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Q345鋼等離子弧熔覆鐵基合金涂層組織分析

2016-01-20 03:19賀亞勛盧金斌彭竹琴
中原工學(xué)院學(xué)報 2015年1期
關(guān)鍵詞:組織

趙 龍, 賀亞勛, 盧金斌, 彭竹琴

(1.陽煤忻州通用機(jī)械有限責(zé)任公司, 山西 忻州 034000; 2.中原工學(xué)院, 鄭州 450007)

Q345鋼等離子弧熔覆鐵基合金涂層組織分析

趙龍1, 賀亞勛2, 盧金斌2, 彭竹琴2

(1.陽煤忻州通用機(jī)械有限責(zé)任公司, 山西 忻州 034000; 2.中原工學(xué)院, 鄭州 450007)

摘要:在Q345鋼基體上采用等離子弧熔覆Fe-Ni-Cr-B-Si和Fe-Cr-B-Si兩種鐵基粉末涂層,制備具有冶金結(jié)合的耐磨涂層。采用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電鏡(SEM)等研究熔覆層的組織,采用X射線衍射儀對涂層進(jìn)行物相分析,利用顯微硬度計測試涂層的顯微硬度分布。結(jié)果表明:Fe-Ni-Cr-B-Si熔覆層主要為柱狀γ-Fe,局部區(qū)域為α-Fe和碳化物的網(wǎng)狀的共晶組織;Fe-Cr-B-Si熔覆層組織主要為胞狀晶,局部區(qū)域為網(wǎng)狀的共晶組織。兩種熔覆層與基材均實現(xiàn)了熔化冶金結(jié)合,熔覆層與母材呈聯(lián)生方式長大,熔覆層的顯微硬度可達(dá)500~570 HV0.2,母材熱影響區(qū)組織為馬氏體和珠光體。

關(guān)鍵詞:等離子熔覆;組織;顯微硬度

刮板輸送機(jī)主要由機(jī)頭部、機(jī)尾部、中間部3大部分組成,中間部主要由中部槽組成,運行過程中中間部多承受煤、刮板和鏈條的劇烈摩擦和腐蝕。刮板輸送機(jī)的失效,多由中部槽的過度磨損或腐蝕磨損引起,所以中部槽的性能是整機(jī)壽命的重要指標(biāo)之一[1]。等離子弧熔覆技術(shù)是以等離子弧為熱源,通過添加相關(guān)材料,在基體材料表面熔覆一層均勻致密的特殊保護(hù)涂層,具有與基體呈冶金結(jié)合、熔覆層可控、成分可調(diào)范圍大、效率高、成本低等優(yōu)點,適合于處理一些既需要耐沖擊又需要耐磨耐腐蝕的金屬零件[2-4]。該方法既滿足了材料表面的特定性能要求,又能節(jié)省成本,應(yīng)用前景十分廣闊。目前,熔覆材料種類較多,大多以Fe、Ni、Co為基體,通過添加增強(qiáng)相提高其耐磨性[5-6]。Fe基合金的組織隨奧氏體化元素含量的變化而變化,因此,本文選擇一種不含Ni的Fe基合金和另一種含有較多Ni元素的Fe基合金進(jìn)行研究,對熔覆后的組織進(jìn)行分析對比。

采用等離子弧在Q345基體上熔覆兩種Fe基合金粉末,對兩種熔覆層的組織、物相組成、硬度等進(jìn)行對比,為刮板運輸機(jī)中部槽的實際生產(chǎn)應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1實驗材料與方法

1.1實驗材料

實驗采用的基材是Q345,組織為珠光體+鐵素體,其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%)為:0.18C、0.55Si、1.4Mn、Cr≤0.30、 P≤0.030、S≤0.030、 Ni≤0.30 、Cu≤0.25、余為鐵。試樣尺寸為200 mm×16 mm×5 mm,表面除油除銹。熔覆合金粉末分別為Fe-Ni-Cr-B-Si和Fe-Cr-B-Si鐵基合金粉,具體成分見表1。粒度為140~325目。用水玻璃將粉末調(diào)成糊狀,均勻涂敷于試樣表面,厚度大約2 mm,150 ℃烘干。

表1 鐵基合金粉成分 wt%

1.2等離子弧熔覆工藝及測試方法

采用等離子弧為熱源,熔覆工藝參數(shù)為:預(yù)制單道熔覆,熔覆寬度約為7 mm。工作電流120 A,工作電壓22 V,保護(hù)及電離氣體為氬氣。其中保護(hù)氣體流量為1.2 m3/h,電離氣體流量為0.8 m3/h,噴嘴距工件表面距離為7 mm,掃描速度為150 mm/min。

垂直于熔覆道截取試樣制成金相試樣,在金相顯微鏡(MM-6)、SEM(JSM-5610LV)上觀察試樣的組織,采用18KW轉(zhuǎn)靶D/max 2500VL/PC型X射線衍射儀分析物相。采用HXD-1000TC型顯微硬度計測試熔覆層顯微硬度,載荷200 g。

2實驗結(jié)果與分析

2.1熔覆層的組織特征

經(jīng)過系統(tǒng)的工藝試驗研究表明,通過優(yōu)化等離子弧熔覆工藝參數(shù),在Q345鋼基材上可獲得表面光滑且連續(xù)性好、無宏觀氣孔和裂紋的Fe-Ni-Cr-B-Si、Fe-Cr-B-Si熔覆層。

Fe-Ni-Cr-B-Si等離子弧熔覆層橫截面的金相組織如圖1所示,其中,圖1(a)為熔覆層底部及結(jié)合界面的組織,圖1(b)為熔覆層的頂部組織。宏觀上熔覆層存在一定的組織不均勻性,這主要是因為等離子弧熔覆涂層的結(jié)晶過程為非平衡快速凝固過程。從圖1可以看出,熔覆層組織呈巨大的柱狀樹枝晶組織,最長的達(dá)400~500 μm。組織致密,枝晶間距為10~30 μm。

(a) 熔覆層底部及結(jié)合界面組織

(b)頂部組織圖1 Fe-Ni-Cr-B-Si熔覆層金相組織

在熔覆層/基底的界面處為平面晶,這是由于熔覆層中形成的是固溶部分Ni的γ-Fe,與Q345的α-Fe不一致,在熔池底部溫度梯度G最大,凝固速率R小,γ-Fe重新形核形成平面晶;隨著溫度下降溫度梯度G與凝固速率R的比值進(jìn)一步降低,逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪?、樹枝晶,在表面處,由于熱量從頂部散失,有少量等軸晶形成。

Fe-Cr-B-Si等離子弧熔覆層橫截面的金相組織如圖2所示,其中圖2(a)、圖2(b)分別為界面及中部、頂部的組織,可以看出,熔覆層也存在一定的組織不均勻性。在熔覆層/基底界面處很窄的范圍內(nèi)為平面晶區(qū),隨著距界面距離的增加,涂層組織依次為胞狀晶、樹枝狀晶,最后是少量的等軸晶。

(a)界面及中部組織

(b)頂部組織圖2 Fe-Cr-B-Si熔覆層金相組織

Fe-Cr-B-Si等離子弧熔覆層的組織主要是馬氏體的樹枝晶和少量晶間碳化物,這主要是因為該成分中含有大量的Cr元素。Cr是提高淬透性的元素,除部分形成碳化物、硼化物外,部分Cr溶于鋼基體中,能提高鋼的淬透性。另外,由于等離子弧加熱速度高且局部加熱,鋼基體大部分處于冷態(tài),因此,熔覆層形成局部高溫熔池。當(dāng)?shù)入x子弧離開后,熔覆層很快冷卻,使熔覆層淬火,形成馬氏體。

Fe-Ni-Cr-B-Si涂層掃描電鏡形貌如圖3所示。可以看出,涂層由粗大的柱狀晶組成,其直徑為10~20 μm。

圖3 Fe-Ni-Cr-B-Si涂層掃描電鏡照片

2.2涂層的X射線衍射分析

Fe-Ni-Cr-B-Si涂層的X射線衍射圖譜如圖4所示。熔覆層主要由γ-Fe、α-Fe、Fe23(C、B)6、Fe3C等相組成,與圖1所示的金相組織基本一致。圖5為Fe-Cr-B-Si涂層的X射線衍射圖。從圖5可以看出,F(xiàn)e-Cr-B-Si涂層主要是由馬氏體、Fe3C、Fe23C6、Fe3Si等相組成。由此可以判斷出,其組織是以馬氏體為基,碳化物等彌散分布。

圖4 Fe-Ni-Cr-B-Si涂層X射線衍射圖

圖5 Fe-Cr-B-Si涂層X射線衍射圖

2.3熔覆層的硬度分析

圖6為兩種涂層的顯微硬度分布圖。從圖6可以看出,與基體比較,涂層的硬度均有很大的提高,從基體到熔覆層的顯微硬度逐步提高。這是因為基體通過淬火提高了顯微硬度,而熔覆層因為有碳化物、硅化物等相強(qiáng)化,且有快速凝固的細(xì)化強(qiáng)化,顯微硬度也得到提高。由于Fe-Ni-Cr-B-Si涂層的基體是固溶Ni元素的γ-Fe,而Fe-Cr-B-Si涂層的基體是馬氏體,因此Fe-Ni-Cr-B-Si涂層的顯微硬度略低于Fe-Cr-B-Si,兩種涂層含有較多的Cr元素,具有較好的耐蝕性能,均適于中部槽的熔覆。

(a) Fe-Ni-Cr-B-Si熔覆層顯微硬度

(b) Fe-Cr-B-Si熔覆層顯微硬度圖6 涂層的顯微硬度曲線

3結(jié)語

(1)兩種鐵基合金熔覆層與鋼基體呈冶金結(jié)合,組織致密,F(xiàn)e-Ni-Cr-B-Si熔覆層主要由柱狀晶、平面晶、等軸晶組成,而Fe-Cr-B-Si熔覆層主要由平面晶、胞狀晶、樹枝狀晶和等軸晶組成,晶粒相對較小。

(2)Fe-Ni-Cr-B-Si涂層由γ-Fe、α-Fe、Fe23(C、B)6、Fe3C等相組成;Fe-Cr-B-Si涂層主要由馬氏體、Fe3C、Fe23C6、Fe3Si等相組成,前者的顯微硬度略高于后者。

參考文獻(xiàn):

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[2]李德元,趙文珍,董曉強(qiáng).等離子技術(shù)在材料加工中的應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[3]吳玉萍.等離子弧熔覆Fe基合金+TiC涂層中的陶瓷相行為與相結(jié)構(gòu)[J].焊接學(xué)報,2001,22(6):89-91.

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[5]劉均波,王立梅,黃繼華.等離子熔覆Cr7C3/γ-Fe 金屬陶瓷復(fù)合材料涂層的耐磨性[J]. 機(jī)械工程材料, 2006, 30 (2):42-45.

[6]張平.熱噴涂材料[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006,55-70.

(責(zé)任編輯:席艷君)

Microstructure of Fe-based Alloy Coating by

Plasma Cladding Process on Q345

ZHAO Long1, HE Ya-xun2, LU Jin-bin2, PENG Zhu-qin2

(1. Yangmei Xinzhou General Machinery Cooperate Limited Company, Xinzhou 034000;

2. Zhongyuan University of Technology,Zhengzhou 450007,China)

Abstract:By plasma cladding technology and with appropriate processing parameter, Fe-based alloy powder Fe-Ni-Cr-B-Si and Fe-Cr-B-Si were melt on the Q345, then a wear-resistant coating metallurgically bonded on the substrate was prepared. The microstructure of clad layer was investigated by optical microscope (OM), scanning electron microscopy(SEM) and X-ray diffractometer (XRD). The microhardness distribution of the clad layer was tested by microhardness tester. The results show that the microstructure of Fe-Ni-Cr-B-Si clad layer is mostly lathlike γ-Fe, however the one of Fe-Cr-B-Si clad layer is mostly cell-like crystal, and the local area is reticulated eutectic crystal. The clad layer’s microhardness can reach 500~570HV0.2.And the microstructure of the heat-affected zone of the substrate is martensite and pearlite.

Key words:plasma cladding;microstructure; microhardness

中圖分類號:TG142

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.3969/j.issn.1671-6906.2015.01.015

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