王振廷， 胡 磊， 高紅明， 朱士奎

(1．黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，哈爾濱150022;2．徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州221008)

0 引 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，實(shí)際生產(chǎn)對(duì)材料的耐磨性提出了越來越高的要求。由于磨損機(jī)理多樣，工作環(huán)境和修復(fù)位置不同，耐磨材料還需滿足不同的需求。因此，研制新型耐磨材料，探究磨損失效規(guī)律及機(jī)理，延長材料的使用壽命，提高材料的使用效率，成了亟待解決的重要問題［1－3］。

近年來，表面改性技術(shù)得到了快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。該技術(shù)采用高能熱源對(duì)材料表面進(jìn)行熔覆處理，使一種或多種物質(zhì)在基體表面急速熔化并急速冷卻、凝固，以提高基體金屬表層硬度、耐腐蝕、耐磨損、導(dǎo)電導(dǎo)熱等一系列材料熱力學(xué)性能，從而改善其表面性能。目前，使用較多的高能熱源主要有等離子、火焰、激光、氬弧等。相比較而言，氬弧熔覆在表面強(qiáng)化方面有著更大的優(yōu)勢:一是，其熱量比火焰、等離子等更加集中;二是，由于熔覆是在氬弧氣氛下進(jìn)行的，在其加熱、冷卻過程中，試樣或零件表面無氧化、燒損等現(xiàn)象;三是，設(shè)備比激光熔覆簡單，成本較低，能夠?qū)崿F(xiàn)手工操作;四是，技術(shù)簡單、成熟，安全系數(shù)更高，并可在野外進(jìn)行作業(yè)，應(yīng)用前景更加廣闊。在眾多增強(qiáng)相顆粒中，TiN 因具有強(qiáng)度高、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐摩擦磨損，以及導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性良好等優(yōu)異性能，而被廣泛應(yīng)用于金屬陶瓷制備、熔煉金屬用的耐高溫陶瓷坩堝、電觸點(diǎn)及金屬表面涂覆材料等方面［4－14］。筆者以TiN、Ti 和Ni60 粉末為原料，采用氬弧熔覆、原位自生技術(shù)，在Q235 鋼表面原位生成TiN 增強(qiáng)相顆粒，并對(duì)涂層的組織結(jié)構(gòu)與摩擦磨損性能進(jìn)行分析。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 材料與制備

實(shí)驗(yàn)采用Q235 鋼作為基體材料，用線切割機(jī)制備尺寸為40 mm ×15 mm ×10 mm 的試樣塊，表面磨光、拋光后，用丙酮和無水乙醇對(duì)其進(jìn)行清洗、晾干待用。選用的涂層材料是Ti、TiN 和Ni60A 混合粉末。Ni60A 粉的平均粒度為30～40 μm，其化學(xué)成分見表1。

表1 Ni60A 化學(xué)成分Table 1 Ni60A chemical composition

實(shí)驗(yàn)中涂層粉末的主要成分Ti 和TiN 配比為1∶2，利用FC204 型電子天平稱量，總質(zhì)量為5 g，Ti、TiN、Ni60A 分別為0.5、1.0、3.5 g。

將上述粉末置于行星式球磨機(jī)中球磨4 h，取適量粉末及水玻璃(黏結(jié)劑)置于陶瓷坩堝中，攪拌均勻。將混合粉末調(diào)制成膏狀物后，均勻涂抹于Q235 鋼試樣表面，得到厚度約為1 mm 的預(yù)制涂層，將試樣置于DZ－2BC 型干燥箱中，于80 ℃溫度下烘干0.5 h，使預(yù)制涂層充分干燥。

干燥后的試樣采用MW3000 型數(shù)字焊接機(jī)氬弧加熱、冷卻后，采用電火花線切割，截取試樣的橫截面，在金相砂紙上磨平，然后用氧化鉻拋光劑拋光，制成金相試樣。配制硝酸酒精與氫氟酸體積比為3 ∶1 的腐蝕液，對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，時(shí)間為15 s。

1.2 分析與測試

采用蔡司光學(xué)顯微鏡和MX －2600FE 型掃描電鏡觀察其顯微形貌。采用HV2000 型顯微硬度計(jì)測定試樣截面的顯微硬度。實(shí)驗(yàn)載荷設(shè)計(jì)為2.94 N，加載時(shí)間為10 s。實(shí)驗(yàn)沿涂層橫截面由表及里測定其顯微硬度，每個(gè)點(diǎn)測五次，取平均值。采用MMS－2B 型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)測定其摩擦系數(shù)，討論其耐磨性能。首先在熔覆后的試樣上，截取尺寸為10 mm×10 mm×6 mm 的試樣，再將試樣表面磨平并清洗干凈。對(duì)磨環(huán)采用GCr15 鋼環(huán)，內(nèi)徑為16 mm，外徑為40 mm，洛氏硬度為60～65 MPa。實(shí)驗(yàn)溫度為25 ℃左右。磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)為:實(shí)驗(yàn)力180 N，轉(zhuǎn)速180 r/min，磨損時(shí)間30 min。實(shí)驗(yàn)前后利用FC204 型電子天平分別測量試樣的重量(精度為0.000 1 g)，以此計(jì)算磨損失重。

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織形貌

圖1 為復(fù)合涂層的組織形貌。從涂層低倍截面圖(圖2a)可以看到明顯的熔合線，約為10 μm，涂層中晶體生長規(guī)律為胞狀枝晶與等軸晶由熔池底部向中心生長，這表明涂層與基體具有良好的冶金結(jié)合。從復(fù)合涂層1 000 倍下的SEM 組織形貌(圖2b)可看到黑色TiN 在涂層中原位合成，熔覆涂層中黑色TiN 顆粒分布均勻。這是由于TiN顆粒在氬弧熱源的作用下全部熔化，分解成Ti 原子和N 原子，Ti 粉分解為Ti 原子，在冷卻過程中，涂層中的Ti 原子和N 原子結(jié)合重新以細(xì)小的TiN顆粒析出。

圖1 復(fù)合涂層顯微組織形貌Fig．1 Composite coating microstructure morphology

2.2 能譜分析

圖2 為復(fù)合涂層的能譜圖。

圖2 復(fù)合涂層的能譜Fig．2 Composite coating spectrum diagram

從能譜圖中可以看出，黑色顆粒中Ti 含量最高，F(xiàn)e 次之，且含有N 元素。氬弧熔覆過程從本質(zhì)上看是急速熔化和急速凝固兩個(gè)過程。在氬弧的高溫(高達(dá)8 000 K)作用下，試樣表面急速熔化并形成熔池，同時(shí)涂層粉末由于加熱速度快而呈現(xiàn)出半熔化或熔化狀態(tài)，TiN 顆粒進(jìn)入熔池并與基體金屬進(jìn)行混合、擴(kuò)散、反應(yīng)。

2.3 XRD 分析

圖3 為復(fù)合涂層的XRD 衍射圖譜。從XRD 圖譜上可以看出，熔覆層主要成分為α － Fe 及少量TiN。這可能是由于熔覆溫度過高，在氬弧熱源加熱過程中，Ti、TiN 粉末和Q235 基體都將發(fā)生熔化，底部的TiN 與基體相互混合，進(jìn)而產(chǎn)生“稀釋”作用，使得α－Fe 溶入到TiN 顆粒中，因此，X 射線衍射圖譜中可見，α－Fe 峰值遠(yuǎn)高于TiN 的峰值。

圖3 復(fù)合涂層XRD 衍射圖譜Fig．3 Composite coating XRD diffraction diagram

2.4 顯微硬度分析

圖4 為涂層的顯微硬度隨深度變化曲線。從曲線上可以看出，涂層的最高顯微硬度可達(dá)738.17 GPa。這是由于涂層中TiN 的顆粒較多，形狀分布大且均勻，涂層越薄處其顯微硬度越高;當(dāng)與涂層表面距離大于0.8 mm 后，其顯微硬度值下降平緩，這是由于TiN 顆粒逐漸稀疏;當(dāng)與涂層表面距離大于1.6 mm 后，其顯微硬度值變化不大，相當(dāng)于基體硬度，說明熔池中也含有TiN 增強(qiáng)顆粒。

圖4 熔覆層的顯微硬度分布Fig．4 Micro hardness distribution

2.5 耐磨性分析

圖5 為復(fù)合涂層與Q235 鋼在相同條件下的相對(duì)耐磨性對(duì)比圖。由圖可以看出，TiN 涂層的磨損失重約為Q235 鋼磨損失重的1/8，也就是說，氬弧熔覆制備的涂層，其耐磨性能是基體的8 倍。分析認(rèn)為，一方面是在TiN 增強(qiáng)金屬基熔覆層磨損過程中，由于存在著大量的分布均勻的硬質(zhì)TiN 增強(qiáng)相顆粒，這些顆粒在基體表面形成微凸體，首先與對(duì)磨環(huán)接觸，在熔覆層表層發(fā)生塑性變形時(shí)，對(duì)位錯(cuò)的滑移起到阻礙作用，因此磨損量較低;另一方面，急冷過程，涂層材料中Ni、Cr、Si 等元素來不及析出，與基體容易形成固溶體，對(duì)涂層起到固溶強(qiáng)化的作用，從而提高了熔覆層的耐磨性。綜上可知，與Q235鋼相比，TiN 增強(qiáng)金屬基熔覆層具有更好的耐磨性。

圖5 TiN 熔覆層和Q235 鋼相對(duì)耐磨性Fig．5 Comparison of wear resistant for Q235 steel and TiN coating

3 結(jié) 論

(1)含Ti、TiN、Ni60A 的合金粉末通過鎢極氬弧熔覆能夠制備出TiN 熔覆層，硬度最高達(dá)738.17 GPa，耐磨性是基體Q235 鋼的8 倍。

(2)復(fù)合涂層的相組成為TiN 顆粒、α －Fe，TiN分布均勻且與基體呈現(xiàn)冶金結(jié)合。

(3)原位合成TiN 耐磨涂層的強(qiáng)化機(jī)制為細(xì)晶強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化。

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