简介概要

钼对等离子堆焊钴基合金组织结构及性能的影响

来源期刊：稀有金属2006年第6期

论文作者：黄贞益侯清宇

关键词：等离子堆焊; 钴基合金; 钼; 组织结构; 耐磨性;

摘要：采用光学显微镜,扫描电镜(SEM),X射线衍射(XRD),透射电镜(TEM)和磨粒磨损试验,研究了8%Mo对等离子堆焊钴基合金组织结构和性能的影响.结果表明,堆焊合金层主要是由面心立方的γ(Co)和六方结构的M7C3构成,并且在钴基固溶体中存在着许多堆垛层错.8%Mo的加入,没有改变合金层的相结构,但其亚结构却发生了变化,堆垛层错消失,在钴基固溶体中出现了大量的位错.8%Mo的加入,不但可以细化钴基固溶体和共晶体组织,还可以提高合金层中富Cr碳化物相的相对含量,有助于提高合金层的硬度和耐磨性能.

稀有金属 2006,(06),740-745 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2006.06.005

钼对等离子堆焊钴基合金组织结构及性能的影响

黄贞益

安徽工业大学材料科学与工程学院金属材料与加工重点实验室,安徽工业大学材料科学与工程学院金属材料与加工重点实验室安徽马鞍山243002,安徽马鞍山243002

摘要：

采用光学显微镜, 扫描电镜 (SEM) , X射线衍射 (XRD) , 透射电镜 (TEM) 和磨粒磨损试验, 研究了8%Mo对等离子堆焊钴基合金组织结构和性能的影响。结果表明, 堆焊合金层主要是由面心立方的γ (Co) 和六方结构的M7C3构成, 并且在钴基固溶体中存在着许多堆垛层错。8%Mo的加入, 没有改变合金层的相结构, 但其亚结构却发生了变化, 堆垛层错消失, 在钴基固溶体中出现了大量的位错。8%Mo的加入, 不但可以细化钴基固溶体和共晶体组织, 还可以提高合金层中富Cr碳化物相的相对含量, 有助于提高合金层的硬度和耐磨性能。

关键词：

等离子堆焊;钴基合金;钼;组织结构;耐磨性;

中图分类号： TG455

收稿日期：2006-03-08

基金：安徽省高校青年教师科研资助项目 (2006jql082);

Effect of Molybdenum on Microstructure and Properties of Cobalt-Based Alloy Coating Deposited by Plasma Transferred Arc Process

Abstract：

The effects of 8% Mo on the microstructure and properties of the cobalt-based alloy coating were investigated using optical microscope, scanning electron microscope (SEM) , X-ray diffraction (XRD) , transmission electron microscope (TEM) , and abrasive wear test.It was found that a cobalt-based solid solution with a face-centered cubic crystal structure is presented accompanied by the secondary phase M₇C₃ with a hexagonal crystal structure in the cobalt-based alloy coating.There are lots of stacking faults existing in this coating.The addition of 8% Mo does not change the phase composition, but the substructure changes from sacking faults into dislocations.The addition of 8% Mo can refine the Co-rich dendrites and Cr-rich carbides formed in interdendritic region.The mass fraction of Cr-rich carbides slightly increases.All these results are beneficial to increasing the hardness and the wear resistance of the deposited coating.

Keyword：

plasma transferred arc (PTA) process;cobalt-based alloy;molybdenum;microstructure;wear resistance;

Received： 2006-03-08

为了提高构件的表面耐磨、耐蚀以及抗氧化性能, 人们采用了诸如电弧和激光等表面改性技术 ^[1,2,3] 。在这些表面改性技术当中, 等离子堆焊技术作为材料表面强化手段之一, 同传统的堆焊方法相比, 具有堆焊熔覆率高、稀释率低、粉末适用范围广等突出优点。而钴基合金因具有良好的高温性能和耐磨耐性能, 受到了人们的广泛关注 ^[4,5] 。

钴基合金堆焊合金层的性能取决于堆焊层的化学成分、组织结构、以及加工处理方式。一般来说, 粗大的组织, 其耐磨性较低 ^[6] 。最近, Shin等 ^[7] 在钴基斯太利合金中添加不同质量分数的Mo, 并采用等离子堆焊的方式获得复合结构涂层。该研究发现, 在钴基合金中添加Mo元素以后, 位于枝晶间的富Cr碳化物相的尺寸减小, 含量略有增加, 并且细化了富Co固溶体的枝晶组织, 同时在组织中形成了M₆C型化合物, 所有这些改变都有利于堆焊层表面耐磨性能的提高。可以预见的是, 在钴基合金中添加Mo元素, 并采用等离子堆焊的方式制备复合结构涂层, 必将对涂层的组织结构及性能产生影响。本文主要研究8%Mo对钴基合金等离子堆焊层的组织结构和耐磨性能的影响, 为提高钴基合金等离子堆焊层的表面性能提供新的途径。

1 实验

将Q235A钢加工成200 mm×35 mm×20 mm作为堆焊母材试样。将钴基合金粉末 (粒度为75～180 μm) 与钼元素 (纯度为99.5%, 粒度约为80 μm) 按照质量分数为92∶8比例进行配置, 并放入玛瑙研钵中, 充分搅拌, 待均匀后放入120 ℃的烘干箱中烘烤2 h, 取出待用。钴基合金粉末的化学成分见表1所示。

等离子堆焊试验是在型号为L4-400PC型的等离子堆焊机上进行的。工艺规范为: 转移弧电流210～220 A, 转移弧电压38～40 V, 主气压力0.3 MPa, 离子气流量0.5 m³·h^-1, 送粉气流量0.2 m³·h^-1, 送粉电压11～13 V, 摆动电压25 V, 行走电压17 V, 冷却水压力3 MPa, 喷距7 mm, 焊枪摆幅15 mm。

采用OLYMPUS-PME3型金相显微镜和带有能谱仪的PHILIPS扫描电镜 (SEM) 对堆焊合金层显微组织进行观察分析。采用Rigaku D/max-IIIC型X射线衍射仪对堆焊层进行物相分析, 加速电压为45 kV, 管流100 mA, Cu kα靶。采用HV-1000型显微硬度计测量堆焊层的剖面显微硬度, 载荷为1 kg。磨粒磨损实验是在自制的三体磨粒磨损试验机上进行的, 载荷为0.5 kg, 转速为40 r·min^-1。

表1 钴基合金粉末的化学成分 (%, 质量分数)

Table 1 Composition of cobalt-based alloy powder

C	Si	Cr	Fe	Ni	W	Mo	Co
1.4	1.45	29.5	3	3	8.25	1	余量

评定耐磨性的高低采用失重法, 称重是在感量为0.1 mg的FN2004电子天平上进行的, 每种材料取3块试样磨损的平均值作为该材料的磨损值。

2 结果与分析

2.1 X射线衍射结果

图1为堆焊合金层的X射线衍射谱。由图可知, 堆焊合金层主要是由面心立方的γ (Co) 和六方结构的M₇C₃构成 (M=Cr, Fe, Ni, W, Co, Si, Mo) 。由图可见, 固溶体所对应的衍射峰强度较高, 化合物所对应的衍射峰的强度却较低。由文献 [ 8] 可知, 由于等离子堆焊是一个快速加热和快速凝固过程, 在合金层中很容易出现择优取向, 从而使得先析出相固溶体的衍射峰明显, 而后析出的化合物所对应的衍射峰强度就相应降低了。比较图1 (a) 和1 (b) 可以看出, 8%Mo的加入并没有改变堆焊合金层的相组成, 只是化合物所对应的衍射峰有所变锐。这说明由于Mo的加入, 合金层中化合物相的相对含量有所增加, 而固溶体相的相对含量则有所降低, 并且其择优取向性减弱 ^[7] 。

根据文献 [ 7] 可知, Mo的加入可以增加富Cr相的含量, 而且可以使枝晶变细, 从而使化合物所对应的衍射峰强度升高, 组织的择优取向性减弱。由于Mo是高熔点金属 (2890 K) , 在堆焊层凝固结晶过程中, 部分Mo首先从熔池中析出, 作为非自发形核的核心, 因此可以细化组织, 使组织的取向性减弱, 所以衍射谱的择优取向减弱。

2.2 堆焊合金层的组织特征

图2为钴基合金堆焊合金层的剖面显微组织。由图可见, 涂层的组织为典型的树枝晶结构, 具有亚共晶特征。加入8%Mo以后, 堆焊层的组织没有发生显著变化, 但要比没有添加8%Mo的组织要细, 而且其枝晶的取向性减弱, 这同前面的X射线衍射结果是一致的。这说明, 由于8%Mo的加入, 使堆焊层一次枝晶破碎, 组织变细。如上所述, 由于Mo是高熔点金属, 在堆焊层凝固结果过程中, 首先从熔池中析出, 提供非自发形核核心, 从而可以使组织变细, 枝晶的取向性减弱 ^[7] 。

图3是堆焊合金层SEM二次电子形貌。由图可知, 堆焊层主要是由呈深色分布的γ (Co) 基体A和富Cr的碳化物B所构成。比较图3 (a) 和 (b) 可以看出, 8%Mo的加入, 共晶体的形态发生了一些变化, 由板条网状转变为放射网状, 而且共晶体碳化物的数量也有所增多, 这与X射线的结果是一致的。

堆焊层的EDS分析结果如表2所示。由表2可以看出, Mo元素主要分布在富Cr的网状碳化物中, 而在基体固溶体中则分布较少, 这与文献 [ 7] 所报道的结果相同。

图1 等离子堆焊钴基合金X射线衍射图谱 (a) Co50; (b) Co50/8%Mo

Fig.1 X-ray diffraction patterns of deposited coatings

2.3 堆焊合金层的TEM研究

图4 (a) 是钴基合金堆焊层的亚结构观察。由图可以看出, 在钴基固溶体中分布着许多呈大致平行分布的堆垛层错。众所周知, 由于面心立方晶体结构的滑移系较多, 而Co的层错能较低, 因此在等离子堆焊快速凝固所产生的热应力作用下, 在钴基固溶体中就形成了许多堆垛层错, 以降低系统的能量, 保持组织结构的稳定性 ^[9] 。但是, 当在钴基合金中添加8%的Mo元素以后, 合金层的亚结构却发生了变化, 钴基固溶体中的堆垛层消失, 出现了密度较高的位错, 如图4 (b) 所示。由文献 [ 7, 10] 可知, Mo的加入, 不但可以细化组织, 提高合金层中富Cr碳化物的含量, 而且未熔的Mo质点还可以阻碍滑移系的开动和滑移, 促进了位错的衍生和繁殖, 从而提高了堆焊层的性能。此外, 由图4 (b) 还可以看到, 在某些局部区域存在着位错的缠结。

由前面的XRD衍射结果可知, 在堆焊层中存在着呈六方结构分布的M₇C₃型化合物。由于在堆焊层中存在较强的择优取向, 因此在衍射图中

图2 堆焊合金层组织 (a) Co50; (b) Co50/8% Mo

Fig.2 Microstructure of deposited coatings

图3 堆焊合金层SEM高倍组织 (a) Co50; (b) Co50/8%Mo

Fig.3 SEM images of deposited coatings

表2 等离子堆焊钴基合金涂层的EDS成分分析结果 (%, 质量分数)

Table 2 EDS analysis of deposited coatings

试样	区域	Co	Cr	W	Mo	Fe	Ni	Si
Co50	A	55.1	30.12	9.25	0.76	1.62	1.65	1.50
	B	19.83	52.26	15.19	0.21	11.18	0.82	0.51
Co50/8%Mo	A	52.53	19.21	4.21	1.17	19.77	1.86	1.25
	B	16.93	50.10	7.98	5.96	16.96	1.27	0.80

M₇C₃型化合物的衍射峰较弱, 为了更加明确地确定堆焊层中碳化物的种类和结构, 对堆焊层进行了TEM观察, 如图5和6所示, 相应的选区电子衍射花样 (SAD) 如图5 (b) 和图6 (b) 所示。由标定结果可以看出, 堆焊层的碳化物相为呈六方结构的M₇C₃, 这同前面的XRD衍射结果是一致的。文献 [ 11] 的研究结果表明, 在不同处理方式下, M₇C₃具有正交和六方两种结构, 在本实验条件下, M₇C₃呈六方结构, 这与文献 [ 8] 所得到的结果是一致的。

2.4 剖面显微硬度和表面耐磨性

图7和8分别是堆焊合金层的剖面显微硬度

图4 钴基固溶体中的亚结构观察 (a) Co50; (b) Co50/8%Mo

Fig.4 TEM images of stacking faults in Co50 (a) and dislocation in Co50/8%Mo coatings

图5 Co50堆焊层中M7C3型化合物的TEM形貌 (a) 及其SAD图谱 (b)

Fig.5 TEM image of M₇C₃ and its SAD patterns for Co50 coating

图6 Co50/8%Mo堆焊层中M7C3型化合物的TEM形貌 (a) 及其SAD图谱 (b)

Fig.6 TEM image of M₇C₃ and its SAD patterns for Co50/8%Mo coating

图7 堆焊合金层的显微硬度

Fig.7 Microhardness of deposited coatings

图8 堆焊合金层的磨损性能

Fig.8 Wear resistance of deposited coatings

和表面磨粒磨损试验结果。由图可以看出, 添加8%Mo的堆焊层的剖面显微硬度和表面耐磨性能都高于原堆焊层。通过前面的分析可知, 8%Mo的加入, 一方面可以细化晶粒, 改善枝晶的择优分布, 增加富Cr碳化物的数量; 另一方面, 8%Mo的加入, 使堆焊层的亚结构发生了变化, 堆垛层错消失, 出现了大量的位错, 而且出现了位错的缠结。在这两方面的联合作用下, 使堆焊层的硬度和耐磨性能得到了提高。