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Fe_Cr_C_Si_B喷焊层的等离子弧重熔研究

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第31卷第1期1997年1月浙 江 大 学 学 报JournalofZhejiangUniversity(自然科学版)(NaturalScience)№1Vol.31Jan.1997

Fe-Cr-C-Si-B喷焊层的等离子弧重熔研究󰀁

严　密

(浙江大学材料科学与工程学系,杭州,310027)

提 要

本文首次开展了微束等离子弧的表面改性研究.采用2A、3A和4A微束等离子弧,对Fe-Cr-C-Si-B自熔合金喷焊层进行了表面扫描重熔,观察、分析了试样显微组织和成分分布,测定了扫描前后试样在1NH2SO4溶液中的极化曲线.由于试样的自淬火作用,微束等离子弧扫描细化了组织,减小了显微偏析,大大提高了喷焊合金的抗腐能力.关键词:等离子弧;重熔;表面改性;腐蚀

中图法分类号:TG174.21

0　前　言

高密度能量表面强化研究,主要集中在激光束和电子束.由于得到强度合适的电子束较为

困难,激光束表面强化研究更为广泛.[1-3]等离子弧具有温度高(可达60000K)能量集中的特

点[4-6],而微束等离子弧功率又较低,因此,只要工艺参数适当,微束等离子弧是通过基体自身

淬火实现快速凝固的潜在手段,但至今尚无这方面的报道.本文首次将微束等离子弧用于表面改性,对Fe基喷焊层进行扫描重熔试验,意在探索微束等离子弧表面重熔的可能性和适当的

工艺规范,并研究重熔处理对Fe基喷焊层耐蚀性能的影响.

高Cr铸铁型Fe基喷焊层具有很高的硬度和耐磨性,但尽管其中含Cr量很高,耐蚀性仍

远低于Ni基和Co基合金.本文研究表明,微束等离子弧扫描重熔是一种操作方便且十分有

效的表面改性方法,重熔处理后Fe-Cr-C-Si-B表面喷焊层的抗腐蚀能力大幅度提高,从而获得了一种利用高密度能量表面强化技术制备高性能耐磨防腐表面层的新方法.

1　实验方法

首先,采用等离子喷焊,在45号钢基体上获得厚度3～5mm的喷焊层.喷焊采用的Fe基

粉末成分为(wt%):Cr25.66,C4.05,Si3.41,B2.82,其余Fe,粉末粒度经预筛在250～300󰀁国家自然科学基金(59401010),浙江大学曹光彪高科技发展基金资助项目　本文于1996年7月收到　严密:男,1965年10月出生,副教授目之间.然后,采用微束等离子弧在试样喷焊层表面上进行多道连续扫描,使整个表面均得到处理.等离子喷焊时,氩气作为离子气和送粉气;等离子弧扫描时,氩气作为离子气和保护气,

试样作为阳极,等离子弧喷嘴作为阴极,喷嘴与试样之间距离1mm左右,选择的等离子弧电

流为2A、3A和4A,每道扫描中心间隔0.5mm,弧束最大直径约1.5mm,随电流大小略有波动.等离子喷焊与等离子弧扫描的主要工艺参数见表1.

表1　等离子喷焊和等离子弧重熔工艺参数等　离　子　喷　焊等　离　子　弧　重　熔离子气流量0.35m3/h离子气流量0.011m3/h送粉气流量0.48m3/h保护气流量0.005m3/h喷焊速率400mm/min扫描速度90mm/min送粉量60g/min束斑最大直径约1.5mm喷焊电流80A重熔电流2A,3A,4A喷焊电压38V每道间距0.5mm

为检查等离子弧扫描对腐蚀性能影响,测定了扫描前后试样的阳极极化曲线.测试前试样

先在金相砂纸上研磨,抛光,交用丙酮洗净,热风烘干.测量在室温进行,以饱和铅汞电极作为

参考电极.电解液为1NH2SO4水溶液,扫描速度为0.05mV/5min.此外,分别采用光学显微

镜、SEM和EPMA观察分析等离子弧扫描对Fe基喷焊层表面组织和成分的影响.

2　结果与讨论

实验证明,微束等离子弧在试样表面上聚集成一点,热量非常集中,加之输入功率低,因

此,不需喷水或喷气冷却,通过基体本身的冷却即可实现自淬火,且试样变形极小.每道等离子

弧扫描在喷焊层横截面上留下的重熔区与激光束表面扫描极为相似[1,2],重熔区在光学显微镜

下为耐浸蚀的白亮区(图1(a)).各道扫描道之间距离适当,可以得到厚度基本均匀的扫描层厚(图1(b)).

等离子弧扫描后,部分试样表面出现了少量显微裂纹.显然,高Cr铸铁型的Fe基喷焊层

具有较大脆性和重熔层急冷产生的应力是形成显微裂纹的原因.但显微裂纹都极为细小,而且

未发现扩展到重熔区的根部.重熔处理后试样横截面上Fe、Cr和Si的EPMA线扫描曲线见图1(c).未受微束等离子

弧影响的Fe基喷焊层,Fe和Cr浓度剧烈波动,表明存在着严重的显微偏析.在靠近表面的等

离子弧重熔区,Fe和Cr分布十分均匀,显微偏析大大减轻.由于Fe基喷焊层和45

钢基体的急冷,经等离子弧扫描,喷焊层表面组织大大细化,由粗大的莱氏体基体转变为极细的树枝晶,

在SEM下需放大到近2万倍才能观察到(图1(d)).

微束等离子弧处理前后Fe基喷焊层在1NH2SO4溶液中的阳极极化曲线见图2(a),(b),

它们的致钝电流密度Iep,最低维钝电流密度Ipp,钝化电位Vep,钝化区宽度Wp和过钝化电位Vp列于表2.显然,在整个电位区内,微束等离子弧处理表面的阳极电流密度均低于未处理的

试样,尤其是致钝电流密度Iep,比未处理试样降低了一个数量级以上,钝化电位Vp也有所提118 浙 江 大 学 学 报(自然科学版) 1997年

(a)扫描重熔区(×125)　(b)均匀厚度的重熔区(×125)(c)Fe,Cr在重熔区分布远较未重熔区均匀(×125)　(d)重熔处理后的表面SEM形貌(×20000)图1　2A微束等离子弧扫描对Fe基喷焊层组织和偏析程度的影响

高.在0.34～0.93V之间,处理过的试样腐蚀电流密度趋近于0,说明试样几乎没有腐蚀.这

些数据表明,尽管处理过的试样表面出现了少量显微裂纹,微束等离子弧扫描仍大幅度提高了

Fe喷焊层表面的钝化能力,从而改善了耐腐蚀性能.119第1期 严　密:Fe-Cr-C-Si-B喷焊层的等离子弧重熔研究

(a)未重熔试样 (b)2A和3A重熔试样图2　扫描处理对Fe基喷焊层极化曲线的影响

表2　等离子弧处理前后试样的电化学测试参数

Iep(mA/cm2)Ipp(mA/cm2)Vp(V)Wp(V)Vp(V)

未重熔56.8210.395-0.150.45-0.920.922A重熔4.4510.096-0.020.34-0.930.933A重熔4.46280.133-0.100.35-0.920.92

耐腐蚀性能的提高主要是因为等离子弧扫描使显微偏析的喷焊层成分均匀化.等离子喷

焊层中,大量的Cr富集在最后凝固的枝晶间,形成碳化物CrxCy和(CrFe)xCy.而在树枝晶的

心部,由于含Cr量较低而易受腐蚀.温度极高的等离子弧束扫描时,喷焊层表面被重熔,喷焊

层组织中的大量碳化物也同时被溶解.同时,因为输入热量不高并集中于一点,重熔层被基体

迅速冷却,重熔区处于液态和高温的时间极短,元素扩散受到抑制,显微偏析程度降低,基体含

Cr量也因此而提高.此外,重熔—急冷处理大大细化了表面组织,这也将减少显微偏析.根据

Baer等的研究[7],晶粒尺寸的减小有利于Cr2O3防护膜的形成.碳化物含量的降低,还会减少

电化学腐蚀的反应偶-基体和碳化物.这样表面重熔层的耐蚀性得到了改善.2A等离子弧处

理的试样,因输入功率比3A更低,急冷速率更高,显微偏析程度更低,相应表面组织也更细

小.这样,经2A微束等离子弧处理的试样,在电化学试验中的电流密度最低.

3　结　论

1.微束等离子弧扫描重熔是一项操作简单且非常有效的表面处理方法.通过2A和3A等

离子弧扫描,Fe-Cr-C-Si-B喷焊层的耐腐蚀能力显著提高;2.显微偏析程度的减小和重熔-急冷组织的细化,是Fe-Cr-C-Si-B喷焊合金耐腐蚀性能

提高的原因.120 浙 江 大 学 学 报(自然科学版) 1997年参　考　文　献

1.LaroudieF,TassinC,PonsM,J.Mater.Sci.,1995,30:3652～36572.TongSC,KuJS,WuC.S.ScriptaMetall.Mater.,1994,31:8353.TomokiT,YasuyukiT,GenzoH,YoshioH.Mater.Trans.JIM,1993,34:694.LeeJD,RaHY.Surf,andCoatingTech.,1992,56:27～375.ChanWS,LuiTS,ChenLH.Mater.Trans.JIM,1994,35:529～5376.HunterH,ThomasA,PlravinFI,HodgsonS.Surf.Eng.,1993,9:226～2307.BaerDR,MerzMD.Metall.Trans.,1980,11A:1973

Effectofmicro-beamplasma-arcremeltingon

thecorrosionresistanceofFe-baseoverlay

YanMi

(Dept.ofMaterialsScienceandEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027)

Abstract

　Surfacemodificationusingmicro-beamplasma-arcwasconductedforthefirsttimein

thestudy.With2A,3Aand4Aplasma-arc,theFe-Cr-C-Si-Boverlaywasscannedbythemulti-passmethod.ThemicrostructurewasobservedusingSEM,andthedistributionof

alloyelementswasanalysedusingEDAX.Thepolarizationcurvesbothwithandwithout

scanningwerein1NH2SO4solution.Itwasfoundthataftermicro-beamplasma-arcscan-ning,themicrostructurewasrefinedandmicrosegregationwaseliminated.Asaresult,the

corrosionresistancewassignificantlyimproved.

　Keywords:plasma-arc,remelting,surfacemodification,corrosion121第1期 严　密:Fe-Cr-C-Si-B喷焊层的等离子弧重熔研究

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超音速喷涂Cr_3C_2_25NiCr复合涂层的组织及电化学特性研究

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第1卷 第2期 热 喷 涂 技 术 Vol.1, No.22009年12月 Thermal Spray Technology Dec., 2009

超音速喷涂Cr3C2-25NiCr复合涂层的

组织及电化学特性研究

沈婕， 国俊丰，魏伟，高峰，万伟伟，侯伟骜

（北京矿冶研究总院，北京 100044）

摘 要：采用超音速火焰喷涂（HVOF）设备在Q235钢表面制备了Cr3C2-25NiCr 金属陶瓷涂层，对

涂层的显微形貌、组织成分和机械性能进行了研究，结果表明：HVOF制备出的金属陶瓷涂层主要由NiCr、Cr3C2和Cr7C3相组成，涂层致密、硬度高，与基材的结合强度好。实验还测试了涂层和基材在0.5 %H2SO4溶液中的腐蚀、电化学行为，阳极极化曲线测试结果显示出涂层在0.5 %H2SO4溶液中具有很好的耐蚀性，通过SEM及所配能谱对基材和涂层腐蚀产物形貌和成分进行分析，发现涂层腐蚀主要

发生粘结相NiCr合金处，而Ni、Cr氧化物阻止了腐蚀进一步发生，96 h浸泡实验也证实了致密的金

属陶瓷涂层对基材有很好的抗腐蚀保护作用。 关键词： HVOF； Cr3C2–25NiCr涂层； 显微组织；电化学

中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1674-7127（2009）02-0048-05

Microstructure and Electrochemical Properties of

Cr3C2-25NiCr Coating by HVOF spraying

SHEN Jie，GUO Jun-feng，WEI Wei，GAO Feng，WAN Wei-wei，HOU Wei-ao

（Beijing General Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100044，China） Abstract：Cr3C2-25NiCr metal ceramic coating was produced on the surface of Q235 steel by HVOF（high

高硅固溶强化球墨铸铁熔炼工艺的研究

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高硅固溶强化球墨铸铁熔炼工艺的研究

摘要：为生产高硅固熔强化球墨铸铁，对熔炼中铁液的化学成分、孕育处理及热处理技术进行了分析研究，得出高硅固熔强化球墨铸铁比传统球墨铸铁具有更高的抗拉强度，硬度和强度分布更均匀，机械性能及加工性能良好。

关键字：高硅固熔强化 球墨铸铁 熔炼工艺

1.前言

在生产中发现，随着珠光体稳定元素含量的波动，既使是同一批次生产的铸件，在不同铸件的相同部位性能也会产生很大的波动；硬度的波动造成同牌号的球墨铸铁不同位置机加工性能相差可高达50%，HBW230 时的进刀量要比HBW170

时小0.1mm。所以寻找一种基本上是单相基体的球墨铸铁，减少硬度波动，提高球墨铸铁的机械加工性能也十分必要。

硅是铸铁中使用最广泛的元素，它可以固溶于铁素体中起强化作用，从而提

高

铁素体的强度。图1、图2是硅含量对铁素体球墨铸铁抗拉强度和伸长率的影响关系。

图1 Si含量与抗拉强度的关系 图2 Si含量与伸长率的关系

2.工艺原理

2.1 化学成分的分析与确定

依据化学成分对球墨铸铁性能的影响，尤其是硅含量对铁素体球墨铸铁伸长率的影响关系，化学成分按照如下原则确定。 1.

CE值。碳当量对球墨铸铁的流动性和缩孔、缩松影响很大，在碳当量的质量分数为4.6%-4.8%时，流动性最好，有利于浇注成形、补缩，缩孔、缩松倾向小，可以获得健全的铸件[1]。因此，球墨铸铁的碳当量控制在4.6-4.8%范围内。

2.

硅。硅是促进石墨化元素，硅多提高了铸铁共晶转变时的临界冷却速度，使铁水在凝固过程中对冷却速度的敏感性降低，更有利于形成全铁素体球墨铸铁。由图1看出，当球铁中硅含量小于5％时，铸件的抗拉强度、屈服强度和硬度都随Si含量呈增大趋势，而断后伸长率则呈下降趋势，从图2可以看出，当Si含量超过4.5%时，其伸长率急剧下降，故Si含量一般控制在在3.5％-4.5％的范围。

3.

锰。锰是阻碍石墨化、强烈稳定奥氏体的元素，并容易在共晶团边界上富集形成偏析，对力学性能有特别不利的影响[2]，对于铁素体基体的球墨铸铁来说，则锰的质量分数应在0.3以下。

表面熔敷技术概述

表面熔敷技术概述

表面熔敷技术概述

刘春阁，邱星武

精 密 成 形 工 程

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现代工业的迅速发展，对机械产品的性能要求越来越高。很多机械部件要在高温、高压、高速或高度自动化的条件下长期稳定工作，因而对材料的性能提出更高的要求E1-3~。过去常常选用一些高合金，并采用整体热处理的方法使零件的性能达到使用要求。由于高性能材料往往成本很高，实际应用中大部分零部件仅要求表面很薄一层有高的硬度、好的耐磨性和耐蚀性，芯部有较好的韧性。表面熔敷技术正是在这样的背景下发展起来的一项技术。表面熔敷技术是通过加热使合金元素与基体熔化形成冶金结合，从而制备出具有各种优异性能的表面薄层。在基体表面熔敷一层耐磨合金层，不但可以保留基体原有的机械性能，而且大大增强表面耐磨、耐冲击的能力，延长了产品的使用寿命，节省了材料，具有较好的经济性l4 ]。

目前研究的熔敷技术包括感应表面熔敷、激光表面熔敷、热喷涂技术和堆焊表面熔敷等。感应表面熔敷是利用电流的感应热效应为热源，用不同的添料方式在被熔敷的基体上放置所选择的涂层材料，通过感应热使之与基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料形成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化能力及电气特性的工艺方法。激光熔敷技术是激光加工技术发展的一个重要分支，与其他表面加工技术相比具有应用面广、实用性强、应用灵活等特点；与其它几种表面改性技术比较，激光熔敷可形成与基体冶金结合、组织致密、性能优异可控的工件表面层。

激光表面熔敷和堆焊表面熔敷与感应表面熔敷原理相似，只是加热方式不同。激光表面熔敷利用激光的高能量束对基体和合金元素加热。由于激光加热速度快，涂层不易被基体稀释，且由于变形较小，因而零件报废率也低。堆焊表面熔敷是用焊接的方法把填充元素熔敷在基体表面，它也可显著提高材料表面的性能。

Q235

Q235

第３５卷第３期　２　０　１　５年６月　黑龙江冶金　

Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ　Ｖｏｌ＿３５　Ｎｏ．３　Ｊｕｎｅ　２　０　１　５　

Ｑ２３５钢表面氩弧熔覆Ｂ４　Ｃ—Ｔｉ复合涂层　

组织与性能的研究　

陈永生，王永东　

（黑龙江科技大学材料科学与工程学院，哈尔滨１５００２２）　

摘要：以Ｂ４Ｃ粉、Ｔｉ粉和Ｆｅ粉末为原料，采用氩弧熔覆技术在Ｑ２３５钢基体表面制备出增强复合涂层。利用　扫描电镜，ｘ射线衍射仪，显微硬度仪和摩擦磨损试验机等对复合涂层的组织，相组成，硬度和耐磨性能进行了　研究。结果表明：熔覆层相由　—Ｆｅ、颗粒状ＴｉＣ和ＴｉＢ构成，ＴｉＣ颗粒弥散分布在基体上，涂层显微硬度高达　７００ＨＶＯ．２，耐磨性能比Ｑ２３５钢基体提高约６倍。　关键词：Ｑ２３５钢；氩弧熔覆；显微组织；耐磨性　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｐｒｏｐｅｒｔｙ　ｏｆ　Ｂ４　Ｃ—Ｔｉ　Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｃｏａｔｉｎｇ　

ｂｙ　Ａｒｇｏｎ　Ａｒｃ　Ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｏｎ　Ｑ２３５　Ｓｔｅｅｌ　Ｓｕｒｆａｃｅ　

Ｃｈｅｎ　Ｙｏｎｇｓｈｅｎｇ，Ｗａｎｇ　Ｙｏｎｇｄｏｎｇ　

（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅｉｌｏｎｇｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　

＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｈａｒｂｉｎ　１　５００２２　Ｃｈｉｎａ、　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｗａｓ　ｐｒｅｐａｒｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　Ｑ２３５　ｓｔｅｅｌ　ｂｙ　ｍｅａｎｓ　ｏｆ　ａｒ—　

ｇｏｎ　ａｒｃ　ｃｌａｄｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｐｒｅ一￣ｌｏｙｅｄ　ｐｏｗｄｅｒ　ｏｆ　Ｂ４Ｃ，Ｔｉ　ａｎｄ　Ｆｅ．Ｔｈｅ　ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，　

ｐｈａｓｅ？ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｈａｒｄｎｅｓｓ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ　ｕ—　ｓｉｎｇ　ＳＥＭ，Ｘ—ｒａｙ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ　ｔｅｓｔｅｒ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ａｎｄ　ａｂｒａｓｉｏｎ　ｔｅｓｔ　ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏａｔｉｎｇ　ｉｓ　ｃｏｍｐｏｓｅｄ　ｍａｉｎｌｙ　ｏｆ　Ｏｔ—Ｆｅ　ａｎｄ　ＴｉＣ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｎｄ　ＴｉＢ，ｔｈｅ　ＴｉＣ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ａｒｅ