn)載荷為4.903 N，加載10 s，測(cè)量結(jié)果取平均值。用MRH-3環(huán)塊磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)出熔覆層的摩擦系數(shù)，摩擦副是硬度為733.1HV0.5的GCr15圓環(huán)，試驗(yàn)載荷為200 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，單次試驗(yàn)時(shí)間為60 min，每個(gè)試樣試驗(yàn)5次。用JCS-W電子天平對(duì)試樣進(jìn)行稱量，并計(jì)算試樣磨損量。用VHX-5000超景深顯微鏡掃描試樣的磨損表面，得出試樣表面的磨痕形貌和磨損體積，并計(jì)算體積磨損率[20]，如式(1)所示。

式中：r為樣品的體積磨損率（mm3/(N·m)）；為樣品的磨損體積（mm3）；為載荷（N）；為滑動(dòng)距離（m）。

2 結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)優(yōu)化

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及測(cè)量結(jié)果如表4所示，硬度取試樣熔覆層硬度的平均值，磨損量取試樣300 min總磨損失重，結(jié)合極差分析和綜合評(píng)分法，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化。本試驗(yàn)將硬度和磨損量兩個(gè)指標(biāo)轉(zhuǎn)化成隸屬度，計(jì)算方法如下[21]：

式中：()為指標(biāo)隸屬度，為指標(biāo)值，min為指標(biāo)最小值，max為指標(biāo)最大值。由公式(2)可知，指標(biāo)最小值對(duì)應(yīng)的(min)為0，指標(biāo)最大值對(duì)應(yīng)的(max)為1。

表4 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

Tab.4 Orthogonal test design and results

為了提高試樣的耐磨性能，硬度指標(biāo)的要求是硬度值越大越好，而磨損量指標(biāo)的要求是磨損失重越小越好，則只需要對(duì)磨損量指標(biāo)隸屬度按照公式(3)進(jìn)行修正，使磨損量最大值的指標(biāo)隸屬度為0，最小值的指標(biāo)隸屬度為1，作為磨損量指標(biāo)的最終隸屬度′()。由于硬度和磨損量兩個(gè)指標(biāo)對(duì)于試樣熔覆層耐磨性能的重要性相同，將兩個(gè)指標(biāo)的隸屬度相加得出綜合分?jǐn)?shù)，并將綜合分?jǐn)?shù)作為總指標(biāo)進(jìn)行極差分析。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，工作電流和送粉速度對(duì)硬度和磨損量的綜合影響最顯著，最佳工藝參數(shù)組合為：工作電流110 A，掃描速度110 mm/min，送粉速度6 r/min，搭接率40%，離子氣流量1 L/h。采用該參數(shù)熔覆試樣S17，其表面形貌如圖3所示。

2.2 熔覆層物相分析

圖4為S2、S9、S17三組試樣熔覆層的XRD衍射圖譜，其中S2為綜合分?jǐn)?shù)最低的試樣，S9為綜合分最高的試樣。由譜圖衍射峰強(qiáng)度可知，(Cr,Fe)7C3是涂層主要硬質(zhì)相[22-23]，Cr7C3硬質(zhì)相含量較少，試樣熔覆層的物相還有γ-Fe組織，固溶體(Fe,Cr)、(Fe,Ni)、(Fe,C)，碳化物(Fe,Ni)23C6，金屬間化合物Ni3Si、Fe3Mo、Fe2Nb[24-25]。原始粉末在等離子束的作用下溶解，γ-Fe組織不斷析出，各元素原子在熔池中發(fā)生互溶，生成固溶體(Fe,Cr)、(Fe,Ni)、(Fe,C)，同時(shí)熔覆層中金屬碳化物大量析出，形成(Cr,Fe)7C3、(Fe,Ni)23C6，隨著各析出元素濃度的不斷提高，熔池中液相溶質(zhì)原子發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成了Cr7C3、Ni3Si、Fe3Mo、Fe2Nb。

圖4 3組等離子熔覆Fe-Cr-C合金的XRD對(duì)比

2.3 熔覆層組織結(jié)構(gòu)分析

圖5為S17等離子熔覆層SEM顯微形貌。由圖5a—c可知，硬質(zhì)相在熔覆層中呈縱向梯度分布，頂部含量較少，中部大量富集，而到了下部又有所減少。S9與S2中部熔覆層的SEM顯微結(jié)構(gòu)如圖6所示，與S17對(duì)比可知，S17熔覆層中的物相分布更均勻致密。圖7為S17熔覆層中部微區(qū)SEM放大圖，其各點(diǎn)EDS結(jié)果如表5所示。根據(jù)EDS結(jié)果及結(jié)合XRD結(jié)果可知，熔覆層中灰色大片區(qū)域A為γ-Fe組織，深灰色條狀相B主要富集Fe、Cr等元素，且在熔覆層中大量彌散分布，分析推測(cè)B為(Cr,Fe)7C3，是熔覆層的主要硬質(zhì)相，在其周圍生長著少量(Fe,Ni)23C6。隨著溶質(zhì)原子濃度增加，熔池中液相溶質(zhì)逐漸靠近共晶成分，共晶轉(zhuǎn)變后生成Cr7C3硬質(zhì)相。在各晶粒間散亂分布著淺灰色形狀不規(guī)則的相C、灰白色長條狀相D和亮白色的點(diǎn)狀相E，其中Si、Nb和Mo分別為它們的主要元素，隨著共晶轉(zhuǎn)變現(xiàn)象的發(fā)生，在熔池冷卻過程中逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)镹i3Si、Fe2Nb和Fe3Mo。

圖5 S17的SEM顯微結(jié)構(gòu)

圖6 S9與S2的SEM顯微結(jié)構(gòu)

圖7 S17熔覆層中部SEM微區(qū)放大圖

表5 S17熔覆層EDS分析結(jié)果

Tab.5 EDS analysis of S17 cladding coating wt.%

2.4 摩擦磨損性能分析

2.4.1 顯微硬度分析

圖8為S2、S9、S17熔覆層顯微硬度的分布圖。由圖8可知，Q235鋼基體的顯微硬度較低，平均為169.7HV0.5，三組熔覆層的硬度均有所提升，且呈中間高、兩端低的趨勢(shì)。熔覆層中部顯微硬度較高，是因?yàn)槿鄹矊又胁坑操|(zhì)相分布更致密，熔覆過程中的細(xì)晶強(qiáng)化作用更明顯，而在熔覆層底部析出的元素受到基體材料的稀釋作用較大，導(dǎo)致其含量降低，硬度值也隨之降低。由于S17熔覆層中部硬質(zhì)相(Cr,Fe)7C3和Cr7C3的析出量較多，Cr、Si、Nb和Mo等元素含量也較多，起到的固溶強(qiáng)化作用較明顯，導(dǎo)致其熔覆層硬度較大，其顯微硬度平均為545.1HV0.5，比基體提高了約3倍。

圖8 三組等離子熔覆層顯微硬度分布圖

2.4.2 耐磨性能分析

圖9為S2、S9、S17與基體S0的摩擦系數(shù)與磨損時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖9可知，試樣摩擦系數(shù)隨時(shí)間變化而逐漸升高，1500 s后波動(dòng)較大。這與摩擦磨損過程中試樣表面狀態(tài)的變化以及熔覆層中硬質(zhì)相的含量有關(guān)。在摩擦磨損初期，熔覆層中硬質(zhì)相的含量較少，且表面質(zhì)量不光滑，施加的載荷將造成熔覆層表面產(chǎn)生塑性形變，摩擦環(huán)會(huì)與熔覆層表面發(fā)生撞擊、擠壓，破壞硬質(zhì)相的阻礙而產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而且摩擦磨損產(chǎn)生的大量磨屑堆積在試樣熔覆層和摩擦環(huán)表面，起到了磨料的作用。該階段摩擦系數(shù)迅速增大，單位時(shí)間內(nèi)試樣磨損量較大，是金屬材料典型的磨合特性。隨著磨損的進(jìn)行，熔覆層中的硬質(zhì)相增多，對(duì)磨損的阻礙作用增大，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性變差，摩擦系數(shù)曲線的波動(dòng)性變大。由于S17覆層中硬質(zhì)相的分布更加均勻，因此摩擦系數(shù)的穩(wěn)定性最佳。四組試樣的摩擦系數(shù)見表6，由表可知S17的摩擦系數(shù)為0.23，約為基體摩擦系數(shù)的1/2。

圖9 摩擦系數(shù)與磨損時(shí)間的關(guān)系曲線

圖10為S0、S2、S9、S17磨損5 h后的表面磨痕形貌。對(duì)比四組試樣可知，與S0相比，S2、S9、S17的磨痕深度均變小，熔覆層表現(xiàn)出較好的耐磨性。由表6可知，S17的磨損體積和磨損率r均是最小的，由此可見，最優(yōu)參數(shù)試樣具有優(yōu)異的耐磨性能。

表6 四組試樣的摩擦學(xué)性能

Tab.6 Tribological performance of the four specimens

圖10 摩擦磨損試驗(yàn)5 h后四組試樣表面磨痕形貌

3 結(jié)論

1）工作電流和送粉速度對(duì)等離子熔覆層的硬度和磨損量的綜合影響最為顯著，最佳工藝參數(shù)組合為：工作電流110 A，掃描速度110 mm/min，送粉速度6 r/min，搭接率40%，離子氣流量1.0 L/h。

2）等離子熔覆Fe-Cr-C合金涂層主要硬質(zhì)相為(Cr,Fe)7C3，其余物相為γ-Fe、(Fe,Cr)、(Fe,Ni)、(Fe,C)、(Fe,Ni)23C6、Cr7C3、Ni3Si、Fe3Mo、Fe2Nb。

3）最優(yōu)參數(shù)試樣熔覆層的平均顯微硬度達(dá)545.1HV0.5，比基體硬度提升了3倍左右。經(jīng)過5 h的磨損試驗(yàn)，最優(yōu)參數(shù)試樣總磨損量為0.25 g，與基體相比減少了約2/3；磨損體積為45.09 mm3，約為基體磨損體積的1/3；磨損率為1.22×10?4mm3/(N·m)，是基體磨損率的1/3左右；摩擦系數(shù)為0.23，與基體的摩擦系數(shù)相比減少了約1/2。熔覆層的硬度和耐磨性得到了顯著提高。

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ProcessOptimization and Properties of Fe-Cr-C Alloy Coating Prepared by Plasma Cladding

,,,,,,,,

(School of Engineering, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China)

The work aims to improve the hardness and wear resistance of substrate surface by preparing Fe-Cr-C alloy coating on Q235 steel with plasma cladding. The best process parameters were determined by orthogonal test, the microstructure and phase composition of the cladding coating were investigated by SEM, EDS and XRD, and the microhardness and the wear resistance were tested by hardness micrometer and friction wear testing machine. The working current and feeding speed had the most significant effect on the hardness and wear mass of cladding coating. The optimum combination of process parameters included working current of 110 A, scanning speed of 110 mm/min, powder feeding speed of 6 r/min, overlap rate of 40% and ionic gas flow of 1.0 L/h. In addition, the hard phase of the cladding coating was (Cr,Fe)7C3and the remaining included γ-Fe, (Fe,Cr), (Fe,Ni), (Fe,C), (Fe,Ni)23C6, Cr7C3, Ni3Si, Fe3Mo and Fe2Nb. The average microhardness of the specimen with the optimum process parameters reached 545.1HV0.5, which was enhanced 3 times over that of the Q235 substrate. After 5 hours of friction and wear test, the wear mass was 0.25 g, 2/3 less than that of the substrate. The wear volume was 45.09 mm3, about 1/3 of the substrate. The wear rate was 1.22×10?4mm3/(N·m), about 1/3 of the substrate. The coefficient of friction was 0.23, about 1/2 of the substrate. The hardness and wear resistance of the Fe-Cr-C alloy coating prepared on Q235 steel by plasma cladding technology are improved obviously.

plasma cladding; Fe-Cr-C alloy cladding coating; Q235 steel; orthogonal test; friction and wear; microhardness

2019-12-02；

2020-05-06

LI Xiang (1995—), Male, Master, Research focus: additive manufacturing, friction and wear.

TG174.442

A

1001-3660(2020)06-0177-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2020.06.021

2019-12-02；

2020-05-06

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51605311）；遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目（LSNZD201603）；沈陽市科技局項(xiàng)目（17-231-1-65）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51605311), the Education Department of Liaoning Province Science and Technology Research Key Project (LSNZD201603) and Shenyang Science and Technology Bureau Project (17-231-1-65)

李響（1995—），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃臁⒛Σ聊p。

來佑彬（1988—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)樵霾闹圃臁｀]箱：youbinlai@163.com

Corresponding author：LAI You-bin (1988—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: additive manufacturing. E-mail: youbinlai@163.com

李響, 來佑彬, 楊波, 等. 等離子熔覆Fe-Cr-C合金涂層工藝優(yōu)化及性能研究[J]. 表面技術(shù), 2020, 49(6): 177-184.

LI Xiang, LAI You-bin, YANG Bo, et al. Processoptimization and properties of Fe-Cr-C alloy coating prepared by plasma cladding [J]. Surface technology, 2020, 49(6): 177-184.