赵 彬，卢金斌，周留洋，彭竹琴，侯应黎

（1．中原工学院，郑州450007；2．洛阳朗力硬面材料有限公司，河南 洛阳471000）

灰口铸铁等离子热喷焊WC／Ni基涂层组织和性能研究

赵 彬1，卢金斌1，周留洋1，彭竹琴1，侯应黎2

（1．中原工学院，郑州450007；2．洛阳朗力硬面材料有限公司，河南 洛阳471000）

在HT250表面采用等离子喷焊工艺制备了碳化钨／镍基合金复合涂层，并对涂层的宏观形貌、微观组织和显微硬度进行了分析．结果表明：复合涂层与基体形成冶金结合，其中WC均匀地分布在涂层的中底部，而在WC附近形成了强化相Fe3W3C，涂层的耐磨性得到了改善；界面处的HT250在快速冷却过程中，发生淬火反应，部分转变为马氏体；涂层的显微硬度在570～870 HV0．2之间，明显高于基体硬度．

等离子喷焊；HT250；显微硬度；组织；WC

铸铁材料具有良好的铸造性能，其压力成型、切削等加工性能较好，但其耐磨性、耐蚀性等并不能完全满足使用要求．尽管铸铁表面处理技术很多，但都或多或少地存在着一定的局限性，尤其是没能较好地解决工程适应性，即在保证结合性能前提下的工艺性和经济性问题［1］．因此，对铸铁表面进行改性处理，从而提高其表面硬度，已成为当前研究的热点之一．

等离子弧热喷焊技术是20世纪60年代出现的一种进行表面防护和强化的热喷焊技术，它利用等离子弧在普通材料表面喷焊高性能合金涂层，具有可喷焊各种合金粉末材料、合金材料消耗少、成本低、生产效率高、易于实现自动化等优点，因而在机械、冶金、电力等诸多领域的应用也越来越广泛，并取得了显著的经济效益［2－3］．镍基合金粉末价格适中，熔点低，自熔成渣性及喷焊工艺性好，其合金涂层具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和耐热性．而WC颗粒熔点高、硬度高、耐磨性好、性能稳定，并且与钢铁润湿性好，二者之间的润湿角几乎为零，加上我国是钨的富产国，所以选择WC作为耐磨相［4］．本文采用等离子喷焊技术在HT250表面制备镍基合金碳化钨复合涂层，使其具有高硬度以及高耐磨性，从而使铸铁零件减少损坏．

1 试 验

1．1 试验材料

本试验喷焊基体选用HT250，用线切割机将其切割成20 mm×20 mm×100 mm的长方体试样，其化学成分见表1．

表1 HT250的化学成分 wt%

涂层材料采用Ni60基＋35%WC粉末进行等离子喷焊试验．该Ni60是Ni－Cr－B－Si系自熔性合金粉末，具有优良的耐腐蚀性、抗氧化性、耐热性、耐磨损性及抗冲击韧性．因此，把Ni60基＋35%WC粉末喷焊在金属零件的表面，可以增强零件的耐磨性，提高其使用寿命．其中，Ni基合金的化学成分见表2．

表2 Ni60镍基合金粉末的化学成分 wt%

由表2可见，Ni基合金中含有一定量的B和Si元素，这2种元素会与镍及其他元素形成共晶组织，从而大大降低合金的熔点，提高其流动性和对喷焊表面的润湿铺展能力．

1．2 等离子弧热喷焊工艺

采用武汉材料保护研究所研制的PTA－400E粉末等离子喷焊机进行喷焊．喷焊前对HT250基体表面进行除油、除锈处理．喷焊电流为125 A，喷焊速度为60 mm／min，送粉量为12 V，摆幅为14 mm，喷嘴离试样的高度为8～10 mm．

1．3 涂层分析测试方法

垂直于HT250涂层截取喷焊层截面，制成金相试样，在JSM－5610LV扫描电镜上观察其组织，涂层显微硬度测试采用HXD－1000TC型显微硬度计，载荷200 g．

2 结果与讨论

2．1 涂层的组织分析

通过优化等离子喷焊工艺参数，在HT250基材上获得了表面光滑且连续性好、无宏观气孔和裂纹的复合涂层组织．

涂层横截面的扫描电镜形貌如图1、图2所示．

图1是涂层与基体的组织，涂层厚度达到3～4 mm．从图1可以看出，涂层与基体之间结合紧密，形成良好的冶金结合，WC主要分布在涂层的中底部，且分布均匀．这主要是因为 WC颗粒密度较大，在喷焊过程中有部分颗粒沉底．图2是涂层中底部组织．从图2可以看出，涂层中高亮区域是光滑的WC颗粒，其直径大约为50～120μm，表面有明显的溶解痕迹，说明WC颗粒与基体润湿良好，并且相互发生了扩散；部分WC颗粒溶解固溶于涂层，可以对涂层产生固溶强化作用，有利于提高涂层的基体性能．

图3所示是HT250与涂层的界面组织．从图3可以看出，HT250中有片状石墨．

图3 HT250与涂层的界面组织

图2、图3显示组织中有部分Fe3W3C树枝晶，这是由于等离子喷焊时基体表面部分熔化，基体中熔化的Fe与分解的W和C形成了Fe3W3C树枝晶，该类碳化物在冷却过程中呈小晶面生长．颗粒状WC和树枝晶Fe3W3C等相为强化相组织，使涂层耐磨性得到了改善．

图4所示是HT250等离子涂层中的马氏体组织．在等离子喷焊基体表面的过程中，由于喷焊速度很快，整个基体还来不及升温，涂层和基体表面就已经开始快速冷却，于是随着基体表面的快速凝固，形成了马氏体．马氏体的形成过程为：在基体冷却过程中，首先析出奥氏体树枝晶，它在从高温快速冷却到室温时，发生淬火反应，大部分转变为马氏体．

图4 HT250等离子涂层中的马氏体组织

2．2 涂层的显微硬度分析

图5所示为涂层的显微硬度分布图．由图5可知，涂层表层硬度基本均匀，涂层中部到热影响区之间硬度较大．这主要是因为部分 WC以颗粒状的形态存在，在WC较多的区域，硬度形成高峰，硬度曲线出现跳动，因此波动较大；在热影响区，硬度随着距离的增加而降低，到基体处硬度最低．涂层的显微硬度在570～870 HV0．2之间波动，明显高于基体硬度，可见，喷焊后，材料的表面硬度得到很大提高．这与涂层中有固溶强化、增强相强化以及相变有关．

图5 涂层的显微硬度分析图

3 结 语

（1）HT250表面经等离子喷焊添加WC的镍基合金，涂层与基体之间结合紧密，形成良好的冶金结合，WC、Fe3W3C等均匀分布在涂层的中底部，在界面处有部分马氏体形成．

（2）涂层的显微硬度在570～870 HV0．2之间，明显高于基体硬度．

［1］ 陈淑惠，雷阿利，冯拉俊．铸铁喷焊组织及力学性能研究［J］．铸造技术，2006，27（9）：902－904．

［2］ 许雪，赵程．等离子弧热喷焊技术的发展与现状［J］．冶金丛刊，2006（3）：44－46．

［3］ 斯松华，袁晓敏，何宜柱．等离子弧喷焊镍基合金层组织及耐磨性试验研究［J］．焊接技术，2002，31（3）：13－14．

［4］ 詹长书．热喷焊技术工艺设计及其应用［J］．森林工程，2003，19（3）：39－40．

Sdudy on Composite Coatings Prepared by Plasma Spray Welding on Grey Cast Iron

ZHAO Bin1，LU Jin－bin1，ZHOU Liu－yang1，PENG Zhu－qin1，HOU Ying－li2
（1．Zhongyuan University of Technology，Zhengzhou 450007；2．Luoyang Langli Hard Surfacing Company Limited，Luoyang 471000，China）

The WC／Ni－based composite coatings are sprayed on the surface of HT250 by plasma spray welding．The analysis on macrostructure and microstructure of the coatings are carried out．The results show that metallurgical bonding forms between the coatings and the substrate，and WC mainly well－distributed in the middle and bottom of the coatings，and has formed strengthening phase Fe3W3C，so the wear resistance of composite coatings is improved；When the surface of HT250 cooled，and appeared quenching reaction from high temperature to room temperature rapidly，finally the majority turned to martensite；The microhardness of composite coatings is about 570～870 HV0．2，and is higher than the substrate obviously．

plasma spray welding；HT250；microhardness；microstructure；WC

TG142

A

10．3969／j．issn．1671－6906．2012．03．008

1671－6906（2012）03－0039－03

2012－03－29

河南省基础与前沿技术研究计划项目（072300440020）

赵 彬（1988－），女，河南南阳人，硕士生．