碳化鎢顆粒增強(qiáng)鎳基等離子轉(zhuǎn)移弧粉末堆焊層的微觀結(jié)構(gòu)與耐磨性能

余 偉，李玉璽，周伍喜，賀香堅(jiān)，宋 燦

(自貢長城表面工程技術(shù)有限公司，四川 自貢 643000 )

0 前 言

碳化鎢顆粒增強(qiáng)鎳基合金復(fù)合材料在實(shí)際工程中主要作為耐熱、耐磨和耐蝕材料進(jìn)行開發(fā)和利用，國內(nèi)外對其制造工藝和界面等已開展了較多的研究開發(fā)，從基體、增強(qiáng)體、制備工藝、微觀組織、耐磨性能等諸多方面進(jìn)行了基礎(chǔ)性和應(yīng)用性的研究[1-4]。常用的碳化鎢基硬面堆焊材料有鑄造碳化鎢、球形鑄造碳化鎢、粗晶碳化鎢、硬質(zhì)合金球粒等。鑄造碳化鎢(Cast Tungsten Carbide，CTC)是傳統(tǒng)的鎢基硬面材料之一，它是WC和W2C的共晶組織合金，用WC·W2C表示，具有硬度高(2 000 HV0.98 N以上)，熔點(diǎn)高(2 525 ℃)，耐磨性能優(yōu)良的特點(diǎn)[5，6]。球形鑄造碳化鎢(Spherical Cast Tungsten Carbide，SCTC)的化學(xué)成分與鑄造碳化鎢的相同，主要特征是粉末顆粒外觀為球形，具有更高的硬度(2 700 HV0.98 N以上)。粗晶碳化鎢(Macrocrystalline Tungsten Carbide，MTC )是通過特殊工藝生產(chǎn)制備的，其晶粒粗大，碳含量為6.12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，具有較高的硬度(1 700 HV0.98 N)和更高的熱力學(xué)穩(wěn)定性(與鑄造碳化鎢相比)。這3種碳化鎢作為優(yōu)良的硬質(zhì)相，通過氧乙炔堆焊、等離子堆焊、激光熔覆、氧乙炔噴焊等方式廣泛應(yīng)用在耐磨零部件的表面補(bǔ)強(qiáng)方面。在以往的研究中，研究較多的鎳基材料是NiCrBSi系的Ni60牌號，而對NiBSi系鎳基材料研究不多。本工作以3種碳化鎢顆粒增強(qiáng)鎳基材料(NiBSi)焊層為研究對象，考察了對應(yīng)焊層的微觀結(jié)構(gòu)和焊層的耐磨性能。

等離子轉(zhuǎn)移弧 (Plasma Transferred Arc ，簡稱PTA)粉末堆焊自20世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來，應(yīng)用日益廣泛。PTA堆焊具有稀釋率低、熔深淺的優(yōu)點(diǎn)，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化、自動化。采用的粉末主要有Ni基粉、Co基粉、Fe基粉、碳化鎢基復(fù)合粉。而作為耐磨材質(zhì)之一的碳化鎢與鎳基粉的復(fù)合粉尤其得到大家的青睞，應(yīng)用領(lǐng)域有礦山機(jī)械、采掘、盾構(gòu)、石油鉆探、農(nóng)機(jī)具、化工等領(lǐng)域[7]。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 3種碳化鎢粉末材料

本試驗(yàn)選用了3種碳化鎢粉末材料作為硬質(zhì)相，其化學(xué)成分和物理性能指標(biāo)見表1，顆粒形貌見圖1。

表1 3種碳化鎢的化學(xué)成分和物理性能指標(biāo)Table 1 Chemical composition and physical properties of three tungsten carbides

鎳基自熔合金粉(NiBSi)為氣霧化粉。化學(xué)成分見表2，其形貌大部分為類球形，見圖2。粒度為100～270目，硬度為38～42 HRC。

表2 NiBSi化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 2 NiBSi chemical composition (mass fraction) %

試驗(yàn)用料為碳化鎢粉與鎳基粉(NiBSi)的混合粉末，采用機(jī)械混合均勻，質(zhì)量比為WC∶NiBSi=6∶4。粉末標(biāo)號見表3。

表3 3種堆焊粉及編號Table 3 Three kinds of surfacing powder and their number

1.2 PTA堆焊層的制備

采用司太立公司等離子堆焊設(shè)備，型號為STARWELD PTA COATING STAR I，等離子焊槍型號是HPM602。氬氣既作等離子氣體，又作送粉載氣和保護(hù)氣。堆焊基體為45鋼，尺寸為100 mm×50 mm×10 mm，基體表面用砂輪打磨除銹，并打磨平整，堆焊層尺寸為80 mm×30 mm，厚度為2～3 mm。堆焊基體與堆焊層采用同樣的堆焊工藝參數(shù)，見表4。

表4 PTA堆焊工藝參數(shù)Table 4 Process parameters of PTA surfacing welding

1.3 截面金相組織

用STRUERS制樣儀器將試樣塊切割、鑲樣、精磨和拋光，然后將制備好的焊層截面樣塊用Leica 5000M金相顯微鏡觀察焊層相組織、焊層中硬質(zhì)相的分布及焊層缺陷等。

1.4 焊層磨粒磨損試驗(yàn)

將焊層樣塊切割，并制成尺寸為57 mm×26 mm×6 mm磨損樣塊用于磨粒磨損測試。試驗(yàn)機(jī)為MSL-40硬質(zhì)合金耐磨強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，其原理示意圖如圖3所示。主要參數(shù)為鋼輪(1 000轉(zhuǎn))，載荷196 N，Al2O3顆粒磨料(30目)。通過研究磨損前后失重情況來完成對樣塊磨粒磨損性能評價(jià)。

1.5 磨粒磨損SEM分析

利用ZEISS EVO 18掃描電鏡對磨損后的樣塊進(jìn)行分析，分析磨粒磨損對焊層的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 焊層金相及焊層質(zhì)量分析

判斷含有硬質(zhì)相顆粒的焊層質(zhì)量一般有以下幾個(gè)方面：焊層與基體的結(jié)合情況、焊層中的缺陷(裂紋、孔洞、孔隙)、硬質(zhì)相的分布、硬質(zhì)相的溶解程度等。本工作選用了3種碳化鎢粉末作為硬質(zhì)相，采用表4的堆焊參數(shù)，獲得堆焊層的截面金相形貌如圖4所示。

從圖4看出采用PTA制備的1號、2號、3號焊層的硬質(zhì)相WC顆粒均分布均勻，并保持原有的顆粒形貌，未出現(xiàn)硬質(zhì)相明顯“下沉”現(xiàn)象,也沒有縱向或橫向裂紋，表明PTA堆焊工藝參數(shù)控制比較合理，從焊層金相視場看，1號、2號、3號焊層質(zhì)量較為理想。其中，3號焊層中的少量球形鑄造碳化鎢顆粒外圓出現(xiàn)了顆粒增大的現(xiàn)象，即顆?！氨砻鏉⑸ⅰ爆F(xiàn)象。

2.2 焊層中硬質(zhì)相顆粒的硬度

檢測了3個(gè)焊層中硬質(zhì)相的硬度，發(fā)現(xiàn)焊層中的硬質(zhì)相顆粒維氏硬度與對焊前的粉末顆粒硬度是一致的，未出現(xiàn)明顯的變化。但檢測3號樣塊焊層中的球形鑄造碳化鎢“發(fā)散”部分的區(qū)域時(shí)，維氏硬度則變?yōu)? 100～1 300 HV0.98 N，與原有的硬度相差較大。

2.3 焊層中硬質(zhì)相顆粒的分解

在等離子堆焊過程中，等離子轉(zhuǎn)移弧的能量首先將熔點(diǎn)較低(熔點(diǎn)為1 000～1 100 ℃)的鎳基合金粉熔化的同時(shí)也將基體材料表面熔化，使得鎳基金屬與基體形成冶金結(jié)合。Ni基合金粉熔化后將作為粘結(jié)金屬，將硬質(zhì)相碳化鎢粉末包圍，冷卻后形成了含碳化鎢顆粒的焊層。硬質(zhì)相碳化鎢粉末基本上保持原來的金相組織結(jié)構(gòu)。

當(dāng)對金相樣塊放大1 000倍以上時(shí)，會發(fā)現(xiàn)1號焊層中硬質(zhì)相顆粒外層(2～10 μm)組織疏松(如圖5所示，b1處)，這是因?yàn)殍T造碳化鎢顆粒會與熔融的鎳基合金發(fā)生反應(yīng)，生成新的固溶體，直至焊層冷卻凝固。這就導(dǎo)致了鑄造碳化鎢顆粒表面的燒損現(xiàn)象。

對于處于熔池中的鑄造碳化鎢顆粒而言，其燒損形式和機(jī)理主要是M6C的形成及碳化鎢顆粒中碳的損失。從圖5～圖7中通過選取順序字母(a、b、c、d、e)指代區(qū)域的微觀區(qū)域成分能譜分析結(jié)果(見表5～表7)，可發(fā)現(xiàn)焊層中的鑄造碳化鎢為溶解擴(kuò)散式燒損[8-10]。這是目前被多數(shù)研究者接受的鑄造碳化的鎢溶解擴(kuò)散理論，該理論認(rèn)為:鑄造碳化鎢顆粒的溶解擴(kuò)散式燒損機(jī)理為Ni、Fe、Cr等原子與鑄造碳化鎢顆粒發(fā)生作用，并向鑄造碳化鎢顆粒內(nèi)部擴(kuò)散，形成擴(kuò)散層；由于存在濃度梯度，擴(kuò)散層外沿Ni、Fe、Cr含量較高的部分發(fā)生組織轉(zhuǎn)變，形成低熔點(diǎn)的M6C或M23C6；形成的碳化物在熔池中游離，或溶解于Ni基合金后重新析出。

在圖5中，鑄造碳化鎢的外層與鎳基合金反應(yīng)形成了擴(kuò)散層，從表5能譜分析成分看，原本鎳基合金粉中不含W，但在圖5焊層中c1和d1位置處，已含有約15%的W，在鑄造碳化鎢顆粒邊緣處(b1區(qū)域)，也已經(jīng)含有約21%的Ni，均是反應(yīng)形成擴(kuò)散層的結(jié)果。

表5 1號焊層中能譜分析成分Table 5 The energy spectrum analysis components in No.1 welding layer

表6 2號焊層中能譜分析成分Table 6 The energy spectrum analysis components in No.2 welding layer

表7 3號焊層中能譜分析成分Table 7 The energy spectrum analysis components in No.3 Welding layer

在圖6中，在粗晶碳化鎢的焊層中，從能譜分析結(jié)果(表6)來看，粗晶碳化鎢顆粒極少的與鎳基合金反應(yīng)，原因在于粗晶碳化鎢為含碳為6.10%，接近6.12%理論含碳量，成分穩(wěn)定，不易與鎳基合金反應(yīng)形成其他固溶相物質(zhì)。

在圖7中，球形鑄造碳化鎢的外層與鎳基合金反應(yīng)形成了擴(kuò)散層，圖7中，在a3、b3、c3、d3、e3位置的成分分析結(jié)果(表7)表明，該焊層中的一部分形鑄造碳化鎢顆粒出現(xiàn)了擴(kuò)散層區(qū)域，即顆粒的“表面潰散”現(xiàn)象，此處形成了NiWFeSi固溶體，該區(qū)域的維氏硬度較低，降低了球形鑄造碳化鎢增強(qiáng)焊層的耐磨性能，在堆焊時(shí)應(yīng)盡量避免這種情況的發(fā)生。因球形鑄造碳化鎢顆粒的表面能高于鑄造碳化鎢顆粒，所以當(dāng)采用相同的堆焊參數(shù)時(shí)(即在等離子堆焊能量輸入一致的條件下)，球形鑄造碳化鎢顆粒更容易出現(xiàn)燒損或嚴(yán)重?zé)龘p的情況。

2.4 焊層磨料磨損分析

利用硬質(zhì)合金耐磨強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)，通過濕砂鋼輪磨粒磨損試驗(yàn)考察樣塊的磨損性能。樣塊磨損后失重，1號樣塊1.774 1 g，2號樣塊2.584 4 g，3號樣塊1.347 7 g。從樣塊的磨粒磨損失重看，3號樣抗磨粒磨損性能最優(yōu)，1號樣塊次之，2號樣塊最差。

為了研究樣塊焊層的磨損機(jī)理，采用掃描電鏡對樣塊磨損截面和正面進(jìn)行了分析，取樣位置如圖8所示，磨損形貌如圖9～11所示。

從圖9～圖11中樣塊截面形貌可知，焊層中的硬質(zhì)相顆粒相對突出，利用自身的高硬度抵擋了外部的磨損侵蝕。

圖9～圖11中，磨損正面，鎳基合金出現(xiàn)了不同程度的犁溝，碳化鎢顆粒不斷被沖擊、破碎、被磨損而直至脫落失效。

3 結(jié) 論

(1)不同硬質(zhì)相的碳化鎢和鎳基粉的等離子堆焊中，采用合適的堆焊參數(shù)可得到較為優(yōu)良的堆焊焊層，焊層中沒有裂紋、孔洞、硬質(zhì)相分布均勻。硬質(zhì)相鑄造碳化鎢在堆焊中可保持原有的顆粒形貌和物理性能。在球形鑄造碳化鎢焊層中，小部分碳化鎢顆粒燒損較嚴(yán)重，可通過降低堆焊電流能降低燒損趨勢。

(2)在磨粒磨損測試中，碳化鎢顆粒增強(qiáng)了焊層的耐磨性能，其中球形鑄造碳化鎢焊層耐磨性能最優(yōu)，粗晶碳化鎢焊層耐磨性能最差，鑄造碳化鎢焊層居中。