高錳鋼表面等離子熔覆Fe-Ni基合金增韌涂層的組織與性能研究.pdf

1、耐磨高錳鋼因其特殊的加工硬化性能常用于制造抗沖擊磨損的耐磨件，被廣泛應(yīng)用于采礦等行業(yè)，其在低應(yīng)力與未能加工硬化等工況下其耐磨性較差，壽命低。傳統(tǒng)的硬質(zhì)顆粒強(qiáng)化金屬基耐磨涂層可顯著提高材料的表面硬度和耐磨性。傳統(tǒng)的硬質(zhì)顆粒強(qiáng)化金屬基耐磨涂層可顯著提高材料的表面硬度和耐磨性，但在中高應(yīng)力等工況下，耐磨涂層容易開裂，而失去保護(hù)基體的作用。因此，為提高高錳鋼壽命，開發(fā)即在低應(yīng)力下能顯著提高高錳鋼的耐磨性，而在中高應(yīng)力沖擊下又具有較好韌性的涂層是

2、顯著提高高錳鋼壽命的亟待解決的問(wèn)題。本文基于馬氏體時(shí)效鋼具有優(yōu)良的強(qiáng)韌綜合性能，提出采用等離子熔覆技術(shù)、固溶處理及涂層表面時(shí)效工藝，篩選出具有硬度高、耐磨性和承受強(qiáng)弱沖擊的Fe-Ni合金涂層/高錳鋼材料結(jié)果組成體系的思路，提高高錳鋼的壽命，豐富耐磨材料表面強(qiáng)化技術(shù)的理論體系促進(jìn)我國(guó)耐磨材料的發(fā)展。
　　本文以工程常用的高錳鋼Mn13為基體，選擇18Ni(300)粉為基礎(chǔ)粉末，添加適量Si等元素形成熔覆混合粉末，利用等離子熔覆熔覆技

3、術(shù)在高錳鋼表面制備出低碳Fe-Ni涂層；并對(duì) Fe-Ni合金耐磨陶瓷/高錳鋼材料進(jìn)行固溶處理及不同時(shí)效處理；分析不同工藝出來(lái)后 Fe-Ni合金耐磨陶瓷/高錳鋼材料自表及里各亞層的組織結(jié)構(gòu)和性能演變，熔覆試樣的物相及微觀組織進(jìn)行表征；分析熔覆層的磨損機(jī)制，結(jié)果表明：
　　18Ni(300)粉末大部分為球形或近球形，少量的顆粒形狀為條狀和不規(guī)則多面體；粉末不存在較大的團(tuán)聚。粉末主要物相為鐵鎳馬氏體和少量的殘余奧氏體。通過(guò)對(duì)鐵鎳基合金和

4、硅的級(jí)配，在額定的送粉電壓范圍內(nèi)，等離子熔覆送粉速度變化的偏差值為0.76，近似均勻送粉；當(dāng)熔覆電流為200A，熔覆速度為150mm/min時(shí)稀釋率最小且表面成形質(zhì)量最佳。
　　Fe-Ni合金涂層組織由γ相與Co3 Fe7等金屬間化合物等組成，垂直于熔覆方向熔覆層γ相形貌依次分為等軸晶區(qū)、樹枝晶區(qū)、胞狀晶區(qū)、結(jié)合區(qū)平面晶；熱影響區(qū)組織為魏氏體，基體為奧氏體和少量珠光體組織。熔覆層820℃固溶1小時(shí)后的組織為條束狀的馬氏體組織和少量

5、的殘余奧氏體組織。熱影響區(qū)組織由原來(lái)的魏氏體組織重結(jié)晶為貝氏體和珠光體組織，以及少量的馬氏體組織；固溶后基體由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的奧氏體和珠光體相含量減少。熔覆層經(jīng)過(guò)300℃~400℃時(shí)效后,熔覆層組織主要為馬氏體組織，主要析出相為Fe9.64Ti0.36、FeCo相，衍射峰強(qiáng)度弱；500℃時(shí)效后，熔覆層組織主要為馬氏體組織，熔覆層析出物主要是棒狀的Ni3Ti和Ni3Mo金屬間化合物。在600℃時(shí)效后熔覆層組織中有逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形成，以及

6、球形Fe7Mo6和Fe2Mo析出。
　　室溫干摩擦磨損試驗(yàn)表明，熔覆層 Fe-Ni合金涂層耐磨性為基體2.6倍，基體磨損機(jī)制屬于典型的磨粒磨損，熔覆層磨損機(jī)制為磨粒磨損和粘著磨損相結(jié)合；固溶時(shí)效處理后的熔覆層的磨損量和摩擦系數(shù)均減小，磨損機(jī)制由磨粒磨損和黏著磨損向磨粒磨損轉(zhuǎn)變；熔覆層在不同時(shí)效溫度后耐磨性較高錳鋼基體提高2~6倍；隨時(shí)效溫度的增加，熔覆層的摩擦系數(shù)逐漸減小，在時(shí)效溫度500℃時(shí)的平均摩擦系數(shù)僅為0.42，耐磨性為基

7、體的5.4倍；其磨損機(jī)制主要是輕微的磨粒磨損和淺層剝落。
　　沖擊試驗(yàn)證明：熔覆后試件沖擊性能比較差，沖擊韌性為88J/cm2；300℃～500℃時(shí)效溫度區(qū)間內(nèi),實(shí)驗(yàn)的沖擊韌性隨著時(shí)效溫度的升高而顯著升高,且500℃時(shí)效時(shí)材料的沖擊韌性最高，沖擊韌性為182J/cm2；但是,在600℃時(shí)效溫度,材料沖擊韌性急劇下降，沖擊韌性為114J/cm2。
　　綜合試驗(yàn)結(jié)果表明，高錳鋼表面等離子熔覆低碳 Fe-Ni合金涂層在820℃固溶