孟君晟， 邵澤軒， 吉澤升

(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.哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150080)

氬弧熔覆Ti-BN涂層的微觀組織及耐磨性

孟君晟1， 邵澤軒1， 吉澤升2

(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.哈爾濱理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150080)

為提高低碳鋼表面的耐磨性能，以鈦粉、氮化硼粉和Ni60A粉為原料，利用氬弧熔覆技術(shù)在Q235鋼基體表面原位合成了TiN-TiB2增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層。利用X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡和透射電子顯微分析復(fù)合涂層的物相和顯微組織結(jié)構(gòu)；利用顯微維氏硬度計(jì)和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合涂層的顯微硬度和耐磨性能。結(jié)果表明：復(fù)合涂層主要由Cr23C6、γ-Ni、TiN、TiB2等物相組成，與基體結(jié)合良好；復(fù)合涂層主要由白色顆粒狀TiN和黑色棒狀TiB2組織組成；復(fù)合涂層中強(qiáng)化相的生成顯著提高了基體硬度，復(fù)合涂層平均硬度可達(dá)13.5 GPa，較Q235鋼基體提高近9倍；復(fù)合涂層具有較低的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的室溫干滑動(dòng)摩擦磨損性能。

氬弧熔覆； 原位合成； TiN-TiB2； 顯微組織； 耐磨性

低碳鋼由于其良好的機(jī)械性能、韌性和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在結(jié)構(gòu)材料中具有重要的應(yīng)用[1]。它的抗磨、耐蝕性差的缺點(diǎn)又限制了其應(yīng)用的廣泛性。表面改性技術(shù)可以兼顧低碳鋼韌性的同時(shí)，在表面形成強(qiáng)化層，從而提高低碳鋼的耐磨抗蝕性能。傳統(tǒng)的強(qiáng)化層制備方法包括滲碳、滲氮、碳氮共滲、熱噴涂等[2-4]，但這些技術(shù)操作環(huán)境惡劣，強(qiáng)化層薄，難以在高載荷或強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)條件下使用。表面熔覆技術(shù)作為一種表面改性的重要方法，成為近年來(lái)研究的熱點(diǎn)之一[5-6]。激光熔覆、等離子熔覆、感應(yīng)熔覆、電子束熔覆和氬弧熔覆等方法均有大量的研究報(bào)道。其中，氬弧熔覆成本低、操作容易、可控性好[7]受到眾多學(xué)者的青睞。馬壯等[8]利用氬弧熔覆技術(shù)在Q255鋼表面制備的TiB2-Al2O3涂層，顯著提高了熔覆層的沖蝕磨損性能；ArifI等[9]在Ti-15-3合金表面利用氬弧熔覆技術(shù)合成了TiC顆粒，分析了不同C含量對(duì)TiC形成機(jī)制的影響及強(qiáng)化機(jī)理；氬弧熔覆方法制備的CoCrFeMnNbNi高熵合金具有優(yōu)異的耐磨耐蝕性能[10]。孟君晟等[11-16]在氬弧熔覆技術(shù)方面作了大量的基礎(chǔ)研究，通過(guò)對(duì)在不同合金基體表面進(jìn)行熔覆不同的合金粉末，獲得了TiC、TiB2增強(qiáng)Ni基、Al基、Ti基復(fù)合涂層，SiC增強(qiáng)Mg基復(fù)合涂層，以及WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層等，研究了增強(qiáng)顆粒形成機(jī)制及復(fù)合涂層的耐磨、耐蝕性能。筆者再次利用氬弧熔覆技術(shù)，選用鈦粉和碳化硼粉作為合金粉末，在Q235鋼表面原位合成TiN-TiB2增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層，探討復(fù)合涂層的組織結(jié)構(gòu)和耐磨性能。

1 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

1.1 涂層制備

選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235作為基體材料，試樣切割尺寸100 mm×15 mm×10 mm，表面用砂輪打磨出金屬光澤后，采用酒精、丙酮清洗。熔覆材料選用Ti粉(99.9%，20 μm)、BN粉(99.3%，30 μm)和Ni60A粉(80 μm)，選定總質(zhì)量為20 g。根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知，當(dāng)BN與Ti摩爾比為2∶3時(shí)，可以原位合成TiN和TiB2顆粒，因此在該摩爾比下，設(shè)計(jì)了(Ti+BN)與Ni60A的質(zhì)量比為1∶4。將配比好的混合粉末在DECO-PBM-AD-0.4L行星式球磨機(jī)中進(jìn)行混合10 h，采用氬氣保護(hù)；將球磨后的混合粉末用膠水調(diào)配均勻涂覆于處理過(guò)的Q235鋼表面，涂覆厚度為1～1.5 mm；自然通風(fēng)干燥24 h，在DHG-9205A型鼓風(fēng)干燥箱中120 ℃烘干4 h。采用Fronius逆變交直流氬弧焊機(jī)MW3000作為熔覆設(shè)備，工藝參數(shù)為：電流120 A；電壓16 V；熔覆速度120 mm/min；氣體流量12 L/min。

1.2 分析測(cè)試

利用線切割將復(fù)合涂層切割為10 mm×15 mm×10 mm試樣，對(duì)該試樣的橫截面進(jìn)行金相試樣制備，采用150#～2 000#水砂紙磨光處理，用三氧化二鉻水溶液拋光，王水腐蝕3～5 s，再用蒸餾水沖洗和酒精擦拭。利用XRD(D/MAX2200型)測(cè)試復(fù)合涂層的物相；利用SEM(Cam Scan MX2600型)分析復(fù)合涂層的顯微組織；利用Gantan691離子減薄儀制備透射電子顯微鏡樣品，采用TEM(Tecnai G2 F20型)進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察；復(fù)合涂層的顯微硬度采用MHV2000型顯微維氏硬度計(jì)測(cè)量；利用MMS-2B型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)復(fù)合涂層及Q235鋼基體進(jìn)行耐磨性測(cè)試，摩擦方式為環(huán)-塊形狀接觸，摩擦條件為室溫干滑動(dòng)摩擦；實(shí)驗(yàn)所采用的對(duì)磨材料為硬度可達(dá)5.6～5.9 GPa的GCr15鋼；磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括：實(shí)驗(yàn)載荷200 N，摩擦?xí)r間60 min，對(duì)磨環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)200 r/min。復(fù)合涂層及Q235鋼基體磨損前后質(zhì)量采用FC204分析天平(其精度為0.1 mg)進(jìn)行稱量；計(jì)算磨損失重。

2 結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合涂層物相

圖1所示為氬弧熔覆TiN-TiB2增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層X(jué)射線衍射圖譜。從圖1中可知，復(fù)合涂層主要Cr23C6、γ-Ni、TiN、TiB2和TiB組成。在原始粉末和基體中并不含有TiN、TiB2以及TiB，說(shuō)明通過(guò)氬弧熔覆，在基體表面原位合成了TiN和TiB2。在復(fù)合涂層中出現(xiàn)Cr23C6物相，主要是由于基體和Ni60A粉中的碳在較高溫度下容易與Cr形成吉布斯自由能更低的Cr23C6碳化物。

圖1 氬弧熔覆涂層X(jué)射線衍射圖譜

Fig. 1 XRD pattern of composite coating by argon arc cladding

2.2 復(fù)合涂層組織

氬弧熔覆TiN-TiB2增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層橫截面形貌如圖2所示。從圖2a中可以看出，復(fù)合涂層與基體界面結(jié)合良好，沒(méi)有產(chǎn)生缺陷。圖2b、c所示為A區(qū)域的SEM低倍及高倍組織照片。從圖2b中可以看出，復(fù)合涂層的組織主要由棒狀和顆粒狀組織組成；從圖2c的高倍組織形貌中可以發(fā)現(xiàn)，顆粒狀組織存在于棒狀組織的周圍，白色顆粒狀尺寸為1～2 μm，黑色棒狀尺寸約20 μm×2 μm；對(duì)Spectrum1、Spectrum2和Spectrum3位置進(jìn)行能譜分析可知，白色顆粒相主要由Ti(76.69%)和N(17.86%)組成；黑色棒狀組織主要由Ti(68.69%)和B(31.31%)組成，黑色基體主要含有Ni(57.63%)、Cr(39.26%)和Si(3.11%)；結(jié)合XRD分析結(jié)果可知，復(fù)合涂層組織是由均勻分布在γ-Ni基體上的顆粒狀TiN和棒狀的TiB2組成。

a 橫截面形貌

b 低倍形貌

c 高倍形貌

Fig. 2 SEM micrographs and energy spectrum showing microstructure of composite coating

復(fù)合涂層制備的合金粉末中含有B、C、Cr、Si、Ni、Fe等元素，根據(jù)合金體系特點(diǎn)，可能組成Fe2B、Cr23C6、FeB、NiTi、Ni3Ti、SiC、TiSi2、NiSi、Cr2N、TiSi、Cr5Si3、Cr7C3、TiC、TiB、TiC、TiB2、TiN等多種化合物，利用相關(guān)熱力學(xué)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算可知，在600～1 800 K溫度范圍內(nèi)，TiB2的自由能為-272～-247 kJ/mol，TiN的自由能為-280～-200 kJ/mol，僅Cr23C6的自由能低于TiN和TiB2，從熱力學(xué)角度可知，Ti與BN反應(yīng)生成TiB2和TiN是可行的。合金粉末在電弧熱作用下，熔點(diǎn)低的Ni60A(1 300 K)粉首先熔化，形成鎳基熔池；BN粉末在高溫作用下將直接升華分解為活性[B]和活性[N]，Ti粉將成為活性[Ti]；由于Ti是負(fù)電性元素，并且N具有極大的親和力[18]，TiN的生成自由能最低，因此在快速凝固過(guò)程中，TiN將首先在鎳基熔池中析出，生成的TiN不斷吸收周圍的Ti原子，同時(shí)排出B原子，使得液相中B原子在界面附近富集，給TiB2的形核在成分上創(chuàng)造了條件[19]。圖3所示為棒狀形貌TiB2組織的TEM明場(chǎng)照片及選區(qū)衍射照片。

a TEM明場(chǎng)照片

b 衍射花樣

c 衍射花樣

Fig. 3 TEM images and corresponding selected area diffraction patterns of TiB2

2.3 復(fù)合涂層硬度及耐磨性

圖4所示為氬弧熔覆TiN-TiB2增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層顯微硬度分布曲線。從圖4中可知，復(fù)合涂層厚度可達(dá)1.6 mm，平均硬度可達(dá)13.5 GPa，較Q235鋼基體提高近9倍。在復(fù)合涂層中原位合成了TiN(硬度可達(dá)20 GPa)和TiB2(硬度可達(dá)33 GPa)強(qiáng)化相及鎳基固溶體，能夠顯著提高復(fù)合涂層的顯微硬度，且復(fù)合相的強(qiáng)化效果要優(yōu)于單相的強(qiáng)化效果[20]。

圖4 復(fù)合涂層顯微硬度曲線

圖5所示為復(fù)合涂層與Q235鋼基體的摩擦系數(shù)及磨損失重。從圖5a中的摩擦系數(shù)μ可以看出，復(fù)合涂層的平均摩擦系數(shù)為0.36，Q235鋼基體的平均摩擦系數(shù)為0.75，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)明顯低于基體，摩擦系數(shù)的高低與摩擦副間的磨損狀態(tài)有關(guān)，黏著傾向越大，摩擦系數(shù)越高；由于基體的硬度低而塑韌性好，在高載荷和高速摩擦作用下，產(chǎn)生的摩擦熱會(huì)導(dǎo)致接觸界面溫度升高，塑性良好的基體表面微凸體將發(fā)生熔化，形成的黏著接點(diǎn)，在繼續(xù)的摩擦過(guò)程中，黏著接點(diǎn)增大，摩擦副間的黏著傾向增大，摩擦系數(shù)增加；而在復(fù)合涂層中，原位合成了TiN、TiB2等增強(qiáng)相顆粒，這些增強(qiáng)相存在于鎳基固溶體中，形成良好的強(qiáng)韌性配合，在與對(duì)磨環(huán)GCr15鋼的摩擦過(guò)程中，起到強(qiáng)有力的支撐作用，黏著傾向小，摩擦系數(shù)低；從圖5b的磨損失重可以看出，復(fù)合涂層的磨損失重Δm僅為4.2 mg，Q235鋼基體的磨損失重高達(dá)30.5 mg，復(fù)合涂層的磨損失重遠(yuǎn)低于Q235鋼基體；這是由于在復(fù)合涂層中原位合成的TiN和TiB2增強(qiáng)相尺寸細(xì)小，彌散分布于鎳基固溶體中，起到了細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用，同時(shí)生成的TiB2顆粒相能夠抵抗高溫塑性變形，因此，復(fù)合涂層在較高載荷下仍具有良好的耐磨性能。

a 摩擦系數(shù)

b 磨損失重

Fig. 5 Friction and coefficient and loss weight comparison between composite coating and substrate

3 結(jié) 論

(1)采用氬弧熔覆技術(shù)，以Ti粉、BN粉和Ni60A粉為原料，原位合成了TiN-TiB2增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層，復(fù)合涂層與基體結(jié)合良好。

(2)復(fù)合涂層主要由Cr23C6、γ-Ni、TiN和TiB2物相組成；增強(qiáng)相TiN以顆粒狀存在，尺寸約1～2 μm；TiB2以棒狀形式存在，尺寸約20 μm×2 μm。

(3)復(fù)合涂層的平均顯微硬度可達(dá)13.5 GPa，比基體提高近9倍；在室溫干滑動(dòng)摩擦磨損條件下，復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)僅為0.36，具有優(yōu)異的耐磨性能。

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(編輯 晁曉筠 校對(duì) 王 冬)

Microstructure and wear resistance of Ti-BN coating by argon arc cladding

MengJunsheng1,ShaoZexuan1,JiZesheng2

(1.School of Materials Science & Technology, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.School of Material Science & Engineering, Harbin University of Science & Technology, Harbin 150080, China)

This paper introduces the effort to improve the wear resistance of low-carbon steels. The research involves in situ synthesizing the TiN-TiB2particles reinforced Ni-based composites coating on the Q235 steel surface by argon arc cladding of mixed titanium powder, boron nitride powder and Ni60A powder；analyzing the microstructure and phase of the composite coating using X-ray diffraction, scanning electron microscopy, and transmission electron microscop; and examining microhardness and wear resistance of the composite coating by means of micro-hardness tester and wear tester. The results demonstrate that the composite coating exhibits a better combination with substrates and consists mainly of the phases: Cr23C6，γ-Ni，TiN and TiB2; the composite coating is composed mainly of white granular TiN and black rod TiB2; the formation of strengthening phase in composite coatings gives a significantly improved substrate hardness; and the composite coating boasts an average micro-hardness of up to 13.5 GPa, about nine times that of Q235 steel matrix. The composite coating demonstrates a lower friction coefficient and an excellent antifriction property.

argon arc cladding; in-situ synthesis; TiN-TiB2; microstructure; wear resistance

2017-03-11

哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)資金項(xiàng)目(2016RAQXJ049)

孟君晟(1982-)，男，黑龍江省雞西人，工程師，博士，研究方向：金屬材料表面改性，E-mail:mengjs2008@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2017.05.003

TG174.44

2095-7262(2017)05-0457-05

A