嚴(yán)中明，丁滿平，張廣川，王弢

重慶紅江機(jī)械有限責(zé)任公司 重慶 402162

1 序言

等離子堆焊鈷基合金產(chǎn)品使用環(huán)境大多較為惡劣，不僅承受高溫腐蝕性氣體沖刷，還會受到交變載荷的作用。在這一過程中往往會伴隨著嚴(yán)重的磨損和腐蝕問題出現(xiàn)，從而導(dǎo)致產(chǎn)品的使用壽命和可靠性大大降低。有研究表明[1，2]，鈷基合金堆焊層中存在的塊狀、條狀碳化物含量及分布狀態(tài)，會對合金層的疲勞性能、耐磨性能產(chǎn)生較大影響。當(dāng)這些塊狀及條狀化合物大量存在時，可能會導(dǎo)致工件早期失效，從而引發(fā)重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對于提高鈷基合金堆焊層的耐磨性、抗疲勞性來延長產(chǎn)品使用壽命，可采用熱處理方式對鈷基合金層的碳化物形態(tài)及分布進(jìn)行調(diào)整，從而實現(xiàn)提高鈷基合金層的硬度、降低合金層摩擦系數(shù)和磨損率，以及延長產(chǎn)品使用壽命的目的[3]。基于此理論，本文在特定成分高韌性鈷基合金的基礎(chǔ)上，對高韌性鈷基合金層進(jìn)行了熱處理，然后對比分析了熱處理前后合金層的碳化物含量、分布形態(tài)以及硬度的變化情況。結(jié)合熱沖擊試驗以及摩擦磨損試驗，對熱處理前后合金層的抗熱沖擊性能、摩擦系數(shù)隨時間變化曲線，以及磨痕截面積與磨痕深度關(guān)系進(jìn)行了試驗研究。為等離子堆焊鈷基合金產(chǎn)品的性能改善研究提供了可靠的試驗數(shù)據(jù)支撐。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

試驗采用直徑為50 mm、厚度為15 mm 的4Cr10Si2Mo鋼柱體作為基體。選用高韌性鈷基合金為試驗研究對象，其化學(xué)成分見表1。為防止等離子堆焊過程中基體發(fā)生開裂的情況，堆焊前需要對基體進(jìn)行焊前預(yù)熱：首先對基體表面進(jìn)行清洗，然后將基體置于200～400℃熱處理爐中，保溫1.5h。

表1 高韌性鈷基合金化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

目前，市面上常見的鈷基合金大致可分為Co-Cr-W-C、Co-Cr-Mo-Ni、Co-Cr-W-Si-B三大系列[4]。其中Co-Cr-W-C型材料，由于含有較高的C，因此具備較高的耐磨性，但韌性較差[5]。另兩類鈷基合金則是在Co-Cr-W-C的基礎(chǔ)上加入Mo、Ni、Si、B等元素來改善其使用性能。

本試驗采用的鈷基合金同樣是在Co-Cr-W-C的基礎(chǔ)上，通過化學(xué)成分的調(diào)整優(yōu)化得到的一種具備高韌性、高耐磨性的鈷基合金材料。從表1可知，合金中加入了25%～40%的Cr元素。通過前期試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)wCr＜25%時，合金不能獲得足夠的耐磨性、耐蝕性和抗氧化性。而當(dāng)wCr＞40%時，又會使組織中出現(xiàn)大量金屬間化合物，嚴(yán)重影響合金的韌性，因此，規(guī)定wCr為25%～40%。Mo、W元素的加入，能夠起到固溶強(qiáng)化作用[6]。部分Mo、W元素還能與B元素結(jié)合，生產(chǎn)一定量的金屬間化合物，從而提高基體的耐磨性[7]。然而，當(dāng)wMo+W＜0.5%時，固溶體不足，當(dāng)wMo+W＞12%時，會形成大量的金屬間化合物，大大降低其韌性（抗沖擊性）。因此，wMo+W應(yīng)控制在0.5%～12%；Si元素的加入一方面可以起到改善熔池流動性的作用，另一方面SiC的形成可以改善合金層的結(jié)晶形態(tài)，顯著提高合金的硬度[8]。當(dāng)wSi＜0.8%時，對熔池流動性的改善作用大幅降低；當(dāng)wSi≥5.5%時，又會導(dǎo)致合金的塑韌性大幅降低，因此，wSi應(yīng)控制在0.8%～5.5%。

2.2 試驗方法

試驗采用卡斯特林等離子堆焊強(qiáng)化系統(tǒng)進(jìn)行鈷基合金的堆焊，具體堆焊參數(shù)見表2。堆焊完成后，將試樣分為兩組，其中一組（編號1#、3#、6#）置于高溫爐中進(jìn)行焊后熱處理，首先在1150～1300℃下保溫8～10h，然后空冷至室溫，再加熱至950～1050℃保溫20～30h，最后空冷至室溫，具體熱處理工藝如圖1所示。另一組試樣（編號2#、4#、5#）則以焊態(tài)進(jìn)行檢測。

圖1 熱處理工藝曲線

表2 等離子堆焊參數(shù)

為檢測熱處理對堆焊鈷基合金的影響情況，試驗分別對不同狀態(tài)鈷基合金的金相組織進(jìn)行觀察，并采用維氏硬度計對熱處理前后的鈷基合金進(jìn)行硬度檢測對比。然后采用YP-TBT往復(fù)式球盤摩擦磨損試驗機(jī)對合金層的耐磨損性能進(jìn)行測試。摩擦磨損試驗機(jī)選用直徑為95mm的GCr15軸承鋼球為摩擦壓頭，試驗載荷為1N和5N，摩擦往復(fù)頻率為1Hz，摩擦距離為10mm。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 合金層碳化物分布形態(tài)

堆焊態(tài)碳化物分布及形態(tài)如圖2所示。從圖2可看到，堆焊狀態(tài)下，鈷基合金層的組織呈粗大的網(wǎng)孔狀，其中碳化物主要以塊狀和長條狀出現(xiàn)。有研究表明[9]，鈷基合金中的碳化物可以分為初生碳化物和二次碳化物兩類。初生碳化物主要是在熔池冷卻凝固過程中形成的，分布在晶界及枝晶間；二次碳化物則是在鈷基合金時效或使用過程中于晶內(nèi)析出。由于初生碳化物在高溫條件下處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，因此在對其進(jìn)行高溫時效處理時，一部分初生碳化物會發(fā)生轉(zhuǎn)變，另一部分會溶入基體中。BERTHOD等[10]在研究鈷基合金碳化物轉(zhuǎn)變規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，當(dāng)初生碳化物在高溫環(huán)境中不能完全溶解時，進(jìn)一步升高溫度會出現(xiàn)合金局部熔化現(xiàn)象。而二次碳化物的存在狀態(tài)相對穩(wěn)定，更利于保證鈷基合金的使用性能。

圖2 堆焊態(tài)碳化物分布及形態(tài)

從圖2還可看到，在堆焊狀態(tài)下，鈷基合金層中存在大量的塊狀和條狀初生碳化物，會導(dǎo)致鈷基合金層的綜合性能大幅降低。主要有以下幾方面原因。

1）合金層脆化，從而導(dǎo)致使用過程中合金層脆裂失效。

2）晶格之間的延續(xù)性大大降低，形成金屬間隔離，降低基體的結(jié)合強(qiáng)度，從而導(dǎo)致合金層在使用過程中容易出現(xiàn)裂紋源。

3）引起合金層局部應(yīng)力集中，而枝晶間的碳化物能夠為裂紋的擴(kuò)展提供通道，從而促使熱疲勞裂紋的產(chǎn)生并沿枝晶間碳化物的分布方向發(fā)生擴(kuò)展，致使合金層的熱疲勞性能大大降低。

基于以上研究分析，本試驗對堆焊鈷基合金進(jìn)行時效熱處理，從根本上改變高韌性鈷基合金層碳化物分布與形態(tài)，使得更多的碳化物以二次碳化物的形式出現(xiàn)，從而在保證合金韌性的前提下提高合金層硬度，提升鈷基合金層的耐磨性，延長產(chǎn)品使用壽命、可靠性。

熱處理后合金層碳化物分布及形態(tài)如圖3所示。從圖3可發(fā)現(xiàn)，熱處理后的合金層組織相比堆焊狀態(tài)下的組織，更為均勻，碳化物的分布狀態(tài)由焊態(tài)的粗大網(wǎng)孔狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小網(wǎng)孔狀，并且其形態(tài)也由大塊狀+條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小條狀。并且能夠在基體中看到大量細(xì)小的呈彌散狀的碳化物。這些碳化物的出現(xiàn)主要是因為在長時間的高溫時效過程中，溶入基體中的合金元素與碳元素結(jié)合逐漸呈顆粒狀析出。鈷基合金的強(qiáng)化方式可分為固溶強(qiáng)化及沉淀強(qiáng)化。當(dāng)溶入合金基體后的合金元素與碳元素發(fā)生結(jié)合后，就會在基體中沉淀析出碳化物，這些碳化物的存在能夠阻礙位錯的運動釘扎，從而提高合金的抗變形能力，對合金的耐磨性也有較大提升。因此，相比熱處理前的組織分布狀態(tài)，時效熱處理后的合金層綜合性能必然會有所提高，此種狀態(tài)下的鈷基合金產(chǎn)品使用壽命也會得到進(jìn)一步提升。

圖3 熱處理后合金層碳化物分布及形態(tài)

3.2 熱沖擊試驗

為進(jìn)一步驗證時效熱處理前后鈷基合金層的性能變化情況，采用熱沖擊試驗對兩種狀態(tài)下的試樣進(jìn)行了檢測對比。試驗分別將熱處理前后兩種狀態(tài)下的試樣加熱到指定溫度（550℃、600℃、650℃、700℃、750℃、800℃和850℃），保溫一定時間，然后將試樣取出置于冷水中使其快速冷卻，然后觀察試樣是否出現(xiàn)裂紋。試驗得到以下檢測結(jié)果。

1）對于未進(jìn)行時效熱處理的試樣（2#、4#、5#），熱沖擊溫度從550℃上升到750℃過程中，5#試樣在進(jìn)行600℃沖擊時，即出現(xiàn)裂紋；2#試樣在進(jìn)行700℃沖擊時出現(xiàn)裂紋；4#試樣在750℃沖擊時出現(xiàn)裂紋。

2）對于時效熱處理后的試樣（1#、3#、6#），在沖擊溫度從550℃上升至850℃的整個試驗過程中，試樣均未出現(xiàn)裂紋。

這一試驗結(jié)果表明，時效熱處理對堆焊鈷基合金層的抗熱沖擊性能有著明顯的影響。結(jié)合時效熱處理前后組織狀態(tài)的變化情況，當(dāng)合金組織中的碳化物呈彌散狀分布于基體中時，有利于提高合金層的抗熱沖擊性能；當(dāng)合金中的碳化物形態(tài)呈大塊條狀時，在經(jīng)受熱沖擊過程中很容易產(chǎn)生裂紋，對產(chǎn)品的使用性能有著非常不利的影響。

3.3 合金層硬度分析

合金層的表面硬度與產(chǎn)品的耐磨性能有著直接的聯(lián)系，在同一條件下，材料的耐磨性均隨著材料的硬度升高而升高。因此，為進(jìn)一步探究時效熱處理對堆焊鈷基合金耐磨性能的影響情況，試驗分別對熱處理前后的鈷基合金層硬度進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖4所示。從圖4可知，未進(jìn)行熱處理時，合金層硬度值分別為46HRC、47HRC、48HRC和46HRC，其平均硬度值為46.8HRC；相比熱處理后的合金層硬度（53HRC、52HRC、53HRC和54HRC）明顯偏低。這一現(xiàn)象同樣是由于在時效熱處理過程中，大量二次碳化物析出，起到彌散強(qiáng)化作用，從而使合金層的抗變形能力增強(qiáng)，即表現(xiàn)出合金層的硬度值升高。

3.4 摩擦磨損試驗分析

摩擦磨損試驗是判別材料耐磨性能的一種重要研究手段，通過摩擦磨損試驗來判斷材料耐磨性能，是在指定載荷條件下，使用鋼質(zhì)或其他材質(zhì)的摩擦球在被測材料的表面進(jìn)行往復(fù)摩擦運動，通過觀察摩擦系數(shù)的變化情況及磨損率或磨痕深度（寬度）來判斷材料的耐磨性能。本文采用往復(fù)式球盤摩擦磨損試驗機(jī)對堆焊鈷基合金的耐磨性能進(jìn)行試驗研究，并對比了時效熱處理前后鈷基合金層的摩擦系數(shù)、磨痕深度（寬度）的變化情況。試驗前首先對試樣的球-平面接觸應(yīng)力曲線進(jìn)行了測試，如圖5所示。根據(jù)接觸應(yīng)力曲線變化情況，試驗選定摩擦載荷1N和5N，摩擦往復(fù)頻率為1Hz，摩擦往復(fù)長度為10mm，摩擦試驗時間為0.5h。

圖5 球-平面接觸應(yīng)力曲線

（1）摩擦系數(shù)分析 摩擦載荷為1N時各個試樣（1#～6#）的摩擦系數(shù)變化曲線如圖6所示。從6圖可知，在1N載荷情況下，各個試樣的初始摩擦系數(shù)均處于0.1～0.2之間。隨著摩擦?xí)r間延長，可以發(fā)現(xiàn)摩擦系數(shù)也隨之逐漸升高，但經(jīng)過熱處理的試樣（1#、3#、6#）的摩擦系數(shù)變化不明顯且均保持在一個較低的范圍內(nèi)。而焊態(tài)下的試樣（2#、4#、5#）則在摩擦磨損試驗時間達(dá)到1000s后，摩擦系數(shù)出現(xiàn)明顯的突變升高現(xiàn)象。這是因為隨著摩擦?xí)r間的延長，試樣表面逐漸出現(xiàn)摩擦凹坑，且摩擦球與試樣表面的接觸面積也逐漸增大，從而導(dǎo)致摩擦系數(shù)越來越大。

圖6 1N載荷下摩擦系數(shù)變化曲線

摩擦載荷為5N時，各個試樣（1#～6#）的摩擦系數(shù)變化曲線如圖7所示。由圖7可知，相比載荷為1N時的情況，當(dāng)摩擦載荷增大到5N后，除4#試樣外，其他試樣均在極短時間內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定摩擦階段，且摩擦系數(shù)保持在0.7～0.8。分別對兩種載荷下條件下摩擦系數(shù)的平均值進(jìn)行計算，結(jié)果如圖8所示。從圖8結(jié)果可知道，無論是在較小（1N）還是較大（5N）的摩擦載荷條件下，經(jīng)熱處理后的試樣，均表現(xiàn)出相對熱處理前更低的摩擦系數(shù)。這一結(jié)果同樣證明了時效熱處理能夠有效改善鈷基合金的耐磨性能。

圖7 5N載荷下摩擦系數(shù)變化曲線

圖8 平均摩擦系數(shù)

（2）磨損情況分析 各試樣在5N摩擦載荷下進(jìn)行0.5h的摩擦磨損試驗后，得到試樣表面的摩擦痕跡圖如圖9所示。分別對各試樣的摩擦表面進(jìn)行觀察，并測量出磨痕的截面積及最大磨損深度，結(jié)果如圖10所示。從圖10可知，所有試樣中5#試樣的磨痕截面積及磨損深度均是最大的。對比其他各組試樣的磨損情況，可發(fā)現(xiàn)1#、6#的磨痕截面積明顯小于2#、4#，且1#、3#、6#的最大磨痕深度均處于較低的水平。

圖9 5N載荷下試樣摩擦痕跡圖

綜合對比各個試樣的摩擦系數(shù)變化曲線以及磨損測量結(jié)果可得出，經(jīng)過熱處理后的試樣，其綜合性能相對更好。其中1#和6#試樣的綜合摩擦性能最優(yōu)，3#性能其次，2#、4#相差不大，5#綜合摩擦性能最差。這一試驗結(jié)果充分說明，該鈷基合金堆焊后，通過時效熱處理方式能夠很好地提升合金層的耐磨性能。此種類型的鈷基合金產(chǎn)品，也能夠通過時效熱處理來提高合金的綜合使用性能。

4 結(jié)束語

試驗對特定高韌性鈷基合金粉末采用等離子堆焊方式制備合金堆焊層，然后對試樣進(jìn)行分組，探究了時效熱處理對堆焊鈷基合金的影響情況，得到如下試驗研究結(jié)論。

1）化學(xué)成分會對鈷基合金的耐磨性、抗沖擊性能產(chǎn)生重要影響。

2）時效熱處理可改變堆焊鈷基合金層碳化物分布及其形態(tài)，碳化物由粗大網(wǎng)孔狀分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小網(wǎng)孔狀分布，碳化物形態(tài)由大塊狀+大條狀轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小條狀。

3）時效熱處理可有效提升合金抗熱沖擊性能，同時提升產(chǎn)品在高溫驟冷情況下的持久性能。

4）時效熱處理能夠很好地提高堆焊鈷基合金層的摩擦磨損性能，改善產(chǎn)品的綜合使用性能。