王振廷， 殷力佳， 梁 剛

(黑龍江科技學院 材料科學與工程學院，哈爾濱 150027)

氬弧熔覆原位合成ZrC－TiB2/Fe基復合涂層組織與耐磨性

王振廷， 殷力佳， 梁 剛

(黑龍江科技學院 材料科學與工程學院，哈爾濱 150027)

為提高鋼材料表面性能，以Ti、Zr、B4C和Fe等粉末為原料，采用氬弧熔覆技術，在Q345D鋼表面制備出原位合成ZrC和TiB2顆粒增強Fe基復合涂層。利用掃描電鏡、X射線衍射儀、顯微硬度計和滑動摩擦磨損實驗機研究了熔覆層的顯微組織、硬度和耐磨性。結果表明:熔覆層組織由方塊狀ZrC顆粒、長條狀TiB2顆粒和α－Fe基體組成;熔覆層與基體呈冶金結合，界面潔凈無裂紋、氣孔等缺陷;熔覆層平均硬度(HV)為14 GPa;在室溫干滑動摩擦磨損實驗條件下，其耐磨性約為基體的18倍。該研究為原位合成ZrC和TiB2提供了新方法。

氬弧熔覆;原位合成;ZrC－TiB2/Fe;耐磨性

0 引言

磨損是工程材料三大主要失效形式之一，是造成材料和能源損失的一個重要原因。磨損失效多發(fā)生于工件表面，因此提高材料表面性能是延長材料使用壽命的關鍵因素［1－2］。

近年來，原位合成金屬基復合材料(MMCs)綜合了陶瓷相的高強度、高硬度及金屬基體的良好韌性［3－4］，具有良好的抗磨損性能和高溫力學性能，應用前景廣闊。目前，用于復合涂層的外加增強相主要有SiC、Al2O3、TiC、TiB2等陶瓷顆粒。這些外加陶瓷相與基體金屬的熱物理性能相差迥異，嚴重降低了界面強度，而采用原位合成的增強相則具有熱力學穩(wěn)定性(晶粒細小，分布均勻，界面潔凈)，且與基體結合良好，可提高界面強度［5－6］。氬弧熔覆不同于激光熔覆、氧 －乙炔焰熔覆、等離子熔覆和感應熔覆等表面熔覆技術。采用氬弧熔覆制備的涂層在加熱、冷卻過程中無氧化、燒損現象，可實現手工操作，具有靈活性高、設備便宜［7－9］的優(yōu)點。以氬弧為熱源，原位合成ZrC和TiB2的研究尚未見報道。為此，筆者采用氬弧熔覆技術在Q345D鋼基材表面制備了ZrCTiB2/Fe基復合涂層，并對涂層的組織結構、顯微硬度和耐磨性進行了研究。

1 實驗方法

實驗將Q345D鋼作為基體材料，試樣尺寸為100 mm×20 mm×15 mm，其表面經除油和除銹處理。以Zr粉、Ti粉、B4C粉和Fe粉作為預制涂層材料，粉末總質量為5 g，成分配比分別為0.6、0.6、0.8、3.0 g。原始粉末性能見表1。涂覆厚度控制在1.0～1.2 mm內，并預留1 mm左右的引弧端。涂層材料經24 h自然風干和2 h 100℃烘干后，利用奧地利弗尼斯公司生產的MW3000型數字焊接機進行氬弧熔覆。氬弧熔覆工藝參數為:電流180 A，電壓20 V，氬氣流量12 mL/min，熔覆速度2 mm/s。

表1 熔覆用原始粉末的性能Table 1 Original power performance for cladding

分別采用MX－2600FE型掃描電鏡、XD－2型X射線衍射儀分析熔覆層組織結構和物相，采用MHV2000型顯微硬度計測試涂層顯微硬度，利用MMS－2A型磨損實驗機分析涂層的耐磨性。以GCr15鋼作為對磨環(huán)，其熱處理后的洛氏硬度為63～66，載荷為200 N，轉速為200 r/min，磨損時間為3 600 s。

2 結果分析

圖1為熔覆層XRD衍射圖，標定后發(fā)現熔覆層主要由TiB2、ZrC和α－Fe等相組成。

圖1 復合涂層的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of composite coating

圖2為熔覆層的SEM照片及指定區(qū)域的能譜圖，表2為熔覆層微區(qū)成分。由圖2和表2可以看出，熔覆層中長方體狀顆粒主要由B和Ti元素組成，還固溶少量的Fe和Zr元素;方塊狀顆粒由Zr、Ti和C元素組成，還固溶少量的Fe元素;基體部分主要由Fe元素組成，其中固溶有少量的Zr和Ti元素。結合圖1可知，熔覆層組織由方塊狀的ZrC、長條狀的TiB2和α－Fe組成，增強相顆粒在覆層中呈彌散狀分布。

圖3為復合涂層的典型橫截面SEM照片。從圖中可以看出，試樣由熔覆層、過渡層和基體三部分組成。熔覆層的內部組織均勻，由熔池底部中心向外延生長，在覆層與基體之間具有明顯的界面，且界面很薄，只有8～9 μm，無氣孔、無裂紋，表明涂層與基體具有良好的冶金結合。界面處凝固組織以平行界面方式生長，隨著與界面距離的增加，熔覆層組織以枝晶的形態(tài)生長［5］。

在Fe－Zr－Ti－B4C體系中，合金元素有Fe、Zr、Ti、B、C。這些元素在高溫下反應可生成多種物質，如 ZrC、ZrB2、TiC、TiB、TiB2、FeTi等。在 Fe－Zr－Ti－B4C體系中，可存在如下反應:

圖2 熔覆層SEM照片及微區(qū)能譜Fig.2 SEM image and microarea energy spectrum of cladding layer

表2 熔覆層微區(qū)成分Table 2 Microarea constituents of clad coating

圖3 復合涂層的橫截面SEM照片Fig.3 SEM image of cross-section for sample

根據文獻［10］中的熱力學數據計算，在298～3 200 K范圍內，所有反應均可能進行。在熱力學反應中，自由能變化越負的反應其所得物質越穩(wěn)定。反應最終得到復合陶瓷相ZrC和TiB2。

圖4為氬弧熔覆涂層顯微硬度沿層深方向的分布曲線。由圖可見，涂層具有很高的硬度，平均硬度(HV)為14 GPa左右，這主要是由于涂層中存在大量的增強相顆粒彌散分布，同時過渡層中固溶大量的Ti、B、Zr等合金元素，使基體得以固溶強化和彌散強化。

圖4 復合涂層顯微硬度曲線Fig.4 Microhardness curve of composite coating

圖5為Q345D和涂層試樣損失量對比圖，由圖可知，ZrC－TiB2/Fe基復合涂層的耐磨性比Q345D鋼有顯著提高，在相同實驗條件下Q345D鋼的磨損量是涂層磨損量的18倍，說明復合涂層具有良好的耐磨性能。

通過分析可知，熔覆層中因彌散分布大量增強相顆粒ZrC和TiB2，而產生了彌散強化，增強相具有較高硬度，在接觸應力下難以變形，因而使涂層具有很高的磨粒磨損抗力;氬弧熔覆冷卻速度極快，生成的顆粒細小，產生強化;原位形成的ZrC和TiB2顆粒與基體結合牢固，涂層中α－Fe固溶了大量的合金元素Zr、Ti、B，產生了固溶強化，從而使基體材料的耐磨性能得到顯著提高。

圖5 試樣和Q345D鋼的相對耐磨量Fig.5 Wear resistance comparison among sample and Q345D

3 結論

(1)以Ti、Zr、B4C和Fe等粉末為原料，利用氬弧熔覆技術在Q345D鋼表面制備出原位合成ZrCTiB2增強Fe基復合涂層。

(2)熔覆層組織由方塊狀的ZrC、長條狀的TiB2和α－Fe組成，增強相顆粒在覆層中呈彌散狀分布。

(3)熔覆層與基體呈冶金結合，界面潔凈無裂紋、氣孔等缺陷。

(4)熔覆層的平均顯微硬度為14 GPa左右，摩擦系數較低，耐磨性是Q345D鋼的18倍。

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Microstructure and wear resistance of in-situ synthesis ZrC－TiB2/Fe metal matrix composite coating by argon arc cladding

WANG Zhenting， YIN Lijia， LIANG Gang
(College of Materials Science＆Engineering，Heilongjiang Institute of Science＆Technology，Harbin 150027，China)

This paper introduces a metal matrix composite coating reinforced by ZrC and TiB2particles successfully produced on the surface of Q345D steel by means of argon arc cladding technique with the mixed powders of Ti，Zr，B4C and Fe，in order to improve the steel surface properties.The paper offers an investigation into and analysis of the microstructure and properties of the coating by SEM，XRD，microhardness tester，friction and wear testing machine.The results show that the cladding layer consists of globular particles of ZrC，strip shape particles of TiB2and Fe metal matrix;there is an excellent metallurgical bonding between the coating and the substrate，and what’s more，the coating is uniform and almost defect-free.Cladding layer has an average hardness value(HV)of 14 GPa，and the wear resistance about 18 times that the matrix，at room temperature and dry sliding wear test conditions.The research provides a new method for in-situ synthesized ZrC and TiB2.

argon arc cladding;in-situ synthesized;ZrC－TiB2/Fe;wear resistance

TG174

A

1671－0118(2011)03－0219－04

2011－04－25

王振廷(1965－)，男，黑龍江省雞西人，教授，博士，研究方向:材料表面改性，E-mail:wangzt2002@163.com。

(編輯荀海鑫)