,778 北京科技大学学报 第32卷 层的组织结构和等离子合金导辊的失效情况进行了 化，对涂层进行能谱分析，发现从涂层的上部到涂 分析研究 层与基体的结合区，Fe元素含量逐渐升高，Cr元素 含量逐渐降低，这是因为在涂层的制备过程中，基体 1实验方法 材料对涂层存在稀释作用，高温下熔池中的对流、扩 1.1实验材料 散等因素使基体材料中的Fe元素到达涂层中，导致 高铬铸钢焊接性能差、价格较高；而调质45钢 涂层底部的F元素含量增加，同时涂层中的合金元 具有高的屈服强度和疲劳强度，良好的冲击韧性和 素，如C也会被稀释而减少，这些元素的互扩散作 塑性·因此采用调质45钢作为导辊心部材料，一方 用对涂层与基体达到冶金结合起到了一定的促进作 面能够满足导辊在服役条件下的力学性能要求，另 用.从以上分析可知，Y-(F。N)在涂层中按底 一方面可以降低成本.涂层材料采用FeN基高温 部一中部一上部的方向依次降低，而(CrFe),Cg的 耐磨合金粉末，其化学成分见表1 分布正好相反，因此，从物相分布上来看，由基体与 表1FeN基高温耐磨涂层合金粉末成分（质量分数） 涂层的结合区到涂层上部，物相含量的分布是一个 Table 1 Chemn ical composition of FeNi based high-tempemture wear 渐变的过程.C元素在其中起了重要的作用，基体 resistant alloy powder % 材料中C的质量分数为0.45%，涂层合金中C的质 Cr Ni Mo B Si C W Nb Fe 量分数为%.熔覆后，冶金熔池凝固的过程中，在 2830 323261余量 涂层与基体的结合界面处，涂层中的C被稀释，而 越往涂层上部，C含量越高，从而使碳化物越容易形 1.2实验工艺和方法 成，因而涂层中就形成(CrFe)zC的含量由涂层底 在调质45钢表面等离子熔覆高温耐磨涂层， 部到涂层上部呈增多的趋势，Y一(F。N)则在涂层 工艺流程为45钢圆钢毛坯→导辊毛坯→等离子熔 底部较多，在涂层中、上部较少 覆→导辊表面打磨处理→等离子合金导辊，等离子 16000 ◆-FeNi) 熔覆过程中的热输入量由工作电流和扫描速率确 (Cr.Fe).C. 定，其工作电流为300A,扫描速率为400mm· 12000 ·Mo,Nia mm;熔覆过程的送粉速率由送粉气流量确定，送 上部 粉气流量为0.6m3.h1A另外，等离子气流量0.6 8000P 中部 m3.hAr保护气流量1.6m3.hAr等离子熔覆 为单层熔覆，制备的涂层的厚度为2mm【s-7). 4000 在剑桥$-360型扫描电子显微镜上观察等离 下部 子熔覆涂层的显微组织和磨损实验后试样表面的磨 OF 20 40 60 80 100 损形貌.采用日本理学Dmax-RB旋转阳极X射线 20) 衍射(XRD)仪，并结合TN550型Tracor Northem能 图1FeN基高温耐磨涂层的XRD图谱 谱仪对高温耐磨涂层组织进行物相和结构分析. Fig 1 XRD pattems of the FeNi based high lmperature wearre- sistant coating 2FeN基高温耐磨涂层的组织结构 图2所示为Fe~N基高温耐磨涂层由底部到 等离子熔覆涂层的组织结构呈梯度分布，因此 中、上部的显微形貌，涂层底部组织呈现为平面晶 采用线切割的方式将涂层沿层深方向进行切割，分 形态，如图2(a)所示，熔池底部平面晶晶粒依附于 别在涂层中间（由涂层上部开始1mm处）、涂层与 母材半熔化区，晶粒外延长大，表现出联生结晶的特 基体的结合区切割分离，对涂层的表层、中间层以 点，涂层中、上部呈现为枝晶状组织，如图2(b)所 及涂层与基体的结合区进行物相分析.图1为等离 示，枝晶表现出择优生长的特点，在等离子束流和治 子熔覆FεN基高温耐磨涂层横截面沿层深方向的 金熔池的对流作用下，细小的枝晶被打乱，表现为块 物相分布，FeN基高温耐磨涂层中的主要物相为 状和细小的碎片状，微区能谱分析发现，图2(b)中 Y-(FoNi)、(CrFe)zC3和少量的Mo.24Ni.6·沿 P1为富C区，P2为FeN的富集区，白亮点P3为 涂层层深方向的物相种类相同，但含量不同，Y一 MoNb元素的聚集区，在Pl和P2处都可检测到W (FoNi)和(CrFe)zC3的含量都发生了明显的变 元素的存在，可知W以合金元素的形式固溶在Y-北 京 科 技 大 学 学 报 第 32卷 层的组织结构和等离子合金导辊的失效情况进行了 分析研究． 1 实验方法 1∙1 实验材料 高铬铸钢焊接性能差、价格较高；而调质 45 ＃钢 具有高的屈服强度和疲劳强度‚良好的冲击韧性和 塑性．因此采用调质 45 ＃钢作为导辊心部材料‚一方 面能够满足导辊在服役条件下的力学性能要求‚另 一方面可以降低成本．涂层材料采用 Ｆｅ--Ｎｉ基高温 耐磨合金粉末‚其化学成分见表 1． 表 1 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层合金粉末成分 （质量分数 ） Ｔａｂｌｅ1 ＣｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄｈｉｇｈ-ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒ- ｒｅｓｉｓｔａｎｔａｌｌｏｙｐｏｗｄｅｒ ％ Ｃｒ Ｎｉ Ｍｏ Ｂ Ｓｉ Ｃ Ｗ Ｎｂ Ｆｅ 28 30 3 2 3 2 6 1 余量 1∙2 实验工艺和方法 在调质 45 ＃钢表面等离子熔覆高温耐磨涂层‚ 工艺流程为 45 ＃钢圆钢毛坯→导辊毛坯→等离子熔 覆→导辊表面打磨处理→等离子合金导辊．等离子 熔覆过程中的热输入量由工作电流和扫描速率确 定‚其工作电流为 300Ａ‚扫描速率为 400ｍｍ· ｍｉｎ —1；熔覆过程的送粉速率由送粉气流量确定‚送 粉气流量为 0∙6ｍ 3·ｈ —1Ａｒ；另外‚等离子气流量 0∙6 ｍ 3·ｈ —1Ａｒ‚保护气流量 1∙6ｍ 3·ｈ —1 Ａｒ‚等离子熔覆 为单层熔覆‚制备的涂层的厚度为 2ｍｍ ［6--7］． 在剑桥 Ｓ--360型扫描电子显微镜上观察等离 子熔覆涂层的显微组织和磨损实验后试样表面的磨 损形貌．采用日本理学 Ｄｍａｘ--ＲＢ旋转阳极 Ｘ射线 衍射 （ＸＲＤ）仪‚并结合 ＴＮ550型 ＴｒａｃｏｒＮｏｒｔｈｅｒｎ能 谱仪对高温耐磨涂层组织进行物相和结构分析． 2 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层的组织结构 等离子熔覆涂层的组织结构呈梯度分布‚因此 采用线切割的方式将涂层沿层深方向进行切割‚分 别在涂层中间 （由涂层上部开始 1ｍｍ处 ）、涂层与 基体的结合区切割分离．对涂层的表层、中间层以 及涂层与基体的结合区进行物相分析．图 1为等离 子熔覆 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层横截面沿层深方向的 物相分布．Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层中的主要物相为 γ--（Ｆｅ‚Ｎｉ）、（Ｃｒ‚Ｆｅ）7Ｃ3 和少量的 Ｍｏ1∙24Ｎｉ0∙76．沿 涂层层深方向的物相种类相同‚但含量不同‚γ-- （Ｆｅ‚Ｎｉ）和 （Ｃｒ‚Ｆｅ）7Ｃ3 的含量都发生了明显的变 化．对涂层进行能谱分析‚发现从涂层的上部到涂 层与基体的结合区‚Ｆｅ元素含量逐渐升高‚Ｃｒ元素 含量逐渐降低‚这是因为在涂层的制备过程中‚基体 材料对涂层存在稀释作用‚高温下熔池中的对流、扩 散等因素使基体材料中的 Ｆｅ元素到达涂层中‚导致 涂层底部的 Ｆｅ元素含量增加‚同时涂层中的合金元 素‚如 Ｃｒ‚也会被稀释而减少．这些元素的互扩散作 用对涂层与基体达到冶金结合起到了一定的促进作 用．从以上分析可知‚γ--（Ｆｅ‚Ｎｉ）在涂层中按底 部—中部—上部的方向依次降低‚而 （Ｃｒ‚Ｆｅ）7Ｃ3 的 分布正好相反．因此‚从物相分布上来看‚由基体与 涂层的结合区到涂层上部‚物相含量的分布是一个 渐变的过程．Ｃ元素在其中起了重要的作用‚基体 材料中 Ｃ的质量分数为 0∙45％‚涂层合金中 Ｃ的质 量分数为 2％．熔覆后‚冶金熔池凝固的过程中‚在 涂层与基体的结合界面处‚涂层中的 Ｃ被稀释‚而 越往涂层上部‚Ｃ含量越高‚从而使碳化物越容易形 成‚因而涂层中就形成 （Ｃｒ‚Ｆｅ）7Ｃ3的含量由涂层底 部到涂层上部呈增多的趋势‚γ--（Ｆｅ‚Ｎｉ）则在涂层 底部较多‚在涂层中、上部较少． 图 1 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层的 ＸＲＤ图谱 Ｆｉｇ．1 ＸＲＤｐａｔｔｅｒｎｓｏｆｔｈｅＦｅ-Ｎｉｂａｓｅｄｈｉｇｈｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｗｅａｒ-ｒｅ- ｓｉｓｔａｎｔｃｏａｔｉｎｇ 图 2所示为 Ｆｅ--Ｎｉ基高温耐磨涂层由底部到 中、上部的显微形貌．涂层底部组织呈现为平面晶 形态‚如图 2（ａ）所示‚熔池底部平面晶晶粒依附于 母材半熔化区‚晶粒外延长大‚表现出联生结晶的特 点．涂层中、上部呈现为枝晶状组织‚如图 2（ｂ）所 示‚枝晶表现出择优生长的特点‚在等离子束流和冶 金熔池的对流作用下‚细小的枝晶被打乱‚表现为块 状和细小的碎片状．微区能谱分析发现‚图 2（ｂ）中 Ｐ1为富 Ｃｒ区‚Ｐ2为 Ｆｅ、Ｎｉ的富集区‚白亮点 Ｐ3为 Ｍｏ、Ｎｂ元素的聚集区‚在 Ｐ1和 Ｐ2处都可检测到 Ｗ 元素的存在‚可知 Ｗ 以合金元素的形式固溶在 γ-- ·778·