球墨铸铁表面高能电子束涂覆陶瓷涂层研究

王亚君,陈锡渠,沈宏,王占奎

（1.新乡学院,河南新乡453003；2.河南科技学院,河南新乡453003）

电子束加工技术是近年发展起来的一种先进制造技术,其在材料表面改性（电子束表面改性、电子束物理气相沉积）、机械加工（高硬材料、易氧化或韧性材料的微细小孔打孔、复杂形状的铣切和焊接）等方面的应用已受到广泛关注[1-3].球墨铸铁的力学性能大大高于灰铸铁,并优于可锻铸铁,它的某些性能接近钢,在磨具、曲轴等方面应用很多.球墨铸铁应用于磨具时对其耐磨性有更高的要求.目前对球墨铸铁的表面改性多采用激光相变、激光熔覆等技术[4-6],本文采用高能电子束对球墨铸铁表面涂覆陶瓷涂层,对其形貌和组织及其表面硬度分布进行了分析研究.

1 试验方法

以球墨铸铁作为试验材料,用陶瓷（本试验选用钛化硼合金）粉末涂在经研磨（以获得低表面粗糙度）的试样表面上,对试样进行电子束照射的工艺参数为：聚焦点直径0.5 mm,电压100 kV,电流3 mA,扫描速度 14.5～16 mm/s,作用时间 3×10-2～3×10-1s、平均冷却速度 1.5×103～6.3×103℃/s.经上述工艺涂覆的球铁试样的横截面在金相显微镜下观察其金相组织,并测定其显微硬度.

2 试验结果与讨论

试样经高能电子束照射、腐蚀后用肉眼可看到近似半圆形的区域.用金相显微镜观察可看到四个分区（见图l）：I-熔覆层；Π-过渡层；Ⅲ-热影响层；Ⅳ-基体组织.

图1 高能电子束涂覆陶瓷涂层后球铁的金相组织四个区域（×100）

2.1 熔覆合金层

熔覆合金层为又白又亮的合金层,厚度可达0.6～0.8 mm左右,金相组织呈树技状,如图2所示.

图2 高能电子束涂覆陶瓷涂层后球铁表层白亮合金层的金相组织（×1250）

熔覆合金层树枝状组织中,树枝方向接近于最大温度梯度方向,因熔化时的对流搅动作用而表现出一些不连续.该区是由树枝状的固溶体基体与枝晶间溶入的亚稳定的、细小的、弥散的钛硼化合物组成的共晶体.

2.2 过渡层

熔覆层里面是0.2 mm左右的过渡层,由部分树枝状结构和针状马氏体组成.随深度的增加,树枝状晶体变大,且呈无序、无方向性排列,这是由于深度增加对流搅拌作用强度降低所致,同时由于石墨部分溶解,碳集中于小的区域,故在热影响区的近界面处因高的碳浓度而形成针状马氏体,热影响区的里层,加热温度和冷却速度的持续转变产物为隐晶马氏体及少量的屈氏体和石墨.

2.3 热影响层和基体

过渡层与基体之间有宽度大约0.3 mm的热影响区,该区的部分球状石墨熔解,石墨球变得稀疏,与基体明显不同.由于热影响层内热流显著减弱,对流搅拌作用极小,有利于珠光体的形成,故此层内由马氏体和珠光体组成.随热影响层深度增加,加热温度和冷却速度持续降低,转变产物为隐晶马氏体及少量的屈氏体和石墨优良的综合机械性能,属强化组织.随着层深的持续增加,高能电子束的热量作用不够,基体组织没有显著变化.

2.4 硬度

经高能电子束涂覆后的球铁的显微硬度分布如图3所示.

图3 高能电子束涂覆陶瓷涂层后球墨铸铁的金相组织四个区域（×100）

其熔覆合金层的硬度值约为1 150 HV,并且整个熔覆合金层的硬度没有明显变化.其所以有如此高的硬度是由于钛硼化合物沉淀在固溶体枝晶内的结果.当通过熔覆合金层进入过渡层后,出现了部分针状马氏体,其硬度在一个小范围内有较明显变化,硬度值随过地层深度的增加而降低,其变化范围为1 000～850 HV.热影响区内,随深度的增加马氏体量减少,而珠光体量增加,硬度降低,其变化范围为800～350 HV.基体硬度约为300 HV.

3 结论

经高能电子束涂履陶瓷涂层的球墨铸铁表层组织有四层：熔覆合金层、过渡层、热影响层和基体.熔覆合金层为树枝状固溶体与细小的钛化物形成的共晶体,其硬度约为1 150 HV度.经高能电子束涂履陶瓷涂层的球墨铸铁,得到了用常规热处理难以得到的高的表面硬度和内部韧性.

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