PDF《等离子堆焊合金层组织及腐蚀磨损性能》

等离子堆焊合金层组织及腐蚀磨损性能 斯松华 , 何宜柱 ( 安徽工业大学 激光加工研究中心, 安徽 马鞍山 240002) 摘要: 在16Mn 钢表面等离子堆焊自熔性铁基合金层( Fe55)、镍基合金层( Ni60) 以 及镍基 WC 合金( NWC25) , 并对三种堆焊层进行了显微组织 、X 射线衍射分析、硬度及 在三种不同腐蚀介质下的磨损试验.

结果表明, 合金堆焊层的显微组织均为 γ固溶体 基体上分布 着多种复杂的化合物相, 如Fe23(C, B)

6 , ( Cr, Fe) 7C3 , Cr7 C3 , NiB 等. NWC25 堆焊层具有最高的硬度和耐磨性;

合金堆焊层在稀 H2SO4 和稀NaOH 溶液介质 中的耐磨性与在中性水中相比都有所降低, 在酸性介质中降低更加明显. 关键词: 等离子堆焊;

合金层;

组织;

腐蚀磨损 中图分类号: TG455 文献标识码: A 文章编号: 0253-360X( 2002) 02-40-03 斯松华

0 序言等离子堆焊作为材料表面强化技术之一, 具有 能堆焊各种合金粉末材料、能得到致密的低稀释率 的堆焊层 、 生产效率高 、合金材料消耗少、成本低等 许多优点 ,在提高材料表面抗腐蚀、抗磨损、耐高温 性能方面受到日益广泛的重视 , 因而其应用也日益 广泛[ 1~ 4] .目前用于等离子堆焊的材料主要有 Fe 基、 Ni 基及 Co 基合金粉末.Fe 基合金粉末, 耐磨 性好,价格便宜 , 但耐热耐蚀性差 ;

Ni 基及 Co 基合 金粉末具有良好的耐蚀性能及高温性能, 但成本较 高.本文就是利用等离子弧在 16Mn 钢表面分别堆 焊Fe 基自熔合金粉末 、 Ni 基自熔合金粉末以及 Ni 基合金加 WC 的复合粉末制成三种合金堆焊层 , 通 过对堆焊层的显微组织、相组成、 硬度及在不同腐蚀 介质下的磨损试验来进行三种不同堆焊层的组织及 耐腐蚀磨损性能的比较研究.

1 试验材料及方法 铁基自熔合金粉末( Fe55) 和镍基自熔合金粉末 ( Ni60) 的化学成分见表

1 .两粉末的粒度为

200 目 左右 .镍基 WC 复合粉末( NWC25) 中, WC 加入量 为25 %,WC 的粒度为

150 目左右. 用型号 DR -

500 喷焊机在

10 mm 厚16Mn 钢 板上分别堆焊三种粉末, 分别得到铁基合金堆焊层 ( Fe55) 、镍基合金堆焊层( Ni60) 及镍基WC堆焊层 收稿日期 : 2001-09-14 基金项目 : 安徽省教育厅中韩国际合作项目( 2000j1184) 表1堆焊合金粉末化学成分( 质量分数, % ) Table

1 Composition of overlay alloy powder Alloy pow der C B Si Cr Fe Ni Mo Fe-based 1.

2 3.

5 4.

0 13 Bal ― 3.

2 Ni-based 0.

8 3.

5 4.

0 16

15 Bal ― ( NWC25) ,堆焊层厚度

3 ~

4 mm .工艺规范为离子 气流量

500 L/h , 送粉气流量

500 L/h ,保护气流量

500 L/h ,送粉量

4 .

55 kg/h ,非转移弧电流

90 ~

100 A ,非转移弧电压

20 V ,转移弧电流

120 A , 转移弧 电压

30 V ,喷距

8 ~

10 mm . 用HR -150AT 型光学洛氏硬度计测量堆焊合 金表面的宏观硬度 ,利用 OLMPUS -PM E3 型金相 显微镜( OP) 和JSM -35C 扫描电镜( SEM) 对堆焊 层进行显微组织观察与分析, 利用 Dmax -Ⅱ衍射 仪对堆焊层表面进行物相分析. 用自制的磨损机进行腐蚀磨损试验, 其结构原 理如图

1 所示.转速为40 r/min , 载荷为20 N .用40~

70 目的石英砂, 分别加入中性水、4 % HCl( pH6) 、

4 % NaOH( pH8) 水溶液 ,砂与水( 或水溶液) 体积比 图1自制三体磨料磨损机结构原理图 Fig.

1 Schematic diagram of self -made wear tester 第23 卷第2期2002年4月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUT ION Vol .

23 No .

2 April

2 0

0 2 约为 4∶

3 .用感量

0 .

1 mg 的DT -100 型分析天平称 重,每10 min 称重一次, 求得

4 次失重的平均值 . 磨损速率 W 用平均失重除以磨面面积及磨损时间 来表示,耐磨性用磨损速率的倒数 W -1 表示 .

2 试验结果及分析 2.

1 堆焊层的组织结构 图2 ~ 图4是三种堆焊层侧剖面金相组织( OP) 及表面扫描电镜 SEM 组织形貌 . 图2Fe55 合金堆焊层组织 Fig.

2 Microstructure of overlay deposit of Fe55 alloy 图3Ni60 合金堆焊层组织 Fig.

3 Microstructure of overlay deposit of Ni60 alloy 图4NWC25 合金堆焊层组织 Fig.

4 Microstructure of overlay deposit of NWC25 由图

2 ~ 图4中a图中可看出, 堆焊层明显有 三个区域,自下而上为热影响区、结合区和熔化区 . 热影响区为细小板条马氏体, 结合区为一条较平直 的白亮层 ,熔化区即为合金层 ,由细小枝晶及其间的 共晶组织所组成 .堆焊层显微组织具有快速凝固时 亚共晶的枝晶生长特征, 堆焊层在冷却过程中先析 出γ枝状晶 , 在继续冷却到共晶转变时 ,在枝晶之 间生成共晶组织 ,共晶组织也是由更细小的 γ枝状 晶及各种共晶化合物相组成.对合金堆焊层表面进 行X射线衍射分析 ,其结果见表

2 . 表2堆焊层的 X 衍射分析结果 Table

2 X-ray diffraction spectra of overlay deposit Alloy deposit Phase of overlay deposit Fe55 γ - Fe, Fe23 ( C,B )

6 , ( Cr, Fe) 7C3 , NiB Ni60 γ - Ni, γ - ( Ni, Fe) , ( Cr, Fe ) 23C6, ( Cr, Fe) 7C3 NWC25 γ - Ni, γ - ( Ni, Fe) ,( Cr, Fe) 23C6 ,( Cr, Fe) 7C3 ,WC 由表

2 可知 ,三种不同合金堆焊层都主要由为 γ 固溶体( γ - Fe 或γ-Ni) 和各种化合物组成 .合 金粉末中都含有大量合金元素 C 、B 、Cr、Fe 等 ,在快 速凝固冷却过程中 ,固溶的 C 、B 与Cr 、 Fe 等部分脱 溶形成不同类型的碳硼化合物相.NWC 堆焊层中 加入的 WC 粉末熔点很高 ,在等离子堆焊时并未全 部熔化,如图

4 中的块状颗粒 ,其能谱成分( 质量分 数,%)为:89 .

52 W ,

5 .

93 C , 这说明有未熔的 WC 颗粒存在于合金堆焊层 . 2.

2 堆焊层的腐蚀磨损性能 表3是三种合金堆焊层表面硬度及耐磨性试验结 果 .图

5 较直观地表示不同堆焊层的耐磨性大小. 表3堆焊层硬度及不同腐蚀介质下的耐磨性 Table

3 Hardness and wear resistance of overlay deposit in different corrosive media Overlay deposit Hardness H RC Corrosive media Wear resistance W -

1 /( cm2 ・ h・ g -

1 ) H2O 3.

91 Fe55

56 4%HCl 3.

06 4%NaOH 3.

37 H2O 3.

78 Ni60

55 4%HCl 3.

17 4%NaOH 3.

60 H2O 5.

26 NWC25

63 4%HCl 4.

88 4%NaOH 5.

00 图5不同腐蚀介质下堆焊层的耐磨性比较 Fig.

5 Wear resistance of overlay deposit in different corrosive media 由表

3 及图

5 可知 , Fe55 与Ni60 两种合金堆 焊层表面的宏观硬度相近, NWC25 堆焊层表面硬 度最高 ;

NWC25 堆焊层在三种不同腐蚀介质中的 第2期斯松华 ,等:等离子堆焊合金层组织及腐蚀磨损性能

41 耐磨性都要优于 Fe55 和Ni60 ,在水介质中 Fe55 合 金堆焊层耐磨性优于 Ni60 , 在稀 HCl 溶液及稀 NaOH 溶 液中 Ni60 合 金堆焊 层的耐 磨性好 于Fe55 .对同一种合金堆焊层而言, 在稀 HCl 溶液及 稀NaOH 溶液腐蚀介质中的耐磨性比在中性水介 质中要差 . 由于 Fe55 及Ni60 合金粉末中含有较高的 C 、 Cr 、 B 、Si 或Mo 等元素, 等离子堆焊时 , 合金元素一 方面溶入 γ -Fe 固溶体或 γ - Ni 固溶体中 ,起固溶 强化作用 ,另一方面在冷却过程中 C 、 B 与Cr 、 Fe、Ni 等元素能形成许多共晶化合物相, 如Fe23( C , B)

6 , ( Cr , Fe) 7C3 , C r7C3 、NiB 等,对基体起弥散强化作 用.因此 Fe55 和Ni60 堆焊层都表现出较高的硬 度.在Ni60 合金粉末中加入 WC ,由于 WC 的熔点 很高 , 在喷焊过程中 WC 并未能完全熔解.一方 面,部分被熔解的WC 以W及C原子过饱和固溶在 γ - Ni 固溶体中 ,增强了合金元素的固溶强化作用 , 在冷却时 C 又能与碳化物形成元素如 W , Cr, Fe 等 形成更多的碳化物, 另一方面未溶的 WC 颗粒不仅 起到细晶强化的作用 ,且其本身具有弥散强化作用 , 这也使得 NWC25 堆焊层比 Ni60 及Fe55 合金堆焊 层具有更高的硬度. 在水介质中 ,由于 Ni60 中C的含量较低, 且无 M o ,其固溶强化和共晶化合物的弥散强化作用弱于 Fe55 ,因此 Ni60 的耐磨性稍差些.但在稀 HCl 和稀NaOH 介质中 , 由于共晶化合物的电极电位较 高,而固溶体的电极电位较低 ,磨损过程中在稀 HCl 和稀 NaOH 溶液电解质作用下, 形成腐蚀电池 , 使 得共晶化合物之间的固溶体易被腐蚀成凹坑, 同时 也使得共晶化合物本身在磨损过程中抗断裂的能力 降低而增加了其脆断倾向, 这种磨损和电化学腐蚀 的交互作用使堆焊层在稀 HCl 和稀 NaOH 腐蚀介 质中耐磨性降低 .Ni60 堆焊层由于 Ni 的含量远高 于Fe55 ,且Cr 的含量也较高, 其抗电化........