D0I:10.13374/i.issnl00113.2007.05.011 第29卷第5期 北京科技大学学报 Vol.29 No.5 2007年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing My2007 等离子熔覆铁基涂层组织结构及热影响区特点 张丽民)孙冬柏) 李惠琪)刘邦武) 1)北京科技大学腐蚀与防护中心，北京1000832)山东科技大学材料科学与工程学院，青岛266510 摘要采用等离子束作为热源，在16M钢上熔覆一层铁基合金涂层·分析了涂层的组织结构：并通过对等离子熔覆热循 环的特点和治金过程的探讨，着重对钢基体的热影响区进行了测试分析：将热影响区划分为过热区、完全相变区和不完全相 变区·过热区显微组织粗大，有魏氏体产生，硬度下降：完全相变区晶粒细化，硬度较高：不完全相变区组织只有部分发生转 变，晶粒大小不均匀·过热区魏氏体组织的产生，使热影响区有脆化的倾向 关键词16Mn钢：等离子熔覆：涂层：热影响区；组织结构 分类号TG135 目前，激光熔覆技术是国内外研究的热点，而对 织性能：由于等离子束温度非常高，基体的表层因受 等离子熔覆技术，国内外的研究报道尚不多见】. 热的影响而发生金相组织和力学性能的变化，形成 等离子束是具有高能量、极高温度的压缩弧·等离 了一定深度的热影响区，对基体的热影响区进行了 子体熔覆技术是以等离子束作为热源，在钢基体表 分区，并在实验的基础上对热影响区的组织性能进 面上熔合一层高性能合金或陶瓷粉末，使之形成与 行了研究 基体材料性能完全不相同的表面熔覆层，从而提高 基体材料表面的耐磨、耐蚀或抗高温氧化性能)， 1 实验材料与方法 等离子熔覆技术区别于堆焊、热喷涂等技术的主要 基体采用热轧状态的16Mn钢，制成150mm× 特点是：功率密度和定向性十分稳定的转移弧放电 80mmX20mm的试块：熔覆合金粉末采用常用的 等离子束在按照程序轨迹匀速运行的同时，使同步 铁基合金粉末，粒度为106~180m;熔覆设备采用 送入的合金粉末和基体表面同时快速熔化，形成瞬 山东科技大学研制的负压非等轴压缩等离子熔覆专 间熔池，熔融状态下的合金元素在熔池内发生扩散、 用设备，工艺参数如表1所示，采用单道熔覆，宽度 反应，并依次快速凝固，形成与基体呈治金结合的表 为8mm,冶金层厚度为2mm;将实验获得的试样垂 面熔覆层可.等离子熔覆层的使用性能不仅取决于 直等离子炬扫描方向截开，制成金相试样，用FεCl3 熔覆层本身，与支撑治金层的次表面基体组织和性 溶液进行腐蚀，采用LE01450扫描电子显微镜和 能也有密切的关系，本文利用等离子束在钢基体表 XJP一100金相显微镜对基体进行金相分析；采用 面进行等离子熔覆，研究了熔覆层的组 HV-1000型显微硬度计对基体进行硬度检测 表1等离子熔覆工艺参数 Table 1 Process parameter of the plasma cladding 等离子炬扫描 送粉器气流量/ 离子气流量/ 保护气流量/ 等离子束流 工作电流/ 速度/(mmmin- (m3h-) (m3h1) (m3h- 长度/mm A 400 0.6 0.6 1.6 27 300 体形貌，如图1所示，有三个不同的区域：等离子熔 2 实验结果与讨论 覆层、热影响区和基体.其中熔覆层的厚度为2mm, 通过扫描电子显微镜观察等离子熔覆试样的整 热影响区的厚度约为1mm, 2.1等离子熔覆层的组织结构 收稿日期：2006-02-12修回日期：2006-09-10 图2为等离子熔覆铁基涂层的SEM照片，图3 作者简介：张丽民(1979一)，女，博士研究生：孙冬柏(1959一)，男， 为熔覆层中的物相分布图谱，在熔覆层中，其物相 教授，博士生导师 主要为奥氏体Y-FeNi(Cr,Si)和碳化物(Cr,Fe)7
等离子熔覆铁基涂层组织结构及热影响区特点 张丽民1） 孙冬柏1） 李惠琪2） 刘邦武1） 1） 北京科技大学腐蚀与防护中心北京100083 2） 山东科技大学材料科学与工程学院青岛266510 摘 要 采用等离子束作为热源在16Mn 钢上熔覆一层铁基合金涂层．分析了涂层的组织结构；并通过对等离子熔覆热循 环的特点和冶金过程的探讨着重对钢基体的热影响区进行了测试分析；将热影响区划分为过热区、完全相变区和不完全相 变区．过热区显微组织粗大有魏氏体产生硬度下降；完全相变区晶粒细化硬度较高；不完全相变区组织只有部分发生转 变晶粒大小不均匀．过热区魏氏体组织的产生使热影响区有脆化的倾向． 关键词 16Mn 钢；等离子熔覆；涂层；热影响区；组织结构 分类号 TG135 收稿日期：2006-02-12 修回日期：2006-09-10 作者简介：张丽民（1979—）女博士研究生；孙冬柏（1959—）男 教授博士生导师 目前激光熔覆技术是国内外研究的热点而对 等离子熔覆技术国内外的研究报道尚不多见［1—2］． 等离子束是具有高能量、极高温度的压缩弧．等离 子体熔覆技术是以等离子束作为热源在钢基体表 面上熔合一层高性能合金或陶瓷粉末使之形成与 基体材料性能完全不相同的表面熔覆层从而提高 基体材料表面的耐磨、耐蚀或抗高温氧化性能［3—4］． 等离子熔覆技术区别于堆焊、热喷涂等技术的主要 特点是：功率密度和定向性十分稳定的转移弧放电 等离子束在按照程序轨迹匀速运行的同时使同步 送入的合金粉末和基体表面同时快速熔化形成瞬 间熔池熔融状态下的合金元素在熔池内发生扩散、 反应并依次快速凝固形成与基体呈冶金结合的表 面熔覆层［5］．等离子熔覆层的使用性能不仅取决于 熔覆层本身与支撑冶金层的次表面基体组织和性 能也有密切的关系．本文利用等离子束在钢基体表 面进行等离子熔覆研究了熔覆层的组 织性能；由于等离子束温度非常高基体的表层因受 热的影响而发生金相组织和力学性能的变化形成 了一定深度的热影响区．对基体的热影响区进行了 分区并在实验的基础上对热影响区的组织性能进 行了研究． 1 实验材料与方法 基体采用热轧状态的16Mn 钢制成150mm× 80mm×20mm 的试块；熔覆合金粉末采用常用的 铁基合金粉末粒度为106～180μm；熔覆设备采用 山东科技大学研制的负压非等轴压缩等离子熔覆专 用设备工艺参数如表1所示采用单道熔覆宽度 为8mm冶金层厚度为2mm；将实验获得的试样垂 直等离子炬扫描方向截开制成金相试样用 FeCl3 溶液进行腐蚀采用 LEO1450扫描电子显微镜和 XJP—100金相显微镜对基体进行金相分析；采用 HV—1000型显微硬度计对基体进行硬度检测． 表1 等离子熔覆工艺参数 Table1 Process parameter of the plasma cladding 等离子炬扫描 速度／（mm·min —1） 送粉器气流量／ （m 3·h —1） 离子气流量／ （m 3·h —1） 保护气流量／ （m 3·h —1） 等离子束流 长度／mm 工作电流／ A 400 0∙6 0∙6 1∙6 27 300 2 实验结果与讨论 通过扫描电子显微镜观察等离子熔覆试样的整 体形貌如图1所示有三个不同的区域：等离子熔 覆层、热影响区和基体．其中熔覆层的厚度为2mm 热影响区的厚度约为1mm． 2∙1 等离子熔覆层的组织结构 图2为等离子熔覆铁基涂层的 SEM 照片图3 为熔覆层中的物相分布图谱．在熔覆层中其物相 主要为奥氏体γ—FeNi（CrSi）和碳化物（CrFe）7 第29卷 第5期 2007年 5月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．5 May2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．05．011
第5期 张丽民等：等离子熔覆铁基涂层组织结构及热影响区特点 .491. 环过程是不同的，图4所示是经过多次实验观察， 焙微层 并采用针式热电偶辅助测试得出的热循环曲线，由 曲线1到曲线4距离结合界面越来越远，由曲线可 热就影向区 以看出，等离子熔覆过程是一个不均匀加热和冷却 248mm 基体 的过程，也可以说是一种特殊的热处理，从而造成热 影响区不均匀的组织和性能 1400r 长3k方中5主4 ,们 1200 一曲线1 一一曲线2 1000 一出线3 图1等离子熔覆层宏观形貌 800 一线4 Fig-1 Pattern of the sample produced by plasma cladding 600 (C,B)3及(Cr,Fe)3(C,B)2,微观形貌上表现为树枝 400 状奥氏体晶粒上分布着块状的碳化物，熔覆层中碳 200 化物的硬度远高于基体相，在磨损过程中作为硬质 793 时间.s 的第二相，起承受载荷和保护基体相的作用；基体的 强韧性对提高涂层的耐磨性也是至关重要的，奥氏 图4不同区域的热循环曲线[] 体具有优异的强韧性，对碳化物有稳固的支撑和包 Fig-4 Thermal cycle curve of different zones 裹作用，可充分发挥碳化物良好的耐磨性能[1， 2.3等离子熔覆自身具有的特点 等离子熔覆条件下，热影响区新相的形成也是 通过生核和核长大两个过程，在基本原理上与热处 理条件下的组织的转变是一致的，符合经典的结晶 理论，但是，由于等离子熔覆过程的快速、不均匀特 点，其组织转变有它的特殊性，结合图4不同区域的 热循环曲线概括为： 20m (1)加热的温度高.一般热处理情况下，加热 温度不超过Ac3以上100~200℃；而在等离子熔覆 图2等离子熔覆层的微观形貌 时，在基体和熔覆层的结合区接近金属的熔点， Fig.2 Microstructure of the cladd coating (2)加热速度快.在等离子熔覆过程中，热源 1800r 强烈集中，故加热速度比热处理时快得多，往往是其 y-FeNi(Cr.Si) 1400 几十倍，甚至上百倍 o(Cr.Fe)(C,B) (Cr.Fe)C2 (③)高温停留时间短，由于热循环的特点，等 1000 离子熔覆过程中在Ac3以上保温的时间很短：而在 600 热处理时，可以根据需要任意控制保温时间. 200 (4)自然条件下连续冷却.等离子熔覆时，一 般都在自然条件下连续冷却，个别条件才进行后续 -2006 20 4060 80 100 120 热处理或保温， 26°) (5)局部加热.热处理时，工件是整体加热的； 图3等离子熔覆层的XRD图增 熔覆时，只是局部集中加热，并且随着等离子束的移 Fig.3 XRD pattern of the cladding coating 动，被加热范围也随之移动，这样就使组织转变在应 2.2等离子熔覆热循环的特点 力作用下非均匀进行. 等离子熔覆热循环是指熔覆过程中等离子束沿 2.4等离子熔覆热影响区组织转变的特点 工件扫描时，随时间的变化工件上某点的温度由低 在金相显微镜下观察热影响区的组织形貌，如 到高，达到最高值后，又由高到低的变化，它描述的 图5所示.根据等离子熔覆过程热循环的特点以及 是等离子熔覆过程中等离子束对熔覆工件的热作 等离子熔覆自身特点，结合热影响区金相组织形貌 用，距治金结合界面不同距离的各点所经历的热循 将热影响区划分为三个区域：过热区、完全相变区和
图1 等离子熔覆层宏观形貌 Fig．1 Pattern of the sample produced by plasma cladding （CB）3 及（CrFe）3（CB）2微观形貌上表现为树枝 状奥氏体晶粒上分布着块状的碳化物．熔覆层中碳 化物的硬度远高于基体相在磨损过程中作为硬质 的第二相起承受载荷和保护基体相的作用；基体的 强韧性对提高涂层的耐磨性也是至关重要的奥氏 体具有优异的强韧性对碳化物有稳固的支撑和包 裹作用可充分发挥碳化物良好的耐磨性能［6］． 图2 等离子熔覆层的微观形貌 Fig．2 Microstructure of the cladd coating 图3 等离子熔覆层的 XRD 图谱 Fig．3 XRD pattern of the cladding coating 2∙2 等离子熔覆热循环的特点 等离子熔覆热循环是指熔覆过程中等离子束沿 工件扫描时随时间的变化工件上某点的温度由低 到高达到最高值后又由高到低的变化．它描述的 是等离子熔覆过程中等离子束对熔覆工件的热作 用．距冶金结合界面不同距离的各点所经历的热循 环过程是不同的．图4所示是经过多次实验观察 并采用针式热电偶辅助测试得出的热循环曲线．由 曲线1到曲线4距离结合界面越来越远．由曲线可 以看出等离子熔覆过程是一个不均匀加热和冷却 的过程也可以说是一种特殊的热处理从而造成热 影响区不均匀的组织和性能． 图4 不同区域的热循环曲线［8］ Fig．4 Thermal cycle curve of different zones 2∙3 等离子熔覆自身具有的特点 等离子熔覆条件下热影响区新相的形成也是 通过生核和核长大两个过程在基本原理上与热处 理条件下的组织的转变是一致的符合经典的结晶 理论．但是由于等离子熔覆过程的快速、不均匀特 点其组织转变有它的特殊性结合图4不同区域的 热循环曲线概括为： （1） 加热的温度高．一般热处理情况下加热 温度不超过 Ac3 以上100～200℃；而在等离子熔覆 时在基体和熔覆层的结合区接近金属的熔点． （2） 加热速度快．在等离子熔覆过程中热源 强烈集中故加热速度比热处理时快得多往往是其 几十倍甚至上百倍． （3） 高温停留时间短．由于热循环的特点等 离子熔覆过程中在 Ac3 以上保温的时间很短；而在 热处理时可以根据需要任意控制保温时间． （4） 自然条件下连续冷却．等离子熔覆时一 般都在自然条件下连续冷却个别条件才进行后续 热处理或保温． （5） 局部加热．热处理时工件是整体加热的； 熔覆时只是局部集中加热并且随着等离子束的移 动被加热范围也随之移动这样就使组织转变在应 力作用下非均匀进行． 2∙4 等离子熔覆热影响区组织转变的特点 在金相显微镜下观察热影响区的组织形貌如 图5所示．根据等离子熔覆过程热循环的特点以及 等离子熔覆自身特点结合热影响区金相组织形貌 将热影响区划分为三个区域：过热区、完全相变区和 第5期 张丽民等： 等离子熔覆铁基涂层组织结构及热影响区特点 ·491·
.492 北京科技大学学报 第29卷 50 um 50μm 50 um 50 um 图5热影响区显微组织形貌.(a)过热区；(b)完全相变区；(c)不完全相变区：(d)基体 Fig-5 Microstructures of heat-affected zone:(a)overheated zone;(b)perfect phase transformation zone;(c)imperfect phase transformation: (d)substrate 不完全相变区， 韧性下降，冷裂倾向增大，在热影响区垂直截面方 过热区（图5(a)为粗大的魏氏体组织，其热循 向上进行的显微硬度测试结果如图6所示.从图中 环曲线如图4曲线1所示.该区接受等离子束的能 可以看出，热影响区总体硬度比基体有较大提高，在 量较大，温度迅速升至固相线以下到1100℃之间， 垂直截面方向上，过热区的厚度大约为0.2~ 基体金属处于过热状态，奥氏体晶粒严重长大，在快 0.3mm,硬度较高；完全相变区厚度大约为0.4~ 速空冷之后得到粗大的魏氏体组织；l6Mn钢由于 0.5mm,硬度最高：不完全相变区厚度大约在0.2~ 有Mn的加入，也会使过热区有少量粒状贝氏体组 0.3mm之间，硬度比较低，接近于基体硬度，热影 织出现.图5（凸）为完全相变区组织形态，其热循环 响区的显微硬度分布是由其组织决定的：在过热区， 曲线如图4曲线所示，该区温度被加热到Ac3以 奥氏体严重长大，在冷却后形成粗大的魏氏体组织， 上，所以铁素体、珠光体组织全部转变为奥氏体；又 反应在硬度上不是很高；完全相变区主要是铁素体 由于加热温度低于1100℃，奥氏体晶粒未显著长 和珠光体组织，分布均匀并且组织细小，从而使这一 大，因此在空气中冷却以后会得到均匀而细密的铁 部分的硬度最高：不完全相变区的颗粒大小不一，组 素体和珠光体组织.图5(c)为不完全相变区，其热 织不均匀，硬度接近基体的硬度7]. 循环曲线如图4曲线3所示，温度处于Ac1一Ac3 350 之间，只有一部分组织发生相变重结晶，成为晶粒细 300 小的铁素体和珠光体；另一部分继续保持原有组织 250 不变，所以，该区的晶粒大小不一，组织不均匀，图 150 过热区 完全相变区 不完全基体 5()为基体组织，呈现流线型轧制组织形态，在该 100 相变区 区域接受等离子弧能量少，虽然温度有所升高，但没 50 有发生组织转变，热循环曲线如图4曲线4所示 6 0.3 0.50.70.91.0 从界面到基体的厚度/mm 3性能分析 图6热影响区显微硬度分布 3.1热影响区硬化 Fig.6 Microhardness distribution of heat-affected zone 热影响区的硬度对熔覆之后的金属工件是很重 3,2热影响区脆化 要的，一般来说，随着硬度的增大，强度升高，塑性、 由图5热影响区金相组织可知，热影响区中晶
图5 热影响区显微组织形貌．（a） 过热区；（b） 完全相变区；（c） 不完全相变区；（d） 基体 Fig．5 Microstructures of heat-affected zone：（a） overheated zone；（b） perfect phase transformation zone；（c） imperfect phase transformation； （d） substrate 不完全相变区． 过热区（图5（a））为粗大的魏氏体组织其热循 环曲线如图4曲线1所示．该区接受等离子束的能 量较大温度迅速升至固相线以下到1100℃之间 基体金属处于过热状态奥氏体晶粒严重长大在快 速空冷之后得到粗大的魏氏体组织；16Mn 钢由于 有 Mn 的加入也会使过热区有少量粒状贝氏体组 织出现．图5（b）为完全相变区组织形态其热循环 曲线如图4曲线所示．该区温度被加热到 Ac3 以 上所以铁素体、珠光体组织全部转变为奥氏体；又 由于加热温度低于1100℃奥氏体晶粒未显著长 大因此在空气中冷却以后会得到均匀而细密的铁 素体和珠光体组织．图5（c）为不完全相变区其热 循环曲线如图4曲线3所示．温度处于 Ac1～Ac3 之间只有一部分组织发生相变重结晶成为晶粒细 小的铁素体和珠光体；另一部分继续保持原有组织 不变．所以该区的晶粒大小不一组织不均匀．图 5（d）为基体组织呈现流线型轧制组织形态．在该 区域接受等离子弧能量少虽然温度有所升高但没 有发生组织转变热循环曲线如图4曲线4所示． 3 性能分析 3∙1 热影响区硬化 热影响区的硬度对熔覆之后的金属工件是很重 要的．一般来说随着硬度的增大强度升高塑性、 韧性下降冷裂倾向增大．在热影响区垂直截面方 向上进行的显微硬度测试结果如图6所示．从图中 可以看出热影响区总体硬度比基体有较大提高在 垂直截面方向上过热区 的 厚 度 大 约 为 0∙2～ 0∙3mm硬度较高；完全相变区厚度大约为0∙4～ 0∙5mm硬度最高；不完全相变区厚度大约在0∙2～ 0∙3mm 之间硬度比较低接近于基体硬度．热影 响区的显微硬度分布是由其组织决定的：在过热区 奥氏体严重长大在冷却后形成粗大的魏氏体组织 反应在硬度上不是很高；完全相变区主要是铁素体 和珠光体组织分布均匀并且组织细小从而使这一 部分的硬度最高；不完全相变区的颗粒大小不一组 织不均匀硬度接近基体的硬度［7—8］． 图6 热影响区显微硬度分布 Fig．6 Microhardness distribution of heat-affected zone 3∙2 热影响区脆化 由图5热影响区金相组织可知热影响区中晶 ·492· 北 京 科 技 大 学 学 报 第29卷
第5期 张丽民等：等离子熔覆铁基涂层组织结构及热影响区特点 .493 粒比较粗大，并出现了魏氏组织，这就可能会引起热 三个区域：过热区、完全相变区和不完全相变区， 影响区不同程度的脆化现象).因此可以将等离子 (③)热影响区的硬度比基体的硬度有所提高， 熔覆热影响区的脆化现象分为两类一粗晶脆化和 在完全相变区，为均匀细小的铁素体和珠光体组织， 组织脆化，这两类脆化主要发生在过热区， 并可能存在马氏体一铁素体的特殊组织或少量的贝 (1)粗晶脆化，在熔覆过程中基体的各部位受 氏体组织，从而使硬度达到最高， 热的影响程度不同，过热区接受等离子束能量多，晶 (4)热影响区靠近熔覆层的区域出现粗晶魏氏 粒发生严重长大，脆性转变温度升高，脆性增加，等 体组织，有可能导致热影响区产生脆化现象， 离子熔覆热影响区的晶粒粗化和一般的单纯晶粒长 参考文献 大是不同的，它是在化学成分、组织状态不均匀的非 平衡条件下完成的，故脆化的程度更为严重，但对 [1]田丰，赵程，彭红瑞，等.金凤材料表面熔覆方法的研究进 展.青岛化工学院学报，2002,23(3)：50 不同的钢种，粗晶脆化的机制有所侧重：对于淬硬倾 [2]潘邻，高万振，潘春旭，等，激光熔覆层与等离子喷焊层凝固 向较小的钢，如该实验中的l6Mn,主要是晶粒长大 组织对比及界面特征.材料热处理学报，2005,27(3)：104 所致；对于易淬火钢，主要是产生的易脆组织所致， [3]Yan M.Zhu W Z.Surface remelting of Ni-Cr B Si cladding (2)组织脆化，对于低碳低合金高强度钢，组 with a micro-beam plasma arc.Surf Coat Technol,1997.92: 织脆化主要是由快冷的过程中形成的一些易脆组织 157 引起的，如M一A组元、上贝氏体、粗大的魏氏体组 [4]Zhao C.Tian F,Peng H R,et al.Nontransferred arc plasma cladding of Stellite Ni60 alloy on steel.Surf Coat Technol.2002. 织等，在该实验中为16Mn钢过热区出现的粗大魏 155:80 氏体组织，容易导致组织脆化， [5]刘邦武，李惠琪，张丽民，等.等离子束表面冶金过程研究 材料导报，2004,18(10)：192 4 结论 [6]尹延西，王华明.激光熔覆Cu./CrsSis金属硅化物复合涂层 (1)在熔覆层中，其物相主要为奥氏体y一 组织及耐磨性的研究.摩擦学学报，2006,26(3)：214 [7]张文钺，焊接冶金学，北京：机械工业出版社，1993 FeNi(Cr,Si)和碳化物(Cr,Fe)7(C,B)3及(Cr, [8]常国威，王建中.金属凝固过程中的晶体生长与控制北京： Fe)3(C,B)z,微观形貌上表现为树枝状奥氏体晶粒 冶金工业出版社，2002 上分布着块状的碳化物 [9]杜则裕.工程焊接治金学.北京：机械工业出版社，1993 (2)等离子熔覆铁基涂层的热影响区可以分为 Microstructure of the Fe-based coating by plasma cladding and characteristics of its heat-affected zone ZHA NG Limin,SUN Dongbai,LI Huiqi,LIU Bangwu) 1)Beijing Corrosion and Protection Center.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China 2)Department of Materials Science and Engineering.Shandong University of Science and Technology,Qingdao 266510.China ABSTRACI With plasma as heat source,Fe-based alloy pow der was cladded on the surface of 16Mn steel and the microstructure and phases of the clad coating were analyzed.The thermal cycle characteristics of plasma cladding and the cladding process were discussed.The heat-affected zone was studied and divided into three zones,i.e.,overheated zone,perfect phase transformation zone and imperfect phase transformation zone.In the overheated zone,the microstructure was coarse,Widmanstaten structure generated and the hardness fell dow n.In the perfect phase transformation zone,the microstructure was refined,and hardness was higher.In the imperfect phase transformation zone,part phase transformation generated,and the microstructure was non- homogeneous.The Widmanstaten structure in the overheated zone made the heat-affected zone brittle. KEY WORDS 16Mn steel:plasma cladding:coating;heat-affected zone;microstructure
粒比较粗大并出现了魏氏组织这就可能会引起热 影响区不同程度的脆化现象［9］．因此可以将等离子 熔覆热影响区的脆化现象分为两类———粗晶脆化和 组织脆化这两类脆化主要发生在过热区． （1） 粗晶脆化．在熔覆过程中基体的各部位受 热的影响程度不同过热区接受等离子束能量多晶 粒发生严重长大脆性转变温度升高脆性增加．等 离子熔覆热影响区的晶粒粗化和一般的单纯晶粒长 大是不同的它是在化学成分、组织状态不均匀的非 平衡条件下完成的故脆化的程度更为严重．但对 不同的钢种粗晶脆化的机制有所侧重：对于淬硬倾 向较小的钢如该实验中的16Mn主要是晶粒长大 所致；对于易淬火钢主要是产生的易脆组织所致． （2） 组织脆化．对于低碳低合金高强度钢组 织脆化主要是由快冷的过程中形成的一些易脆组织 引起的如 M—A 组元、上贝氏体、粗大的魏氏体组 织等．在该实验中为16Mn 钢过热区出现的粗大魏 氏体组织容易导致组织脆化． 4 结论 （1） 在熔覆层中其物相主要为奥氏体 γ— FeNi（CrSi）和 碳 化 物 （CrFe）7（CB）3 及 （Cr Fe）3（CB）2微观形貌上表现为树枝状奥氏体晶粒 上分布着块状的碳化物． （2） 等离子熔覆铁基涂层的热影响区可以分为 三个区域：过热区、完全相变区和不完全相变区． （3） 热影响区的硬度比基体的硬度有所提高 在完全相变区为均匀细小的铁素体和珠光体组织 并可能存在马氏体—铁素体的特殊组织或少量的贝 氏体组织从而使硬度达到最高． （4） 热影响区靠近熔覆层的区域出现粗晶魏氏 体组织有可能导致热影响区产生脆化现象． 参 考 文 献 ［1］ 田丰赵程彭红瑞等．金属材料表面熔覆方法的研究进 展．青岛化工学院学报200223（3）：50 ［2］ 潘邻高万振潘春旭等．激光熔覆层与等离子喷焊层凝固 组织对比及界面特征．材料热处理学报200527（3）：104 ［3］ Yan MZhu W Z．Surface remelting of Ni—Cr—B—Si cladding with a micro-beam plasma arc．Surf Coat Technol199792： 157 ［4］ Zhao CTian FPeng H Ret al．Non-transferred arc plasma cladding of Stellite Ni60alloy on steel．Surf Coat Technol2002 155：80 ［5］ 刘邦武李惠琪张丽民等．等离子束表面冶金过程研究． 材料导报200418（10）：192 ［6］ 尹延西王华明．激光熔覆 Cuss／Cr5Si3 金属硅化物复合涂层 组织及耐磨性的研究．摩擦学学报200626（3）：214 ［7］ 张文钺．焊接冶金学．北京：机械工业出版社1993 ［8］ 常国威王建中．金属凝固过程中的晶体生长与控制．北京： 冶金工业出版社2002 ［9］ 杜则裕．工程焊接冶金学．北京：机械工业出版社1993 Microstructure of the Fe-based coating by plasma cladding and characteristics of its heat-affected zone ZHA NG L imin 1）SUN Dongbai 1）LI Huiqi 2）LIU Bangw u 1） 1） Beijing Corrosion and Protection CenterUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China 2） Department of Materials Science and EngineeringShandong University of Science and TechnologyQingdao266510China ABSTRACT With plasma as heat sourceFe-based alloy powder was cladded on the surface of 16Mn steel and the microstructure and phases of the clad coating were analyzed．The thermal cycle characteristics of plasma cladding and the cladding process were discussed．The heat—affected zone was studied and divided into three zonesi．e．overheated zoneperfect phase transformation zone and imperfect phase transformation zone．In the overheated zonethe microstructure was coarseWidmanstaten structure generated and the hardness fell down．In the perfect phase transformation zonethe microstructure was refinedand hardness was higher．In the imperfect phase transformation zonepart phase transformation generatedand the microstructure was nonhomogeneous．The Widmanstaten structure in the overheated zone made the heat-affected zone brittle． KEY WORDS 16Mn steel；plasma cladding；coating；heat-affected zone；microstructure 第5期 张丽民等： 等离子熔覆铁基涂层组织结构及热影响区特点 ·493·
