Cr3C2对等离子钴基堆焊层组织及性能的影响

罗 燕，徐志鹏，李 飞，王振兴，纪春姣，斯松华

(安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002)

Cr3C2对等离子钴基堆焊层组织及性能的影响

罗 燕，徐志鹏，李 飞，王振兴，纪春姣，斯松华

(安徽工业大学材料科学与工程学院，安徽马鞍山243002)

采用等离子堆焊技术在低碳钢表面制备钴基合金堆焊层(Co40)及添加质量分数20%和40%Cr3C2的钴基合金复合堆焊层(Co40+20%Cr3C2，Co40+40%Cr3C2)。利用光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪以及磨损实验机等研究不同添加量的Cr3C2对钴基合金堆焊层组织和耐磨性能的影响。结果表明：Co40堆焊层由γ-Co和Cr23C6组成；添加Cr3C2粉末后，堆焊层出现未熔的Cr3C2和Cr7C3及Cr23C6相，且明显改变了其组织特征，Co40+20%Cr3C2堆焊层仍以亚共晶方式结晶，但其组织得到明显的细化和均匀化，而Co40+40%Cr3C2堆焊层转变为过共晶方式结晶，其组织由大量初生碳化物和枝晶组织组成；Co40+Cr3C2复合堆焊层的硬度和耐磨性较Co40堆焊层均得到显著提高，且随着Cr3C2添加量的增加而相应提高。

等离子堆焊；钴基合金；组织；性能

等离子堆焊具有与母材结合力强、成分可控、厚度可调等优点，是一种有效的表面强化技术[1-2]。Co基合金具有耐磨、耐蚀和抗高温等性能，常用于需要耐高温耐磨损的石化等工业领域。研究表明通过激光熔覆的方法向Co基合金中添加不同含量的Cr3C2颗粒，可以提高激光熔覆层的耐磨性能[3]。但激光熔覆成本高，且涂层厚度较薄，而等离子堆焊可以在相对低成本基础上获得较厚的堆焊层[4]。侯清宇等[5-6]认为向镍基合金中添加Cr3C2可以改善堆焊层的组织并提高其性能，且研究了钴基合金等离子堆焊层的组织结构和性能。但是目前关于在Co基合金中添加Cr3C2颗粒的等离子堆焊层的研究较少，因此研究Cr3C2对等离子Co基合金堆焊层组织及耐磨性能的影响具有一定的理论和实际意义。

1 实验部分

选用尺寸为100mm×80mm×10mm的低碳钢，表面磨光并清洗干净。堆焊材料选用非自熔性Co基合金粉末，粒度为53～120μm，主要化学成分(质量分数)为0.27%C，5.40%Mo，2.27%Ni，0.50%Fe，28.60% Cr，0.90%Si，余量为Co。为了获得良好的湿润性，Cr3C2粉末采用NiCr3C2复合粉末（85%Cr3C2），粒度为40～82μm。在Co基合金粉末中分别添加质量分数为20%和40%的Cr3C2粉末，之后将复合粉末充分研磨混匀，在100℃烘箱内预热2 h。

采用粉末预置法，利用PTA-400E型等离子弧堆焊机堆焊，工艺参数为工作电流130 A，摆动速度1 800mm/min，摆动宽度15mm。为防止堆焊层氧化，在等离子堆焊过程中使用氩气作为保护气。等离子堆焊后将试样放入200℃的炉内进行保温。

沿垂直等离子弧扫描方向的横截面取金相试样，金相试样经抛光后用王水腐蚀，用OM及SEM进行组织形貌观察。选用D8 Advance型多晶XRD仪分析相组成，X射线衍射分析试样尺寸为20mm×20mm× 10mm。采用HV-1000显微硬度计测试横截面堆焊层和基体的硬度。磨损实验在济南益华MMS-2A型磨损实验机上进行，以纯净水为冷却液，载荷为500N，实验机转速200 r/m in，磨损时间为15m in，对磨试样为9SiCr模具钢(硬度为63HRC)，用感量0.1mg的分析天平进行磨损失重测定。

2 结果与分析

2.1 等离子堆焊层的相组成

等离子堆焊层的XRD图谱见图1。由图1可知，等离子Co40堆焊层主要由γ-Co和Cr23C6组成，添加Cr3C2粉末后，Co40+Cr3C2复合涂层中出现了Cr7C3和未熔的Cr3C2相。堆焊过程中，Co40合金粉末在等离子弧的作用下被迅速加热至融化状态，由于Cr含量较高，C元素含量较少，Cr/C值较高，因此堆焊层组织中存在Cr23C6型碳化物。而Co40+Cr3C2复合堆焊层由于添加的Cr3C2颗粒在等离子弧的作用下一部分在熔池内熔解，使局部的C，Cr含量升高，形成Cr的碳化物Cr3C2，而另一部分未熔存留在堆焊层中。

图1 等离子堆焊层的XRD图谱Fig.1 XRD Patternsof the p lasma surfacing layers

2.2 等离子堆焊涂层的组织

图2所示为3种堆焊层中部典型的OM和SEM组织形貌。由图2(a)，(d)可以看出Co40堆焊层以亚共晶方式结晶，组织主要为垂直于界面生长的柱状枝晶和其间的共晶组织。在快速凝固的过程中先析出初生的γ-Co枝晶固溶体，由于溶质的再分配，Cr，C等溶质元素在枝晶间富集，随后的冷却过程中以共晶形式凝固，在枝晶间形成共晶组织(γ-Co+Cr23C6)[7]。由图2(b)，(e)可以看出添加Cr3C2后，Co40+20%Cr3C2堆焊层的组织得到明显的细化和均匀化，Co40堆焊层中原先粗大的柱状枝晶转变为细小的树状枝晶。由图2(c)，(f)可知,当Cr3C2的添加量增加至40%(质量分数)时堆焊层没有明显的枝晶生长方向，其中存在大量呈放射状分布的长杆状及多边形块状组织，其间夹杂着细小枝晶组织。这主要是由于大部分Cr3C2在高温等离子弧的作用下发生分解，增大了熔池中的成分起伏，造成成分过冷，提高了形核率，导致组织得到细化[8]。

图2 等离子堆焊层的组织形貌Fig.2 M icrostructure of the plasma surfacing layers

Cr3C2在熔池中可能表现为2种行为：一是Cr3C2完全熔解，Cr和C元素固溶于合金熔体中，冷却时析出大量杆状和多边形块状的初生Cr碳化物，在进一步冷却的过程中，初生碳化物之间形成了细小γ-Co枝晶及其他共晶组织；另一种是加入的Cr3C2粒子未完全熔解，在未熔的Cr3C2粒子周围形成Cr及C含量高的扩散带，在凝固过程中出现以未熔Cr3C2为中心的放射状初生杆状富铬碳化物[8]。

对图2中标定区域进行能谱微区成分分析，各元素含量如表1。结合图2分析可知，B，C区域为固溶有Cr，Si，B等合金元素的γ-Co枝晶固溶体，而A，D区为共晶组织。Co+40%Cr3C2堆焊层中E区和F区为初生碳化物，且Cr的含量很高，结合衍射结果，认为杆状组织和块状组织均为Cr7C3，G区域为分布在初生碳化物之间的共晶组织。

2.3 等离子堆焊层的显微硬度与耐磨性

图3为Co40堆焊层及添加不同含量Cr3C2的(Co40+20%Cr3C2和Co40+40%Cr3C2)堆焊层的显微硬

度沿层深分布情况。由图3可知Co40堆焊层的平均硬度为391HV，Co40+20%Cr3C2堆焊层的平均硬度为549HV，较之Co40堆焊层提高了40.4%，而Co40+40% Cr3C2堆焊层的平均硬度为656 HV，较Co40堆焊层，平均硬度提高了67.8%。可见，添加Cr3C2粉末的Co40+ Cr3C2复合堆焊层的硬度得到了明显的提高。

表1 Co40及Co40+Cr3C2复合堆焊层微区成分分析结果(w/%)Tab.1 EDSm icro-analysisof Co40 and Co40+Cr3C2coatings(w/%)

Co40及Co40+Cr3C2复合堆焊层的摩擦磨损试验结果见图4。由图4可见Co40+40%Cr3C2复合堆焊层的磨损失重最小。

图3 3种堆焊层的显微硬度分布Fig.3 M icrohardnessdistribution of the three p lasma surfacing layers coatings

图4 3种堆焊层的滑动磨损失重Fig.4 Slidingwearm ass lossesof the three p lasma surfacing layers coatings

图5是3种不同堆焊层磨损表面的形貌。由图5可看出：Co40堆焊层的磨损表面存在较深的犁沟和疲劳剥落；Co40+20%Cr3C2复合堆焊层的磨损表面以犁沟为主；Co40+40%Cr3C2复合堆焊层的磨损表面较为平滑，只存在一些轻微犁沟。堆焊层的硬度是影响其耐磨性的主要因素，因此硬度最低的Co40堆焊层耐磨性最差。添加Cr3C2粉末后，复合堆焊层的硬度得到提高，因此耐磨性能相应得到提高。另外，堆焊层的耐磨性能受其显微组织形态的影响，还受晶粒度、组织的均匀性以及第二相质点的种类、大小和分布的影响。添加Cr3C2粉末后，复合堆焊层的组织得到细化，且随着Cr3C2粉末添加量的增加，堆焊层共晶组织中碳化物增多，同时堆焊层中固溶的C量也增加，致使堆焊层的耐磨性能得到提高[9]。综合分析，Co+40%Cr3C2复合堆焊层的耐磨损性能最好。

图5 等离子堆焊层的磨损表面形貌Fig.5 M orphology ofworn surfacesof Plasm a surfacing layers

3 结 论

1)Co40堆焊层由γ-Co和Cr23C6组成；添加Cr3C2粉末后，Co40+Cr3C2复合堆焊层由γ-Co，Cr23C6，Cr7C3及未熔的Cr3C2组成。

2)Co40堆焊层由柱状枝晶固溶体和其间的共晶组织组成。Co40+20%Cr3C2堆焊层虽仍以亚共晶方式结晶，但其组织主要为树枝状固溶体和共晶组织组成，且明显细化和均匀化。Co40+40%Cr3C2堆焊层转变为过共晶方式结晶，其组织由初生碳化物和其间的枝晶组织组成。

3)Co40+Cr3C2复合堆焊层的硬度和耐磨性均比Co40堆焊层明显提高，且随Cr3C2添加量的增加，硬度和耐磨性相应提高。

[1]赵微,柳林,张海鸥,等.等离子堆焊技术的研究进展[J].材料导报,2005,5(19):216-218.

[2]Gatto A,Bassoli E,FornariM.Plastna transferred arc deposition of powdered high performances alloy:process parameters optimization asa function ofalloy and geometrical configuration[J].Surfaceand Coating Technology,2004,187:265-271.

[3]斯松华,徐锟,袁晓敏,等.激光熔覆Cr3C2/Co基合金复合涂层组织与摩擦磨损性能研究[J].摩擦学学报,2006,26(2): 125-128.

[4]潘邻,高万振，潘春旭，等.激光熔覆层与等离子喷焊层凝固组织对比及界面特征[J].材料热处理学报，2006,27(3):104-107. [5]侯清宇,何宜柱，高甲生.Cr3C2/镍基合金等离子堆焊层的组织及耐磨性能[J].机械工程材料，2007,31(2):53-56.

[6]侯清宇,高甲生.钴基合金等离子喷焊组织结构和性能研究[J].机械工程材料,2004,28(5):4-6.

[7]Shin JC,Doh JM,Yoon JK,et al.Effect ofmolybdenum on themicrostructure and wear resistance of cobalt-base Stellite hardfacing alloys[J].Surface and Coatings Technology,2003,166:117-119.

[8]刘自龙,王娜,斯松华,等.Cr3C2对激光熔覆Ni基合金涂层组织与性能的影响[J].安徽工业大学学报：自然科学报,2011, 28(4):358-361.

[9]斯松华,陈娟,丁晓丽,等.激光熔覆Cr3C2/Fe复合涂层的组织与磨损性能[J].安徽工业大学学报：自然科学版,2008,25(4): 367-370.

责任编辑：何莉

Effectof Cr3C2on M icrostructure and Propertiesof the Co-based Alloy Coatings Produced by Plasma Transferred ArcWeld-surfacing Process

LUO Yan,XU Zhipeng，LIFei，WANG Zhenxing,JIChunjiao,SISonghua
(SchoolofMaterialsScience&Engineering,AnhuiUniversity of Technology,Ma'anshan 243002,China)

TheCo-based alloy coating(Co40)and theCo-based compositecoatingw ith 20%and 40%Cr3C2particles(Co40+ 20%Cr3C2，Co40+40%Cr3C2)on low carbon steelsubstratewereobtained by plasmasurfacing.TheeffectsofCr3C2on the microstructureandwear resistanceof theCo40 coatingswere investigated bymeansofvarious techniques,including optical microscopy,SEM,XRD and abrasion test.Resultsshow thattheCo40 coating iscomposed ofγ-Co and Cr23C6phase,and theCo40+Cr3C2compositecoatingsarecomposedofγ-Co,Cr23C6,Cr7C3andnotmelted Cr3C2.TheadditionofCr3C2can change the solidification characteristic of the Co40 coatings.Compared w ith the Co40 coating,themicrostructure of the Co40+ 20%Cr3C2compositecoating isrefined and homogenized although crystallizingby hypoeutecticway.TheCo40+40%Cr3C2compositecoating iscomposed of theprimary carbideand thedendritemicrostructurecrystallizingby hypereutecticway.The hardnessandwear resistanceof thecompositeclad layerswassignificantly improved comparedw ith theCo40 clad layer,and thehardnessandwear resistanceof Co40+40%Cr3C2coating isbetter than thoseofCo40+20%Cr3C2coating.

plasma transferred arcweld-surfacing;Co-based alloy;organization;properties

TG456.2；TG142.1

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2014.01.008

1671-7872(2014)01-0034-05

2013-03-25

安徽省教育厅重点研究项目(KJ2007A106ZC)

罗燕(1989-)，女，湖南湘潭人，硕士生，研究方向为金属材料表面改性技术。

斯松华(1966-)，男，安徽太湖人，教授，研究方向为新型钢铁材料与材料表面改性技术。