Nb对NiCrBSi氩弧熔覆层显微组织及耐磨性的影响孟君晟;史晓萍;薛芳;崔文超;孔秀华;丁业立【摘要】为提高低碳钢表面的耐磨性能,以Nb粉和NiCrBSi粉为原料,利用氩弧熔覆技术在Q235钢表面制备耐磨涂层,探讨不同Nb含量对涂层组织及性能的影响。
采用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱分析仪等分析涂层的物相和显微组织结构,利用显微维氏硬度计和干滑动摩擦磨损试验机测试涂层的显微硬度和耐磨性能。
结果表明:熔覆层主要由M23C6、γ-Ni、NbC和CrB等物相组成,Nb的加入减少了沉淀相的结构尺寸,碳化物的生长被抑制。
随着Nb质量分数的增加,熔覆层的显微硬度逐渐降低。
与纯NiCrBSi合金熔覆层对比,Nb质量分数为6%的熔覆层的显微硬度降低了1.5GPa,但涂层的磨损失重最少,耐磨性提高了5倍,具有良好的干滑动摩擦磨损性能。
【期刊名称】《黑龙江科技大学学报》【年(卷),期】2018(028)006【总页数】6页(P668-673)【关键词】氩弧熔覆;镍基合金;显微组织;摩擦磨损性能【作者】孟君晟;史晓萍;薛芳;崔文超;孔秀华;丁业立【作者单位】[1]山东交通学院船舶与轮机工程学院,山东威海264310;[1]山东交通学院船舶与轮机工程学院,山东威海264310;[1]山东交通学院船舶与轮机工程学院,山东威海264310;[1]山东交通学院船舶与轮机工程学院,山东威海264310;[1]山东交通学院船舶与轮机工程学院,山东威海264310;[1]山东交通学院船舶与轮机工程学院,山东威海264310;【正文语种】中文【中图分类】TG174.440 引言表面熔覆技术是利用热源对熔覆材料进行加热熔化，在基体表面形成耐磨、耐蚀涂层，以提高材料表面性能的表面改性技术[1]。
根据加热方式不同，表面熔覆技术主要包括激光熔覆、等离子熔覆、感应熔覆、氩弧熔覆等[2-4]。
与其他表面熔覆技术相比，氩弧熔覆技术由于其价格优势、操作优势、可控优势等，具有较大的研究价值和应用价值。
I.A.M.Arif等[5]利用氩弧熔覆技术，在钛合金表面原位合成TiC颗粒，探讨增强相的形成机制和涂层的强化机制。
H.Zhang等[6]在空气冷却和水冷条件下采用氩弧熔覆技术，原位制备碳化钒增强铁基熔覆层，对比研究不同冷却条件对熔覆层碳化物尺寸、晶粒尺寸以及性能的影响。
D.T.Waghmare等[7]利用熔覆技术在Ti6Al4V合金上沉积NixTiy(NiTi和NiTi2)涂层，熔覆层主要由NiTi和NiTi2组成，与Ti6Al4V合金基体相比，熔覆层的耐磨性提高了9.5倍。
笔者在前期研究中利用氩弧熔覆技术制备了TiC、TiN、WC、TiN+TiB2等颗粒相增强镍基熔覆层，探讨熔覆层的组织特点、颗粒的形成机制以及磨损腐蚀机理等[8-12]。
镍基自熔性合金如NiCrBSi具有较低的熔点及良好的自熔性，可以用于零件的修复及改性，从而大幅度提高材料表面性能，在工程中有广泛的应用前景[13]。
在NiCrBSi合金中添加过渡金属如Ti、Ta、V、Nb等元素制备的涂层，能够改变镍基合金的成分、细化组织，从而提高熔覆层的性能[14]。
在镍基合金中加入Nb元素，对于提高熔覆层的韧性和抗磨性能是一种有效的方法[15]。
I.Hemmat等[16]在NiCrBSiC合金中加入Nb元素，发现当Nb加入量达到4%时，熔覆层组织细化，但熔覆层开裂现象依然存在。
文中采用氩弧熔覆技术在Q235钢表面熔覆Nb 粉和NiCrBSi合金粉，获得耐磨涂层，探讨不同Nb含量对熔覆层组织细化及显微硬度和耐磨性的影响规律。
1 实验1.1 涂层制备选用低碳钢Q235作为基体材料，将试样进行切割打磨，尺寸80 mm×20mm×12 mm，去除表面氧化皮后用酒精清洗。
熔覆材料选用Nb粉(99.9%，平均粒径为70 μm)和NiCrBSi粉(平均粒径为80 μm)，Nb粉加入质量分数为0、2%、4%、6%和8%，总质量为15 g，NiCrBSi的主要成分为C(0.7%～1.1%)、Si(3.2%～5.0%)、B(3.0%～3.8%)、Cr(17.0%～19.0%)、Fe(﹤5%)、Ni(余量)。
将混合粉末置于XQM-6行星式球磨机中进行球磨混合5 h。
利用水玻璃调和混合均匀的合金粉末，保证干湿度均匀，之后涂覆于Q235钢表面，厚度约为2 mm。
室温放置24 h，熔覆前在TX型数显鼓风干燥箱中于120～150 ℃干燥4 h。
利用MW3000型焊机作为熔覆设备，同时采用CG1-30型半自动切割车作为行走装置，熔覆工艺参数为：熔覆电流120 A，熔覆速度120 mm/min，电压15.3 V，气体流量 10 L/min。
1.2 分析测试沿垂直熔覆层方向进行切割，试样尺寸10 mm×20 mm×12 mm。
对切割后的试样横截面进行金相试样制备，利用水砂纸(400#～1 500#)进行磨光处理，用Cr2O3水溶液抛光处理，用体积比为1∶9的硝酸和氢氟酸的混合溶液对熔覆层进行腐蚀，时间为5～10 s，腐蚀后的试样作蒸馏水清洗，吹干。
利用DX-2700B型X射线衍射仪测试不同Nb含量熔覆层的物相组成。
利用FEI Sirion 200型扫描电子显微镜获得熔覆层组织形貌，并作选区能谱分析，以确定不同组织的元素成分及组成。
利用MHV2000数显显微维氏硬度仪测试熔覆层横截面显微硬度。
利用MMS-2A磨损试验机，在相同的时间内测定基体和不同Nb含量熔覆层的磨损量。
利用MMS-2B型摩擦磨损试验机测试不同Nb含量熔覆层及Q235钢基体的摩擦磨损性能，实验采用环-块接触磨损方式，对磨材料为淬火态的GCr15钢，表面硬度可达6.9 GPa施加实验载荷为200 N，在转数为200 r/min时摩擦60 min。
不同Nb含量熔覆层及基体磨损前后均用酒精清洗，采用FC204分析天平(精度为0.1 mg)测量质量，计算磨损失重。
2 结果与讨论2.1 复合涂层的物相与生成物自由能图1所示为不同Nb含量氩弧熔覆层X射线衍射图谱。
从图1可知，含Nb为0时，熔覆层主要由γ-Ni、CrB、M7C3、M23C6物相组成，衍射谱线上没有NbC 的衍射峰，可以断定熔覆层中无NbC生成；而含Nb 6%的熔覆层出现了NbC衍射峰，且M7C3衍射峰消失，在合金粉末和基体中并不含有NbC，说明在熔覆层中原位生成了NbC。
图1 氩弧熔覆涂层的X射线衍射图谱Fig. 1 XRD pattern of composite coating by argon arc cladding实验选择的合金粉末中共含有Nb、C、Si、B、Cr、Fe、Ni六种合金元素，根据合金体系特点，可能组成Fe2B、FeB、CrB2、CrSi、CrB、Cr7C3、Cr3Si、SiC、CrSi2、Ni3B、Cr23C6、NbC等多种化合物，利用相关热力学数据[17]，得到吉布斯自由能与温度的关系曲线，见图2。
从图2可以看出，在600～1 800 K内，比NbC自由能低的化合物仅有Cr7C3和Cr23C6，因此，由反应的自由能可以判定，氩弧熔覆可以原位合成NbC。
图2 合金体系中反应产物自由能随温度变化关系Fig. 2 Relationship between reaction free energy at alloy system changing with temperature2.2 复合涂层的组织结构图3所示为氩弧熔覆层横截面照片。
从图3可以看出，熔覆层及结合区域没有气孔、裂纹等缺陷，界面形貌清晰。
经氩弧快速凝固处理得到的熔覆层的组织为铸态结构，熔覆区内组织细小均匀、致密，呈弥散分布状态，熔覆层与基体结合部位形成等轴晶组织，熔覆层中部及顶部组织为树枝晶或胞状树枝晶，且尺寸明显细化，这与激光熔覆镍基涂层相似[18]，如图3a。
从图3b光学截面形貌可以看出，在熔覆层与基体的结合处有一条明显的白亮带，说明界面发生了原子扩散，使熔覆层与基体达到冶金结合。
与激光熔覆相比，氩弧熔覆过程的冷却速度相对较小，降低了熔覆时表面和基体的温度梯度。
这是氩弧熔覆有较小开裂倾向的原因之一。
图3 氩弧熔覆层的横截面照片Fig. 3 Cross-section morphologies of composite coating by argon arc cladding图4所示为不同Nb含量熔覆层顶部光学组织照片。
从图4可以看出，在熔覆层顶部组织由胞状晶及树枝晶构成，随Nb含量的增加，晶粒组织形态细化，分布均匀致密。
分析认为，熔覆层顶部均匀致密分布的细小胞状晶及树枝晶是由于氩弧熔覆过程具有快速冷却的特点，随着熔池逐渐冷却到顶部时，结晶的速度逐渐增大，过冷度也增大，从而使得熔覆层顶部的晶粒形成较为细小的胞状晶及树枝晶[19]。
图4 不同Nb含量熔覆层顶部的光学照片Fig. 4 OM images of top area of clad coating under different Nb content图5所示为不同Nb含量熔覆层顶部的SEM显微组织照片。
从图5可以看出，氩弧熔覆层中上部显微组织形貌网状共晶组织及析出相组成，随Nb含量的增加，熔覆层中形成的共晶组织细化，Nb质量分数为6%时，熔覆层中网状共晶组织的形态和尺寸发生较大改变。
图5 不同Nb含量熔覆层顶部的SEM照片Fig. 5 SEM images of top area of clad coating under different Nb content为了进一步确定析出相和网状共晶组织的相组成，根据图6，对Nb质量分数为6%的熔覆层进行能谱分析。
1、2和3位置的能谱分析结果显示，灰色基体主要由Ni(64.69%)、Fe(27.86%)、Si(4.62%)、Cr(2.83%)等组成，白色颗粒状组织主要由Nb(68.69%)和C(31.31%)组成，网状组织主要含有Ni(10.94%)、Fe(36.65%)、Si(2.02%)、Cr(40.56%)和C(9.83%)。
结合XRD分析结果可知，Nb质量分数为6%时，熔覆层组织由分布在γ-Ni基体上的NbC颗粒和网状的碳化物组成。
图6 氩弧熔覆层SEM形貌Fig. 6 SEM micrographs of argon arc clad coating 2.3 复合涂层的硬度与耐磨性图7所示为不同Nb含量熔覆层的横截面显微硬度分布。
从测试结果可以看出，随着Nb含量的增加，熔覆层的显微硬度逐渐降低。
当熔覆层中不含有Nb时，熔覆层具有较高的硬度，硬度可达7.5～9.0 GPa。
这是由于熔覆层中还有较多的Cr7C3和其他析出相，分布于硬度较高的连续共晶组织中。
