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)

目前，关于表面改性技术已经有了很广泛的研究，尤其是表面熔覆技术已成为国内外研究的热点，国外学者［1－4］对氩弧熔覆技术的研究，多关注于在钛合金或不锈钢基体上制备提高耐磨耐蚀性的复合涂层，国内研究多在铸铁或低碳钢表面上制备增强复合涂层［5－8］，氩弧熔覆技术具有所需设备价值低廉，工艺简单等优点，对零件和工具设备修复具有重要的实用价值，在制备耐磨材料领域得到了广泛应用［9，10］。本文采用氩弧熔覆技术，在Q235钢基体表面原位合成TiC－TiB/Fe基复合涂层，对复合涂层的显微组织和耐磨性能进行了探究。

1 试验方法

选用Q235钢作为基体材料，切割加工试样尺寸为40mm×10mm×10mm，用无水乙醇和丙酮清洗，表面除油除锈。熔覆材料为B4C粉、钛粉(平均粒度为约为25μm，纯度B4C粉99.5%、钛粉99.9%)和铁粉(平均粒度为约为30μm，纯度99.5%)，将混好的待熔粉末用胶水调成糊状涂覆于Q235钢试件表面，预涂复合涂层厚度范围为1mm～1.5mm，自然干燥24h后，在电炉中200℃保温1h烘干，采用MW3000型数字式焊接机进行氩弧熔覆制备熔覆涂层。

本文借助MX2600型扫描电子显微镜分析涂层组织形态，利用MHV2000型显微硬度计分析试样熔覆区、结合区与基体之间的硬度变化规律，利用D/max2200型X射线衍射仪进行物相分析，在MMS－2B摩擦磨损试验机上用淬火态的GGr15钢环进行磨损试验，实验参数为:法向载荷200 N，转速为200r/min，磨损时间为30min，用精度为0.1mg的FC系列－204型电子分析天平称量试样的磨损失重，用Axio lab.A1蔡司显微镜观察磨损表面形貌。

2 结果与分析

2.1 氩弧熔覆复合涂层微观组织分析

图1为氩弧熔覆复合涂层与Q235钢基体显微组织的截面SEM扫描照片，从图中可以看出，熔覆层与基体之间界面冶金结合较好。图2为氩弧熔覆复合涂层试样的XRD衍射图谱，对衍射峰的标定分析结果表明，复合涂层中存在的物相主要由TiB、TiC和α－Fe等构成。

图1 复合涂层截面的组织形貌

图2 复合涂层的XRD图谱

图3为氩弧熔覆合成颗粒的扫描电镜组织形貌及能谱分析，可以看出，组织形貌颗粒相富含C和Ti(见图3a)，长条棒状物相主要成分为B和Ti(见图3b)。结合上述XRD分析结果表明，图中黑色基体为α－Fe，弥散分布的颗粒相为TiC，长条状棒状为TiB。

图3 复合涂层的SEM及EDS分析

该反应系在氩弧熔覆温度作用下，发生5Ti+B4C=4TiB+TiC化学反应，在200K～1 300K的温度范围内，该反应式的吉布斯自由能小于0，从热力学角度分析该反应自发产生，反应产物也最稳定。氩弧熔覆熔池中分布的C、B、Fe和Ti等各元素具有浓度分布的不均匀性，钛是强碳化物形成元素，又由于碳的扩散系数大于硼的扩散系数，熔池凝固过程中优先生成碳化物TiC，TiC的晶格结构呈八面体状，所以TiC较易呈颗粒状形貌长大，随着反应的继续进行，其后生成的TiB以TiC为形核质点长大，随着TiB的长大，界面处的B原子浓度发生变化，B原子过饱和度较大的地方生长较快，从而较易生长成长条棒状的TiB(图3b)。

2.2 氩弧熔覆复合涂层性能分析

图4为氩弧熔覆复合涂层显微硬度分析曲线。由图中可知，涂层表面硬度很高，最高达700HV0.2，TiC/TiB增强相具有很高的硬度，沿基体方向，硬度呈梯度逐渐降低，最低可达207HV0.2，图5为Q235钢基体与熔覆复合涂层的相对耐磨性，基体磨损失重为0.059g，复合涂层失重为0.010g，在相同载荷条件下，氩弧熔覆复合涂层的耐磨性明显优于基体Q235钢，约为基体的6倍，复合涂层高磨损抗力的原因在于TiC和TiB硬质相的存在。

图6是氩弧熔覆复合涂层和基体材料磨损表面形貌蔡司金相照片。从图可知，相同条件下，基体的磨损表面与复合涂层的相比:磨痕粗且深，发生的塑性变形严重，磨面上产生的沟状条纹较大，有大片磨屑脱落得痕迹。分析原因主要是由于硬度较高的TiC和TiB粒子在基体中是均匀弥散分布的，减少了大片磨屑脱落的可能性。

图4 复合涂层的显微硬度分布曲线

图5 复合涂层和Q235钢的相对耐磨性

图6 Q235和复合涂层磨损表面形貌

3 结论

(1)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熔覆层，涂层相组成为:α－Fe、TiC和TiB，增强相TiC呈颗粒状，TiB呈长条棒状。

(2)对涂层进行硬度测试，平均硬度为700HV0.2，在干滑动磨损条件下，涂层的耐磨性比基体提高了约6倍。

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