氩弧熔覆层组织与性能的研究

脉冲频率对TiC/Fe氩弧熔覆层组织与性能的研究
内容摘要：
利用表面改性技术，在磨损部件表面熔覆具有较高耐磨性的金属基复合材料涂层成为高磨损领域修复部件、延长零件使用寿命的重要途径。

本文利用钨极氩弧作为热源，熔覆预涂在普通低碳钢表面的合金粉末，制备出TiC增强的铁基复合材料熔覆层,并对熔覆层的微观组织、硬度、相组成及磨损性能等进行了系统分析，研究了影响熔覆层组织及性能的因素及规律。

合金粉末成分、预涂层厚度、焊接电流、熔覆速度、熔覆层数等影响熔覆层的成形和耐磨性能。

根据熔覆粉末的熔点不同以及以往实验累积的经验,熔覆采用直径为3.0mm含2%钍钨极,电流140~160A,电压15~20V,氨气流量8L/min(氣气纯度大于99.9%),熔覆速度以看到明显的熔池为准。

本文主要研究各合金粉末熔覆层的组织、硬度和耐磨性，预涂合金粉末组分是钨极氢弧熔覆原位合成颗粒增强铁基熔覆层的关键。

研究结果显示所得熔覆层具有良好成形，均无裂纹、气孔等缺陷，并与母材界面结合良好。

关键词：表面改性、熔覆、铁基复合材料、钨极氢弧。

前言：
金属基复合材料综合了金属基体的高延展性、高韧性和增强相的高强度、高模量等优点，具有高强度、高刚度和高耐磨及耐高温等优良特性，在航空航天、军工、汽车和光学等工业领域具有十分广阔的应用前景[1]。

采用高能密度热源进行表面熔覆工艺使一种或多种元素在金属表面快速熔化并冷却凝固以获得熔覆层,可提高金属表层硬度和耐磨性,改善其表面性能。

表面熔覆技术综合了表面涂层技术和复合材料技术的优势，既能充分发挥出基体材料的强度、韧性优势，使表面获得较高的耐磨性，并且耐磨层和基体为冶金结合，从而又使整体性能获得大幅度提升[2]。

目前国内外常用的表面熔覆技术主要有: 堆焊、钨极氩弧熔覆、
激光熔覆、等离子熔覆等，这些表面熔覆技术获得的表面涂层与基体结合良好，厚度适中，因而被广泛应用于工业生产中。

另外,虽然热喷涂技术得到的表面强化层具有结合强度较低和深层多孔性的缺点，但它的诸多优点使其也被广泛应用于各个领域[3]。

实验材料：
增强相的选择：
理想的增强相应该具有以下性能: 具有优良的刚性、强度、硬度等物理力学性能: 工业生产应用中增强相不会溶入基体内部，不会发生增强相的溶解或溃散，并且组织形态不发生变化; 与基体金属的热膨胀系数差别小，不会由于苛刻的工作条件而使基体产生裂纹或形成较大的应力集中【4】。

增强颗粒的选择一般必须考虑其弹性模量、热膨胀系数、耐压强度、显微硬度、密度、热稳定性等性能参数，常用的是高硬度、高强度、高弹性模量、耐磨和高熔点的碳化物、氧化物、硼化物、氮化物、硫化物等，也可以是金属间化合物。

实验所用的基体材料为低碳钢板，尺寸为98mm×32mm×6mm。

尺寸图如下
实验过程：
粉末：TiC以质量分数20%计算，分别计算还原铁粉、钛铁（Ti
30Al
18
Si
4.5
C
0.15
）
以及石墨的具体含量如下：
混粉：称完粉后在V-型混粉机混粉两小时
预置：低碳钢板预先用砂纸打磨处理表面的锈迹，再分别用丙酮和无水乙醇进行清洗。

利用水玻璃将搅拌均匀的糊状粉预置在低碳钢表面，预置层厚度约为1.0mm。

接着置于室温下自然风干，使预置涂层中的水分充分挥发。

氩弧熔敷：在氩弧焊机及自动行走工作台上进行单道熔敷实验，以成型良好为依据，获得最优熔敷电流及熔敷速度。

脉冲频率变化共分为0Hz、5Hz、50Hz、500Hz、5000Hz以及大电流快扫描速度六组参数变量【5】。

熔敷工艺为：焊接电流160A，氢气流量10L/min，熔覆速度4mm/min，频率10Hz，峰值电流160A，基值50A，保护气体为纯度80%的氩气。

试样观察：
1.打磨——200号砂纸——400号砂纸——600号砂纸——800号砂纸；
2.细磨：W4金相砂纸——W5金相砂纸
3.抛光——抛光机抛光（要求抛光面如镜面光亮，100倍下观察无明显划
痕）。

4.侵蚀——用下述侵蚀剂按要求时间擦拭试样，侵蚀结束后立即用酒精清洗，
然后干燥。

侵蚀合格后进行金相观察。

基体熔覆层微观组织
熔覆层组织可以大体分为固溶体带和共晶区。

界面前沿是一条固溶体带，紧挨固溶体带的是亚共晶区，以树枝状和块状固溶体初晶为标志。

中间的共晶区主要由固溶体和碳化物组成。

熔覆层的表面是过共晶区，由γ固溶体和大量的块状的碳化物强化相组成。

γ固溶体中分布着各种金属间化合物以及碳化物的共晶体
【6】。

基体熔覆层微观组织
利用钛铁与石墨粉术经钨极氩弧熔覆后，可得到表面无明显裂纹且与基体呈良好冶金结合的熔覆层。

上图为熔覆层显微组织图，从低倍金相图谱中可看到熔覆层中均匀弥散分布着白亮颗粒物相。

基体组织为铁素体和少量的珠光体，保证了熔覆层的韧性良好。

结合Ti-C-Fe体系合成的反应动力学过程【7】,该体系在氩弧熔覆过称中首先形成Fe.Ti 低共熔体，C 在高温下熔于此熔体中，从而形成富Ti 的TiC,形成熔池后随着热最的扩散,C继续与TiC.反应形成接近化学计量比的TiC。

熔融金属的流动导致大团聚体形成，在此团聚体内反应形成小颗粒的TiC，随着热量扩散和冷却过程TiC粒子继续长大。

熔覆层硬度：
对氩弧熔覆后的试样熔覆层进行洛氏硬度测试表格如下：
结果与讨论：
由于熔覆层中形成的TiC颗粒分布均匀，且与基体结合强度较高，因此对母
材金属的硬度改善效果明显。

但是由于钛铁和石墨粉末配比条件下，熔覆过称中形成的熔液对母材的润湿性能不够好，所得熔覆层的连续性较差，不适于大面积表面熔覆的进行。

并且熔覆层中TiC颗粒形状存在尖角，容易引起应力集中，在摩擦磨损环境下易导致颗粒的脱落和裂纹的产生。

参考文献：
[1] 唐琳琳，罗辉，张元彬表面熔覆技术的发展[J].热加工工
艺,2009,38(20):86-89
[2] 宋思利.钨极氩弧原位合成TiC增强铁基熔覆层的研究[D].山东大学,2007:
1-113
[3] 钨极氩弧熔覆铁耐磨层的研究唐琳琳 2010.6.18 山东建筑大学硕士学
位论文
[4] 赵玉谦,姜启川，赵字光.我国颗粒增强钢基铸造复合材料研究的现状[J].
铸造2003,52(11):104 1-1 044
[5] 张辉，王致明，综合实验指导书，脉冲频率对TiC/Fe氩弧熔覆层组织与性
能的研究，齐鲁工业大学2017，12，25
[6] 侯清宇，高甲生.铁基合金熔覆研究进展［J］.安徽工业大学学报，
2003，(1)：13-15
[7] 邹正光，傅正义，袁润章.Ti_C-Fe 体系白蔓延高温合成的反应动力学过称
[J].复合材料学报,1999,16(3): 78-81。