微米和纳米Cr3C2对Co40合金等离子堆焊层组织与性能的影响

斯松华，于婉萍，张 磊，李 飞

（安徽工业大学材料科学与工程学院，马鞍山243002）

0 引 言

机械工程零部件失效的主要原因之一是表面的磨损，由此造成的经济损失较大［1］。等离子堆焊技术是一种有效的表面强化方法，通过在零件表面堆焊一层具有特殊性能的合金，可以提高基体材料的表面性能，从而延长零件的使用寿命［2］。等离子堆焊钴基合金层常被用于高温工作环境中，通过添加陶瓷颗粒来提高其磨损性能［3-4］。Cr3C2具有高熔点、高硬度等特点，其作为陶瓷增强相应用于表面涂层的研究已有很多报道［5-6］，但之前研究人员所使用的Cr3C2陶瓷颗粒多为微米级，它与基体的相容性有待进一步改善。

纳米颗粒具有良好的纳米效应，添加纳米Cr3C2颗粒可以改善涂层的组织与性能。但目前相关的研究还不多见，为此，作者采用等离子堆焊方法在低碳钢表面分别制备了Co40合金堆焊层、分别添加质量分数30%微米和纳米Cr3C2的Co40合金复合堆焊层（以下简称Cr3C2／Co复合堆焊层），对比研究了添加米和纳米Cr3C2对Co40合金堆焊层组织与磨损性能的影响。

1 试样制备与试验方法

主要原料包括Co40合金粉、微米和纳米Cr3C2o粉。Co40合金粉的粒径为53～120μm，其化学成分（质量分数／%）为0.27C，28.6Cr，2.27Ni，5.4Mo，0.5Fe，余 Co。微米 Cr3C2的粒径为40～82μm，纳米Cr3C2的粒径为60nm。

分别以Co40合金粉、30%（质量分数，下同）微米Cr3C2和Co40合金混合粉、30%纳米Cr3C2和Co40合金混合粉作为堆焊材料，以低碳钢板作为基材，将以上几种堆焊材料分别置于研钵中，添加适量的丙酮和火棉胶并混合均匀，然后将三种堆焊材料均匀预置于钢板表面，将预置后的钢板置于200℃加热炉中烘干2h并随炉冷却后，利用PTA-400E型等离子喷焊机进行堆焊。堆焊前，先对待焊面进行预处理以除去其表面的铁锈和油污，并用丙酮进行清洗。堆焊工艺参数为：转移弧电流160A，送粉电压25V，行走速度70mm·min-1，摆动宽度22mm，离子气流量 0.5m3·h-1，保护气流量0.5m3·h-1，喷距7mm。将堆焊后的试样置于200℃加热炉中保温2h并随炉冷却。堆焊层的厚度约为3mm，将堆焊后的试样沿垂直于焊接方向制取金相试样，经打磨、抛光后采用王水进行腐蚀，然后采用PHILIP-XL30型扫描电镜观察各堆焊层的显微组织；采用HV-1000Z型显微硬度计测试样的显微硬度，加载载荷为9.8N，加载时间为10s；采用D8 Advance型X射线衍射仪分析各堆焊层的物相。

采用线切割制取磨损试样，其尺寸为30mm×7mm×6.5mm，其中堆焊层表面（30mm×7mm）为磨损面。在MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机上进行环-块式滑动磨损试验，下部环状试样采用硬度为60HRC的GCr15钢，加载载荷为300N，转速为200r·min-1，磨擦时间为40min。磨损前后分别用丙酮、酒精对试样进行超声清洗，并用精度为0.1mg的分析天平称量试样的质量，进而计算磨损量。

2 试验结果与讨论

2.1 堆焊层的物相组成

由图1可以看出，Co40合金堆焊层主要由γ-Co和Cr23C6相组成；添加微米Cr3C2后，堆焊层中增加了Cr7C3相和未熔Cr3C2相；纳米Cr3C2／Co复合堆焊层的物相与微米Cr3C2／Co复合堆焊层的相同，只是各相衍射峰的强度有所差异。等离子堆焊Co40合金涂层时，由于合金粉中铬的含量较高而碳含量较低，即w（Cr）／w（C）的值较高，所以在熔池中易形成Cr23C6型碳化物。由于Cr3C2的熔点较高，因此部分Cr3C2未熔而被保留下来，而熔解的Cr3C2使熔池中的铬、碳含量大幅增加，微米Cr3C2／Co复合堆焊层在凝固过程中形成Cr7C3型和Cr23C6型碳化物［7］。纳米Cr3C2的粒径与微米Cr3C2的不同，且熔点有所降低，熔解量有所差异，纳米Cr3C2／Co复合堆焊层在凝固过程中形成的各相含量均不相同。因此与微米Cr3C2／Co复合堆焊层相比，组成相相同，但各衍射峰的强度不同。

图1 不同堆焊层的XRD谱Fig.1 XRD patterns of different surfacing layers：（a）Co40alloy surfacing layer；（b）micron-Cr3C2／Co composite surfacing layer and（c）nano-Cr3C2／Co composite surfacing layer

2.2 堆焊层的显微组织

由图2可以看出，Co40合金堆焊层以亚共晶方式结晶，其组织主要由发达的柱状晶及其间的网状共晶组成，柱状晶的生长方向性比较明显，主要垂直于结合处沿热流方向生长；向Co40合金粉中添加微米Cr3C2后，堆焊层的凝固特性发生了明显的改变，柱状晶的枝晶被打断、碎化，生长方向性明显减弱，且组织更加细化和均匀化；而添加了纳米Cr3C2的纳米Cr3C2／Co复合堆焊层则主要以共晶方式结晶，其组织主要由共晶组织组成，且进一步细化和均匀化。在等离子堆焊过程中，添加的微米Cr3C2由于熔点较高而部分未熔。一方面这些未熔的Cr3C2可以作为非自发形核的核心，阻碍柱状晶生长，从而使组织细化和均匀化；另一方面，未熔的Cr3C2颗粒在熔池中起到搅拌作用可以使枝晶破碎，组织变细，从而使枝晶的生长方向性减弱。由于纳米Cr3C2的熔点略低于微米Cr3C2的，所以纳米Cr3C2／Co复合堆焊层中Cr3C2的熔解量有所增多，从而使熔池中的碳、铬含量增多，合金成分达到共晶点时以共晶方式结晶，而未熔纳米Cr3C2的尺寸较小，弥散分布在熔池中，作为非自发形核的核心，从而使组织更加均匀和细化。

图2 不同堆焊层的显微组织Fig.2 Microstructure of Co40alloy surfacing layer（a，b），micron-Cr3C2／Co composite surfacing layer（c，d）and nano-Cr3C2／Co composite surfacing layer（e，f）at low and high magnifications

2.3 堆焊层的硬度及耐磨性

由图3可见，Co40合金堆焊层的显微硬度为366HV，微米Cr3C2／Co复合堆焊层的显微硬度为501HV，比Co40合金堆焊层的提高了37%，纳米Cr3C2／Co复合堆焊层的显微硬度为549HV，比Co40合金堆焊层的提高了50%。由图4可以看出，相对于Co40合金堆焊层，微米Cr3C2／Co复合堆焊层的磨损量减少了29%，纳米Cr3C2／Co复合堆焊层的磨损量减少了55%。

图3 不同堆焊层的硬度分布Fig.3 Hardness distribution of different surfacing layers

图4 不同堆焊层的磨损量Fig.4 Sliding wear loss of different surfacing layers

可见，在Co40合金堆焊层中添加微米Cr3C2可以提高堆焊层的硬度与耐磨性，而在Co40合金堆焊层中添加纳米Cr3C2可以进一步改善堆焊层的硬度与耐磨性。

2.4 堆焊层的磨损表面形貌

由图5可见，Co40合金堆焊层的磨损表面存在较深的犁沟和一定的剥落现象，磨损较严重；微米Cr3C2／Co复合堆焊层表面的犁沟明显减轻，表面剥落现象也比较轻微；而纳米Cr3C2／Co复合堆焊层的磨损表面只存在一些极轻微的犁沟，无明显的剥落现象，属轻微磨损。Co40合金堆焊层的硬度明显低于GCr15钢环的，在切向压力作用下，钢环上的微凸体对Co40合金堆焊层表面的切削作用较明显，因此其表面犁沟较深；Co40合金堆焊层的组织由发达的柱状晶和网状的共晶组成，柱状晶的硬度低于共晶组织的，且与共晶组织的结合力较小，因此在摩擦力的循环作用下柱状晶易产生疲劳剥落。在Co40合金堆焊层中添加微米Cr3C2后，Cr3C2部分熔解，使熔池中的碳、铬含量增多，从而使固溶强化作用增强；而残存的未熔Cr3C2颗粒可以作为非自发形核的核心，具有较强的细晶强化作用和弥散强化作用，从而使堆焊层中枝晶及共晶碳化物的硬度得到明显提高，可以大大减轻钢环的“犁削”作用。同时，堆焊层中的高硬度未熔Cr3C2在一定程度上也能够抵挡钢环的“犁削”作用。因此，微米Cr3C2／Co复合堆焊层的耐磨性相对于Co40合金堆焊层有所提高。由于纳米Cr3C2／Co复合堆焊层中纳米Cr3C2的熔点低于微米Cr3C2的，Cr3C2的熔解量增多，从而使固溶强化作用进一步增强；另一方面，未熔纳米Cr3C2的尺寸更加细小且分布得更加弥散，其细晶强化作用和弥散强化作用得到进一步增强，因此，纳米Cr3C2／Co复合堆焊层的硬度和耐磨性得到明显提高。同时，纳米Cr3C2／Co复合堆焊层主要由均匀细密的高硬度共晶组织组成，固溶体和碳化物间的结合较紧密，能有效地减轻“犁削”作用和阻止疲劳剥落的产生，从而使堆焊层的耐磨损性能得到进一步提高。

图5 各堆焊层的表面磨损形貌Fig.5 Morphology of worn surfaces of different surfacing layers：（a）Co40alloy surfacing layer；（b）micron-Cr3C2／Co composite surfacing layer and（d）nano-Cr3C2／Co composite surfacing layer

3 结 论

（1）Co40合金堆焊层主要由γ-Co和Cr23C6相组成，添加微米Cr3C2和纳米Cr3C2后，堆焊层中增加了Cr7C3和未熔Cr3C2相。

（2）Co40合金堆焊层的组织主要为发达柱状晶及其间的网状共晶，且柱状晶的生长方向性明显；添加微米Cr3C2后，柱状晶的枝晶被打断、碎化，生长方向性减弱，且堆焊层组织更加细化和均匀化；纳米Cr3C2／Co复合堆焊层则主要以共晶方式结晶，其组织主要由共晶组织组成，且进一步细化和均匀化。

（3）相对于Co40合金堆焊层，微米Cr3C2／Co复合堆焊层的硬度增加了37%，耐磨性提高了29%；而纳米Cr3C2／Co复合堆焊层的硬度增加了50%，耐磨性提高了55%。

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