WC对铁基合金喷焊层组织及磨损性能的影响

熊 中，王 艳，徐 强，何 芹，高 宇

（西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039）

WC对铁基合金喷焊层组织及磨损性能的影响

熊 中，王 艳，徐 强，何 芹，高 宇

（西华大学材料科学与工程学院，四川成都610039）

采用等离子喷焊技术在Q235表面制备铁基合金喷焊层，借助X射线衍射分析、金相显微镜以及摩擦磨损实验，研究一定含量的WC对铁基合金喷焊层组织及磨损性能的影响。结果表明：铁基合金喷焊层主要由α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3和（Fe，Ni）固溶体等物相组成，加入WC后，出现了（Fe，Cr）23C6，WC，W2C等新物相。未加入WC的喷焊层出现了疲劳剥落，数量较多、较深且平直的犁沟，表现为粘着磨损和磨料磨损；加入WC后疲劳剥落减弱，犁沟减少，表现为磨料磨损。喷焊层中硬质相的弥散强化作用提高了硬度和耐磨性。

等离子喷焊；碳化钨；铁基合金；磨损性能

0 前言

表面失效是零部件主要失效形式之一，在各种表面失效中磨损占60％～80％，磨损会严重影响零部件的稳定运行[1]。表面工程技术能够有效提高零部件的表面性能。而作为表面强化手段之一的等离子喷焊，不仅可以恢复零部件尺寸，还能获得等同于甚至高于基体材料的性能，且具有稀释率低、可控性好、范围使用广、设备自动化程度高、价格低廉等优点。铁基自熔性合金粉末来源广泛，成本低、抗磨性及耐蚀性能好，并可根据所需性能调节其成分，因而受到广泛关注[2-3]。WC颗粒具有熔点高、硬度高、耐磨性好、性能稳定，并且与钢铁润湿性好，二者之间的润湿角几乎为零等一系列优点，在现代工业生产中已成为金属加工、矿山开采、石油钻探、国防装备等不可缺少的重要材料。利用等离子喷焊技术制备WC强化铁基喷焊层，进一步提高铁基喷焊层性能，对工程应用具有指导意义[4]。

本研究在铁基合金粉末中加入一定含量的WC制备等离子喷焊层，研究WC对喷焊层组织和摩擦磨损性能影响。

1 实验材料和方法

实验基体材料为Q235钢板，喷焊粉末为成都大光热喷涂材料公司生产的型号为Fe55的铁基合金，粒度-150～+300目，化学成分如表1所示。

表1 Fe55粉末的化学成分Table 1 Chemical composition of Fe55 powder ％

将Fe55铁基粉末与一定比例的WC粉末混合均匀，计算得出WC在粉末中的质量比。每组合金粉末配方总重50g。实验样品配比如表2所示。喷焊前，在真空干燥箱中经120℃、保温1 h干燥处理。

表2 试验样品配比Table 2 Composition of test samples

采用PTE-400E-ST型等离子喷焊机，喷焊参数为：焊接速度90 mm/min，摆动宽度20 mm，摆动速度1000mm/min，焊接电流125A，焊接电压27V，离子气200 L/h，送粉气280 L/h，保护气500 L/h。采用电火花线切割机切取金相及摩擦磨损试样。金相试样经打磨抛光后，选用FeCl3-HCl溶液腐蚀。采用型号LY-WN-HP SUPER CCD的万能视频成像装置对喷焊层表面组织和纵截面组织进行拍照。采用HVS-1000型数字式显微硬度计测试组织显微硬度，实验载荷4.9 N，加载时间10 s。利用D/MAX-2500/PC X射线衍射仪对喷焊层组织进行物相分析。在HSR-2M型高速往复摩擦磨损试验机上进行干摩擦磨损试验，磨样为ZrO2陶瓷球，试验载荷40 N，试验时间20 min，行程2 mm。

2 实验结果和分析

2.1 X射线衍射分析

喷焊表层的XRD衍射图谱如图1所示。Fe55主要由α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3，（Fe，Ni）固溶体等物相组成；加入WC后，喷焊层除α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3，（Fe，Ni）固溶体外还存在WC，W2C等物相，但其衍射强度较低。

图1 X射线衍射分析Fig.1 X-ray diffraction analysis

2.2 金相显微组织分析

喷焊层表层显微组织如图2所示，图2a为Fe55喷焊层组织，图2b为添加WC后的喷焊层组织，两者都呈现出基体周围分布网状碳化物这种典型的亚共晶组织。结合X射线衍射分析（见图1），喷焊层基体主要由马氏体和残余奥氏体构成，在粗大的枝晶附近还存在着少量的（Fe，Ni）固溶体；WC的加入显著细化了喷焊层组织，树枝晶择向生长，并且出现了面心立方（Fe，Cr）23C6碳化物，这是由于WC的加入抑制了碳化物的各向异性，在高温下部分WC发生分解，产生了W2C和C；W2C（熔点2860℃）在高温下以细小的颗粒析出，W2C与（Fe，Cr）7C3这些碳化物均可作为异质形核的核心，大大提高形核率，使组织得到明显细化。图2b中未完全熔化的WC周围碳含量较高，周围组织由亚共晶转变成共晶组织。

喷焊层纵截面熔合线附近组织如图3所示，对比图3a和图3b，图3b中靠近熔合线出现大量的球状WC，这是因为WC的相对密度较大，在喷焊的高温过程作用下，WC颗粒出现沉底的现象。添加WC后熔合线变窄，但细小网状碳化物变粗且较为杂乱，究其原因，WC在高温等离子焰下发生分解形成的产物能够阻止奥氏体晶粒长大，增加局部碳含量，进而改变熔合线附近周围组织形貌。

2.3 显微硬度分析

采用HVS-1000型显微硬度计测试喷焊层纵截面硬度，并求其平均值，得到喷焊层显微硬度分布曲线如图4所示。加入WC的表层平均显微硬度为910HV0.5，是未添加WC表层平均显微硬度的1.93倍；加入的WC在高温下部分发生分解，形成了W2C和C，W2C（熔点2 860℃）在高温下以细小的颗粒析出，而C元素又与（Fe，Cr）结合形成更多的（Fe，Cr）7C3， W2C与（Fe，Cr）7C3均可成为异质形核核心，大大提高了异质形核率，显著细化了喷焊层组织，碳化物的高硬度和弥散分布均保证了喷焊层的高硬度[6-7]，故显微硬度高于未添加WC的喷焊层。由图4还可知，加入WC的喷焊层中，其熔合线附近的平均显微硬度达到1 042 HV0.5，高于喷焊层表层硬度。由于WC的相对密度较大，喷焊过程中WC颗粒易出现沉底现象，使得熔合线附近硬度过高，也间接印证了图3b观测到熔合线附近存在大量球状WC的现象。

图2 喷焊层表层显微组织Fig.2 Microstruture of the spray welding layer

图3 喷焊层纵截面Fig.3 Longitudinal section of spray welding layer

图4 从表层到基体显微硬度Fig.4 Microhardness distribution from layer surface to substrate

2.4 摩擦磨损实验结果与分析

喷焊层表层摩擦磨损实验结果如图5所示。未加入WC的摩擦系数波动较大，介于0.45～0.78之间；加入WC之后，喷焊层的摩擦系数略有降低，介于0.43～0.62之间，耐磨性能提高。

图5 喷焊层表层摩擦系数Fig.5 Friction coefficient of the spray welding layer surface

摩擦磨损实验过程中，未加入WC的喷焊层表层硬度和强度均不高，对磨过程中易产生摩擦热，而摩擦热引起材料表面温度变化，导致摩擦系数波动较大；加入WC后，喷焊层除了出现WC、W2C，还出现了（Fe，Cr）23C6，这些硬质相在喷焊层中弥散强化进一步增加了喷焊层的硬度和强度，提高了表面的变形抗力，在对磨过程中起到抵抗磨损的作用，导致摩擦系数降低，耐磨性提高。

摩擦磨损实验中测定出的部分数据如表3所示，加入WC后，喷焊层的摩擦磨损性能得到改善，耐磨性显著提高。其磨痕宽度、磨痕深度、磨损量较未添加WC分别降低了38.87％、51.99％、41.28％。

表3 摩擦磨损数据Table 3 Date of friction and wear

喷焊层表层磨损形貌如图6所示，图6a为未加入WC喷焊层表层，表面犁沟较深，数量较多且平直，出现剥落现象，表现为粘着磨损和磨料磨损；图6b为加入WC喷焊层表层，表面还是出现犁沟，犁沟明显变浅，仍出现部分剥落的现象，部分的磨屑镶嵌在基体中，表现为磨料磨损，耐磨性较前者提高。

图6 喷焊层磨损形貌Fig.6 Wear morphology of spray welding layer

未加入WC的铁基喷焊层硬度低，亚共晶组织中存在着某些脆性相，组织的韧性差，磨损过程中这些脆性相易从基体中剥落，与对磨陶瓷球共同切削作用，产生较深、数量较多且平直的犁沟。加入WC后，喷焊层的组织得到细化，增加了喷焊层的韧性和碳化物的含量，这些存在的WC颗粒以及其他碳化物硬质增强颗粒能有效阻碍对磨过程中磨粒对喷焊层表层的犁削作用，提高耐磨性。

3 结论

（1）未加入WC的铁基合金喷焊层主要由α-Fe，γ-Fe，（Fe，Cr）7C3，（Fe，Ni）固溶体等物相组成；加入WC后喷焊层出现了（Fe，Cr）23C6，WC，W2C等新物相。

（2）WC的加入提高了喷焊层的显微硬度，（Fe，Cr）7C3，WC，W2C等这些碳化物的高硬度和弥散分布保证了喷焊层的高硬度。

（3）加入WC后的喷焊层耐磨性优于未加入WC的喷焊层，未加入WC的喷焊层出现了疲劳剥落、数量较多、较深且平直的犁沟，表现为粘着磨损和磨料磨损；加入WC后疲劳剥落减弱，犁沟减少，磨料磨损减弱，耐磨性提高。

[1]黄智问.谈谈磨粒磨损[J].表面技术，2000，29（4）：34-36.

[2]潘春旭，陈俐.耐磨堆焊层显微组织特征及其与耐磨性关系的研究[J].兵器材料科学与工程，2000，23（2）：8～12．

[3]QI Xiaowen，JIA Zhining，YANG Qinxiang，et al．Effects of vanadium additive on structure property and tribological performance of high chromium cast iron hardfacing metal [J]．Surface and Coatings Technology，2011，205（24）：5510-5514.

[4]徐滨士.神奇的表面工程[M].北京：清华大学出版社，2002.

[5]李剑锋，戴玮玮，丁传贤.等离子喷涂碳化铬-镍铬涂层的摩擦学特性[J].摩擦学学报，1996，16（1）：14-20.

[6]原津萍，张平，梁志杰，等.Mo，CeO2对镍基合金激光熔覆层组织及性能影响[J].稀有金属材料与工程，2008（37）：147-151.

[7]李明喜，刘进，李殿凯，等.VC对铁基合金喷焊层组织与耐磨性的影响[J].材料热处理学报，2015，36（11）：214-218.

Effect of WC on the microstructure and the wear resistance of Fe-based spray-welding coating

XIONG Zhong，WANG Yan，XU Qiang，HE Qin，GAO Yu
（School of Material and Engineering，Xihua University，Chengdu 610039，China）

The Fe-based alloy spray welding coating on Q235 substrate by plasma spray-welding process has been prepared.The effect of certain content of WC on the microstructure and tribological properties of Fe-based alloy spray welding coating has been studied by means of metallurgical microscope，X-ray diffraction analysis and friction and wear test.The results indicate that the coating is mainly composed of α-Fe，γ-Fe，(Fe，Cr)7C3and soild solution(Fe，Ni).The new phases such as(Fe，Cr)23C6，WC and W2C have emerged when the addition amount of WC.The spray welding coating without WC appears fatigue spalling，more quantity，deep and straight furrows，which mainly present as adhesive wear and abrasive wear.After adding WC，fatigue spalling weakens and furrows reduce，adhesive wear and abrasive wear get more slightly，the wear resistance of spray welding coating has been improved obviously.The hardness and the wear resistance are improved by the dispersion strengthening effect of the hard phase in the spray welding layer.

plasma spray welding；WC；Fe-based alloy；wear performance

TG456

A

1001－2303（2016）12－0104-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2016.12.23

献

熊中，王艳，徐强，等.WC对铁基合金喷焊层组织及磨损性能的影响[J].电焊机，2016，46（12）：104-107.

2016-07-01

四川省教育厅重点项目（13ZA0030）；汽车高性能材料及成形技术四川省高校重点实验室开放基金（SZJJ2015-090）；2015省级大学生创新创业训练计划（201510623002）；西华大学2016研究生创新基金（YCJJ2016140）

熊中（1989—），男，四川南江人，在读硕士，主要从事耐磨材料及耐磨性能的研究工作。