徐长钧
中国有色（沈阳）冶金机械有限公司市场营销中心 辽宁沈阳 110027
摘要：本文采用火焰喷焊与重融技术在42CrMo基体表面制备了含有不同含量B4C喷焊层。通过磨损试验，硬度测试及金相显微分析系统研究了喷焊层的组织与性能。讨论分析了喷焊粉材料中B4C的加入量与喷焊组织、硬度及耐磨性的关系。结果表明：喷焊材料中B4C的含量，对喷焊工艺性、喷焊层硬度和耐磨性有显著的影响。
关键词：42CrMo；火焰喷涂；硬度；耐磨性；
前言
镍基类合金粉末不仅具有良好的工艺性能，喷焊层的机械性能较好，应用范围广，而且成本适中。在镍铬硼硅（Ni-Cr-B-Si）系列合金中，铬溶解于镍中，形成了稳定的Ni-Cr固溶体。起固溶强化作用，并提高合金抗氧化、耐腐蚀和耐磨性能。增加合金的硬度和强度。由于B、Cr、C等元素的存在，使得合金的室温硬度由HRC15~20提高到HRC60~64。这类合金在540℃仍保持较高的硬度（HRC48），因而比较理想。自熔合金喷焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面[1]，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。在自熔合金粉末中加入一定的合金元素，可以提高喷焊层的硬度和耐磨性。增强零件的使用寿命。本文以镍基合金粉末作为喷涂层材料，采用火焰喷涂与重融技术，研究了42CrMo表面制备的镍基图层的硬度、耐磨性，以提高基体42CrMo的使用性。
1.试验材料及试验方法
1.1喷粉材料
由于G113主要用于轴类等一般性磨损机件，其表面硬度也与调质后的42Cr-Mo硬度相符合。因此实验所使用的镍基合金粉末选G113，表1是G113的元素成分
1.2试验方法
为了进一步提高G113粉末涂层的硬度和耐磨性，在G113粉末中加入不同比例的B4C粉末。所使用的B4C颗粒具有高熔点（2450℃）、低热膨胀系数、高耐蚀性、高硬度和高耐磨性等特点，粉末粒度为280目。B4C的添加比例见表2。
表2-4试验序号及粉末配比
试样号1234
化学成分G113G113+1%B4CG113+2% B4CG113+4% B4C
通过焊后试样组织和性能实验，选出一组最优的配比，与G113的硬度及耐磨性进行比较。目的是为了研究不同含量的B4C对喷焊组织及性能的影响。
1.3 组织结构以及性能分析
采用WEDM-LS型低速走丝电火花线切割机床将焊件切割、加工成10mm×10mm×8mm的金相试样和φ=6mm的标准磨损试样。利用XXL-02A立式金相显微镜和SSX-500扫描电子显微镜进行组织观察，利用ML-100磨粒磨损试验机进行磨损试验，并用FA-1004型电子天平测量磨损失重质量。
2.试验结果以及分析
2.1组织结构
图1为加入不同含量B4C喷焊层的SEM组织结构。加入B4C后，对喷焊层的显微组织产生了一定的影响。图1所示，加入1% B4C、2%B4C的喷焊层显微组织比未加入B4C及加入4%B4C的喷焊层组织明显细化。这是因为，在火焰喷焊过程中，大部分B4C粒子发生分解或在高温熔池中被熔解，只有少量未熔的B4C粒子存在。
在喷焊层凝固过程中，B4C分解的地方合金成分浓度较高，易提供结晶成核所需要的成分起伏和温度起伏条件，导致结晶核心增多，从而有利于组织细化。而未熔的B4C可以成为异质结晶的核心，促进组织细化。另外，B4C熔解后分解出的B是晶界吸附元素，易偏聚在晶界，大大降低了晶界的表面能，从而抑制了初生枝晶的生长。由于B4C粒子密度小，在熔覆过程中有向涂层上部移动倾向，所以未熔的碳化硼主要聚集在喷焊层表面。
图1（a）G113C涂层SEM组织 图1（b）G113+1%B4C涂层SEM组织
图1（c）G113+2%B4C涂层SEM组织 图1（d）G113+4%B4C涂层SEM组织
2.2硬度试验
图2为加入不同含量B4C喷焊层。由图可以直观的看出，其他喷焊层表面硬度值均高于基体。其中，加入2%B4C喷焊层的硬度最高，硬度值为41.0HRC，而G113喷焊层的硬度值为35.6HRC，可见B4C的加入可提高喷焊层的硬度。
由于B4C颗粒密度较小，在喷焊过程中有向涂层上部移动的倾向，所以未熔的B4C集中分布在喷焊层表层区域。B4C在火焰喷焊过程中起到了增强喷焊层硬度的作用，主要原因有四：一是熔化了的B4C分解出的B和C固溶到枝晶中起到固溶强化作用；二是B4C的分解也促进了B、C与Cr、Ni等形成更多的碳、硼化合物，使得第二相强化作用进一步增强；三是涂层中存在未熔的B4C颗粒，作为硬质相分布在喷焊层表面，起到强化作用；四是未熔B4C颗粒可作为异质结晶的晶核，从而起到细晶强化的作用。因此，由于B4C颗粒的固溶强化，细晶强化、第二相强化及弥散强化作用，使喷焊层的硬度提高。但试样4（G113+4% B4C）的硬度却低于试样3（G113+2% B4C），这是由于加入4%的B4C使粉末熔液表面张力增加而不易与基体金属润湿，因而熔融合金在基体表面集聚成球铺展不开，不易熔入，容易剥落，因而使喷焊性能变坏，合金韧性及硬度降低。
图2 加入不同量B4C喷焊层硬度分布
2.3耐磨性试验
2.3.1磨损失重及分析
图3为加入不同量B4C喷焊层在不同载荷下磨粒磨损实验。由图可以看出，所加载荷分别为4N、2N、1N，图中所示试样与表2-4的组号相对应。由图横向规律可以看出，每个试样的磨损量随着载荷减小而减小。此规律符合磨损率公式：
其中：v为磨损量，t为时间。
纵向规律可以看出，在三种载荷作用下，四个试样的耐磨性均比基体42CrMo高，说明了火焰喷焊提高了基体材料的耐磨性。试样1（G113）与试样2（G113+1% B4C）的磨损量几乎相同，只在载荷2N时试样2稍小于试样1。试样3（G113+2% B4C）的磨损量最小，其耐磨性相比试样1有很大提高。试样4（G113+4% B4C）的磨损量最大，低于试样1的磨损量。
试样1与试样2的磨损量几乎相同主要是因为：B4C 的加入量太少，对喷焊层耐磨性的影响微小；试样3的磨损量最小是因为：自熔性合金粉末中加入了适量的B4C、在进行火焰喷焊过程中，B4C部分分解成C、B，分解出的C、B融入固溶体或与合金中的其他元素作用生成碳化物、硼化物以及碳硼化物等硬质相，从而起到固溶强化和弥散强化的作用。B4C熔解的地方，合金成分浓度较高，易提供结晶成核所需的成分起伏和能量起伏条件，导致结晶核心增多，从而使晶粒细化，起到了细晶强化的作用。未熔的B4C也可以成为结晶核心，起细晶强化的作用，同时未熔解的B4C作为硬质相同样可以提高熔覆层的硬度，硬度高也起到一个耐磨性的作用；试样4的磨损量低于试样1，与硬度试验结果吻合。也是由于过量的B4C使粉末熔液表面张力增加而不易与基体金属润湿，因而熔融合金在基体表面集聚成球铺展不开，不易熔入，容易剥落，组织内部缺陷增多，孔隙率增加，因而使喷焊层的耐磨性降低，低于G113喷焊层。
图3 加入不同量B4C喷焊层磨粒磨损失重量
2.3.2 磨损形貌分析
图4是不同成分的喷焊层在1N载荷作用下的磨损形貌。图（a）从磨损形貌上来看，磨损表现为磨粒磨损，摩擦面被犁出相对细小的沟槽，两侧材料因塑性变形沿沟槽两侧堆积，喷焊层经磨损后表面留有少量的剥落坑，可见磨损机制为磨粒磨损。G113粉末中存在大量的Cr、Fe、Si、B等合金元素，火焰喷焊后的快速凝固使晶粒细小所产生的细晶强化、合金元
素融入枝晶所形成过饱和固溶体所产生的固溶强化以及大量共晶化合物的形成所产生的第二相强化[2]，使G113喷焊层本身具有一定的耐磨性。除此之外，喷焊层的摩擦系数较低也使其本身具有一定的耐磨性。但因其不含B4C，硬度较低，磨粒压入的深度较深因此耐磨性比试样2、试样3差。
图（b）与图（a）相比，摩擦面被犁出的沟槽比较细小，因塑性变形沿沟槽两侧堆积的材料较少，表面留有的剥落坑较少。这是由于合金粉末中加入了1%的B4C后，喷焊层层组织得到细化和均匀，在喷焊过程中，产生的少量的碳化物、硼化物等硬质相弥散分布于韧性相中，不易脱落，起着均匀载荷和减摩抗磨作用，故其耐磨性稍有提高。图（c）与图（a）、（b）、（d）相比，摩擦面被犁出的沟槽最小，因塑性变形沿沟槽两侧堆积的材料最少，表面留有的剥落坑较少，表面平整，划痕笔直。这是由于加入2%的B4C后，喷焊层层组织得到明显的细化和均匀，并且在喷焊过程中，产生的大量碳化物、硼化物等硬质相弥散分布于韧性相中，不易脱落，很好地起着均匀载荷和减摩抗磨作用，故其耐磨性较好。图（d）与图（a）相比，由于其硬度低，摩擦面被犁出的沟槽较大，因塑性变形沿沟槽两侧堆积的材料较多，表面留有的剥落坑较多。也是由于过量的B4C不易熔入基体，容易剥落，组织内部缺陷增多，孔隙率增加，因而使其喷焊层的耐磨性降低，低于G113喷焊层。由以上分析得出：加入2%B4C喷焊的耐磨性最好。
3.结论
1）加入一定量的B4C，改变了喷焊层的组织结构；随着B4C含量的增加，其组织更为细化；
2）随着B4C含量的增加，喷焊层的硬度以及耐磨性，均有所提高；但是当B4C含量继续增加时，起作用反而副作用。
参考文献：
[1]史永革，张颜芳，寇永利.42CrMo零件热处理工艺参数的试验研究[J].铁道技术监督，35（9）：1006-9178（2007）14-16.
[2]赵高敏，王昆林，李传刚.稀土对Fe基合金激光熔覆层抗磨性能的影响[J].摩擦学学报，2004，24（4）：318-321.
作者简介：
徐长钧（1969-），男，本科，工程师，主要从事金属材料焊接研究。
论文作者:徐长钧
论文发表刊物:《防护工程》2018年第15期
论文发表时间:2018/10/31
标签：试样论文; 硬度论文; 耐磨性论文; 磨损论文; 合金论文; 组织论文; 基体论文; 《防护工程》2018年第15期论文;