李俊魁, 彭竹琴

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

不銹鋼等離子噴焊鈷基合金噴焊層的組織與性能

李俊魁, 彭竹琴

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

摘要：采用等離子噴焊技術(shù)，在304不銹鋼基體上噴焊Stellite6鈷基合金粉末，制備鈷基合金噴焊層。利用光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XRD)和掃描電鏡(SEM)分析研究了噴焊層組織。利用顯微硬度計測試噴焊層的顯微硬度，通過環(huán)—塊磨損試驗評估噴焊層的耐磨性。實驗結(jié)果表明：噴焊層組織均勻細小，主要由γ-Co固溶體和(Cr,Fe)7C3相組成；噴焊層的顯微硬度在370～420 HV1之間；在室溫干滑動磨損條件下，噴焊層失重為基體失重的21.2%，噴焊層的耐滑動磨損性能明顯提高。

關(guān)鍵詞：等離子噴焊；304不銹鋼 ；鈷基合金；顯微組織；耐磨性

等離子噴焊是以等離子弧為高溫熱源，在工件表面噴焊一層有特殊要求的合金涂層，以滿足耐磨、耐高溫、耐腐蝕、耐空蝕等工況要求[1-5]。鈷基合金具有較高的強度、良好的耐磨和耐蝕性能，且在高溫下仍能保持其性能[6-8]。304不銹鋼屬奧氏體不銹鋼，含有大量的Cr、Ni等合金元素，具有良好的耐蝕、耐熱性和機械特性[9]。本文采用等離子噴焊技術(shù)在304不銹鋼基體上噴焊Stellite 6 鈷基合金粉末，制備鈷基合金噴焊層，分析噴焊層的顯微組織、硬度和耐磨性能，為其實際應(yīng)用提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1實驗材料及方法

實驗基體材料為304不銹鋼，試樣尺寸為150 mm×15 mm×5 mm，噴焊材料為Stellite6粉末，粒度為140~320目，其化學(xué)成分如表1示。

表1　Stellite 6合金粉末的化學(xué)成分　wt%

采用PTA-400E1-ST通用型粉末等離子噴焊機進行噴焊處理。噴焊前將Stellite6鈷基合金粉末在120 ℃下烘干2 h，試樣表面除油除銹。噴焊工藝參數(shù)為：工作電流110 A，行走速度55 mm/min，離子氣流量180 L/h，送粉氣流量740 L/h，保護氣流量300 L/h，送粉電壓12 V，焊槍擺幅14 mm，擺頻36 Hz，噴嘴距工件距離12 mm。

制備截面試樣，打磨、拋光、腐蝕。利用MM-6型光學(xué)顯微鏡、JSM-5610LV掃描電鏡觀察分析噴焊層的組織。采用Philip PW1730/10 X射線衍射儀分析噴焊層的物相組成。利用MH-6型顯微硬度計測試噴焊層截面的顯微硬度，載荷9.8 N。在MM200 磨損試驗機上對噴焊層和基體試樣進行環(huán)—塊磨損試驗，試樣尺寸為150 mm×10 mm×10 mm，對磨試樣為W18Cr4V，硬度為60～62 HRC。實驗條件為：主軸轉(zhuǎn)速200 r/min，載荷196 N，干摩擦時間2 h。采用失重法評測試樣的耐磨性能。

2實驗結(jié)果與分析

2.1噴焊層組織分析

在304不銹鋼基體上噴焊Stellite6粉末，形成良好的噴焊層，表面光滑連續(xù)，噴焊層致密無宏觀裂紋。噴焊層低倍組織形貌如圖1所示，可以看出，基體有部分熔化，并與噴焊層形成冶金結(jié)合，噴焊層深度約為3.05 mm。

圖1　噴焊層的低倍組織

圖2為噴焊層的X射線衍射圖。根據(jù)基體和熔覆的合金粉末成分，結(jié)合等離子熔覆過程，分析比較ASTM卡片，確定噴焊層中的物相主要由γ-Co和(Cr,Fe)7C3相組成。

圖2　噴焊層X射線衍射圖譜

噴焊層顯微組織如圖3所示，其中圖3(a)為噴焊層表層組織，圖3(b)為噴焊層底部組織，圖3(c)為噴焊層與基體結(jié)合處組織。從圖3可以看出，噴焊層為快速凝固時的亞共晶組織，呈枝晶生長特征。圖3(c)中噴焊層與基體結(jié)合處呈現(xiàn)曲折的條帶狀，而非平面，說明在基體表層形成熔池的過程中，在強烈的濃度起伏和溫度梯度條件下，基體和噴焊層中的元素發(fā)生了相互擴散，基體和噴焊層形成了良好的冶金結(jié)合。冶金結(jié)合區(qū)前沿為胞狀晶，胞狀晶上方為樹枝晶。在接近噴焊層表層時，傳熱條件發(fā)生變化，表層的晶體變?yōu)榈容S晶，此處晶粒的方向變得雜亂，也更加細小，在該區(qū)域，組織更均勻致密，如圖3(a)所示。

(a)噴焊層表層組織

(b)噴焊層底部組織

(c)噴焊層與基體結(jié)合處區(qū)組織圖3　噴焊層金相組織

圖4　噴焊層的SEM圖像

噴焊層放大后的SEM圖像如圖4所示，其中黑色為γ-Co相，白色為(Cr,Fe)7C3相。由于碳化物的電位高于固溶體，γ-Co被腐蝕凹下去，而碳化物凸出來。噴焊層快速凝固時呈典型的枝晶生長特征。熔池快速凝固過程中，初生相為γ-Co固溶體胞狀晶；隨著凝固進行，胞狀晶繼續(xù)長大成胞狀樹枝晶，同時合金的原始成分Co、固-液界面處液相內(nèi)的溫度梯度GL和凝固速度ν發(fā)生變化，產(chǎn)生強烈的過冷，柱狀樹枝晶開始生長。當熔池溫度冷卻到共晶溫度時，在枝晶間剩余的液相發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，生成細小的由γ-Co與(Cr,Fe)7C3組成的共晶體，共晶組織中的共晶化合物(Cr,Fe)7C3主要呈平行短棒狀且各自聯(lián)合成網(wǎng)狀分布[10-12]。

2.2噴焊層顯微硬度分析

噴焊層的顯微硬度分布如圖5所示?？梢钥闯鰢姾笇佑捕确植季鶆?，基本分布在370～420 HV1之間，基體硬度在200 HV1左右，表明304不銹鋼噴焊Stellite6鈷基合金粉末后，硬度得到明顯提高。

圖5　噴焊層截面的顯微硬度分布曲線

這主要是由于噴焊層中存在高硬度(Cr,Fe)7C3相，引起第二相強化，大量的Cr、Si原子溶入基體形成γ-Co過飽和固熔體，從而引起固溶強化，同時噴焊層快速冷卻產(chǎn)生了細晶強化。由于基體的稀釋作用使得噴焊層和基體結(jié)合處的合金元素含量低于噴焊層中部，從而導(dǎo)致該區(qū)域硬度偏低。噴焊層表層熔池沒有完全冷卻時，等離子弧已經(jīng)移開，由于沒有保護氣，溶液中部分元素被氧化；另外，噴焊過程中，表層的固體粉末被高速的等離子弧吹走，導(dǎo)致表層的硬度偏低。

2.3噴焊層耐磨性分析

對噴焊層和基體進行室溫干滑動磨損對比測試，通過失重法評測試樣的耐磨性。磨損實驗結(jié)果如表2所示。

表2　試樣磨損實驗結(jié)果　g

由表2可知，噴焊層的失重遠遠小于基體失重，僅為基體失重的21.2%，表明噴焊層的耐滑動磨損性能得到了明顯提高。主要原因是：大量的合金元素溶入基體，提高了γ-Co的強度。噴焊層中含有大量高硬度的(Cr,Fe)7C3相，起到抗磨骨架作用，噴焊層中γ-Co固溶體有良好的韌性和塑性，磨損過程中對耐磨相(Cr,Fe)7C3骨架起到支持作用，使抗磨骨架的作用發(fā)揮到極致。噴焊層組織細小，特別是表層的等軸晶粒更加細小，磨損過程中可抑制裂紋的擴展，從而有效防止開裂，特別是防止整體脫落現(xiàn)象的發(fā)生[13-15]。

3結(jié)語

(1)采用合適的噴焊工藝參數(shù)，在304不銹鋼基體上噴焊鈷基合金粉末，制備鈷基合金噴焊層，噴焊層表面光滑連續(xù)，無宏觀裂紋氣孔等缺陷。

(2)噴焊層組織均勻細小，呈枝晶生長特征，主要由γ-Co和(Cr,Fe)7C3相構(gòu)成，噴焊層和基體達到了良好的冶金結(jié)合。

(3) 噴焊層硬度均勻，在370～420 HV1之間，明顯高于基體硬度190～220 HV1。噴焊層試樣的失重僅為基體失重的21.2%，噴焊層中高硬度的(Cr,Fe)7C3相具有抗磨骨架作用，同時快速凝固過程中的細晶強化和固溶強化作用使噴焊層具有良好的耐滑動磨損性能。

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(責任編輯：席艷君)

Microstructure and Performance of Co-based Alloy Coating Prepared

by Plasma Spray Welding on Stainless Steel

LI Jun-kui, PENG Zhu-qin

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007， China)

Abstract:Co-based alloy coating of Stellite6 powder was deposited on 304 stainless steel by plasma spray welding technology.The microstructure of the spray coating was examined by optical microscope,scanning electron microscope( SEM) and X-ray diffractometer ( XRD) .The microhardness of the coating was tested by microhardness tester.The wear resistance performance of the coating was evaluated on a MM-200 block-on-wheel sliding wear tester.The experimental results indicate that the coating has a microstructure consisting of γ-Co supersaturated solid solution and (Cr,Fe)7C3compound and its microhardness varies between 370~420HV1.The loss-weight of the coating layer is merely 21.2% of stainless steel substrate.The wear resistance of the coating is enhanced greatly.

Key words：plasma spray welding；304 stainless steel； Co-based alloy；microstructure；wear resistance

文章編號：1671-6906(2015)01-0055-04

作者簡介：張艷麗(1976-)，女，河南夏邑人，實驗師，碩士。

基金項目：河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃項目(102300410274)

收稿日期：2014-10-05

中圖分類號：TG142

文獻標志碼：ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.013