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作者：張毅

   一般而言，模具的服役環(huán)境惡劣，工作過程中，模具表面易出現(xiàn)疲勞點(diǎn)蝕、剝落、磨損以及微小裂紋等破壞，致使模具的幾何尺寸以及表面精度達(dá)不到使用要求，從而使得模具使用壽命大幅縮短。若對(duì)失效模具整體更換，不僅影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，而且還浪費(fèi)了資源。采用TIG焊方法在失效模具表面熔覆一層性能優(yōu)良的耐磨涂層，不僅可以有效修復(fù)失效模具表面尺寸，而且還能大幅度提高模具表面性能，從而大大延長(zhǎng)模具的使用壽命。

  W不僅可以提高鋼的紅硬性和熱強(qiáng)性，而且還能提高鋼的耐磨性，因此本課題擬采用TIG焊方法在基體表面熔覆一層高強(qiáng)高硬度W涂層，研究分析W對(duì)修復(fù)涂層組織與性能的影響。

1  試驗(yàn)方法

1.1試樣制備

  選用H13模具鋼，試樣尺寸為120 mm×40 mm×6 mm。基體表面經(jīng)磨削加工后，用丙酮和無水乙醇將表面磨屑與油污清洗干凈。以高碳鉻鐵(72%的Cr,6%的C)、硅鐵(45%的Si)、鎢粉、釩鐵（52.1%的V）、鈦鐵(43. 7%的Ti)、B4C粉末、中碳錳鐵(80%的M n)、石墨以及還原鐵粉等作為熔覆預(yù)制合金粉末：采用自制有機(jī)粘結(jié)劑將已混合均勻的預(yù)制粉末調(diào)成糊狀，均勻涂刷在基體表面，涂敷厚度為2．5 mm。涂刷完畢后，先自然風(fēng)干12 h，然后置于200℃真空干燥箱中烘干60 min。隨后采用MW3000型TIG數(shù)字式焊接機(jī)進(jìn)行氬弧熔覆，其工藝參數(shù)：電流為150 A，氬氣流量為10 L／min，熔覆速度為3.5 mm/s，通過改變W粉含量調(diào)

節(jié)涂層中的W含量，制備了W含量分別為0、2. 5%、5.0%、7.5%的試樣，并編號(hào)為1～4號(hào)。其他元素成分范圍：Cr為12. 0%～15. 0%，C為3.2% N4. 2%，M n為0.6%～1．0%，Si為1.2%，Ti為1.0% N1. 2%，V為1. 0%，余量為Fe。

1．2組織和性能分析

  采用電火花線切割機(jī)將試樣沿橫截面方向切開，制備尺寸10 mm×10 mm×10 mm的金相試樣和57 mm×25.5 mm×6 mm的耐磨試樣。選用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)金相試樣進(jìn)行腐蝕后，涂層顯微組織選用4XFZ數(shù)碼金相光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察分析。

  涂層表面宏觀硬度通過HR-150A洛氏硬度計(jì)測(cè)定，測(cè)試7個(gè)不同點(diǎn)取平均值。涂層顯微硬度通過HV-1000顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)試。選用MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試樣的耐磨性試驗(yàn)。以相對(duì)耐磨性來評(píng)估試樣的耐磨性，將基體作為對(duì)比試樣，相對(duì)耐磨性s=基體磨損量／涂層磨損量。

2  結(jié)果與討論

2.1  XRD結(jié)果分析

  圖1為1號(hào)和3號(hào)試樣的XRD圖譜。從圖1中可以看出，涂層主要由鐵素體、奧氏體、M23C6和M3(C，B)等相組成，其中M代表Fe、M n、W等合金元素。隨著W粉含量的增加，涂層中的奧氏體的衍射峰強(qiáng)度減弱，碳化物M23C6，M3(C，B)以及鐵素體的衍射峰強(qiáng)度增加。這表明隨著W粉含量的增加，奧氏體含量減少，碳化物M23 C6、M3 (C，B)含量增加。

2.2顯微組織分析

  圖2為不同W含量的涂層顯微組織。從圖2a可以看出，當(dāng)不含W時(shí)，涂層中的顯微組織主要為胞狀?yuàn)W氏體，在胞狀?yuàn)W氏體晶界之間存在少量共晶碳化物M23 C6或M3 (C，B)。當(dāng)W粉添加量增加到2.5%時(shí)，胞狀?yuàn)W氏體組織消失，指紋狀的共晶碳化物M23C6或M3 (C，B)含量增多。此外，還生成了尺寸較大的塊狀M23C6碳化物，見圖2b。從圖2c可以看出，涂層中初生M23 C6的含量顯著增加，且晶粒尺寸也有明顯增大。而指紋狀共晶組織(a-Fe+M23 C6)或[a-Fe+ M3 (C，B)含量顯著降低。當(dāng)W粉含量繼續(xù)增加到7. 5%時(shí)，共晶組織(a-Fe-l- M23C6)或[a-Fe+M3 (C，B)]已很難發(fā)現(xiàn)，而初生碳化物M23C6的含量與晶粒尺寸則進(jìn)一步增大。

  涂層組織出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，W是縮小奧氏體相區(qū)的元素，同時(shí)也是強(qiáng)碳化物形成元素。故隨著W粉添加量的增加，更多的C與W結(jié)合，致使奧氏體晶粒外部的C含量降低，從而在奧氏體內(nèi)外造成C的濃度梯度，促進(jìn)C從奧氏體中析出，降低奧氏體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致奧氏體相區(qū)逐漸減小，因而涂層中的胞狀?yuàn)W氏體含量逐漸減少，而從奧氏體中析出的C含量逐步增加。當(dāng)W粉含量為2. 5%時(shí)，一方面，涂層中的碳化物形成元素與C含量都較1號(hào)試樣有明顯增加；另一方面，W可使合金的共晶點(diǎn)左移，增加共晶碳化物的數(shù)量，故在2號(hào)試樣中生成大量的共晶碳化物M23 C6或M3 (C，B)。此外，由于焊接是非平衡過程以及混粉的不均勻性，造成局部碳化物形成元素富集。當(dāng)合金元素濃度達(dá)到形成初生碳化物的濃度時(shí)，在涂層中還生成初生碳化物M23 C6。但隨著W粉含量繼續(xù)增加，液態(tài)熔池中的碳化物形成元素與C含量進(jìn)一步增加，達(dá)到生成初生碳化物的濃度，同時(shí)也大大提高了碳化物的形核長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力，使得初生碳化物M23 C6快速長(zhǎng)大。故當(dāng)W粉含量為5. 0%和7.5%時(shí)，涂層中的初生塊狀碳化物M23 C6含量顯著增加，而共晶組織則受到抑制。

  圖3為涂層與基體的界面顯微組織�？梢钥闯�，在結(jié)合界面處主要為指紋狀的共晶組織(a-Fe+M23 C6)或[a-Fe+ M3(C，B)]，而遠(yuǎn)離結(jié)合界面的區(qū)域，則有塊狀的初生碳化物M23C6生成。這是因?yàn)樵诟邷仉娀】焖贁噭?dòng)作用下，熔化的基體滲入熔池底部，對(duì)熔池底部的合金元素濃度起到稀釋作用，因而使得該區(qū)域的碳化物形成元素的濃度處在共晶點(diǎn)附近，從而在結(jié)合面附近形成大量的共晶碳化物M23C6或M3 (C，B)。而遠(yuǎn)離結(jié)合面的區(qū)域，基體對(duì)該區(qū)域的稀釋作用減小，合金元素濃度高，故在遠(yuǎn)離結(jié)合界面處可觀察到塊狀的初生碳化物M23 C6。

2.3硬度與耐磨性分析

  圖4為3號(hào)試樣涂層橫截面的顯微硬度分布。從圖4可以看出，從涂層底部到涂層表層，涂層的顯微硬度呈現(xiàn)先增加后減小的變化規(guī)律，且顯微硬度在結(jié)合界面處呈緩慢下降趨勢(shì)。結(jié)合圖3可知，涂層與基體達(dá)到了良好的冶金結(jié)合。在涂層中部顯微硬度( HV0，2)在900左右波動(dòng)。這是因?yàn)樵谕繉拥撞�，熔化的基體在高溫電弧的快速攪動(dòng)下，滲入到液態(tài)熔池中，對(duì)液態(tài)熔池稀釋大，致使熔合線附近的合金元素濃度處于較低水平。因此，一方面，在低濃度合金元素情況下，初生碳化物M23 C6形核困難，含量較少，對(duì)基體的彌散強(qiáng)化和支撐作用��；另一方面，W、Cr、M n等元素固溶在基體中的含量小，對(duì)基體構(gòu)成的固溶強(qiáng)化作用小，綜合這兩方面的原因，此時(shí)該區(qū)域的硬度較低。而當(dāng)遠(yuǎn)離熔合線的區(qū)域，一方面，在快速熔化與凝固過程中形成了過飽和固溶體，涂層固溶強(qiáng)化作用較大。此外，高含量的碳化物M23C6提供了支撐骨架作用，也在一定程度上提高了涂層的強(qiáng)度和硬度。所以，在涂層中部及上部的顯微硬度大幅度增加，并在一個(gè)較高值的附近小范圍波動(dòng)。

  圖5為W含量對(duì)涂層硬度與耐磨性的影響。從圖5中可以看出，隨著W含量的增加，涂層硬度呈增加的趨勢(shì)，硬度( HRC)從52增加到62。而涂層相對(duì)耐磨性則呈先增加后降低的變化。這是因?yàn)殡S著W粉含量的增加，一是由于W原子半徑大，當(dāng)固溶于基體中時(shí)，易

造成嚴(yán)重的晶格畸變，引起強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化作用；二是W是強(qiáng)碳化物形成元素。隨著W粉含量的增加，初生碳化物的形核驅(qū)動(dòng)力增大，涂層中的硬質(zhì)碳化物M23C6含量也增加，從而對(duì)涂層的彌散強(qiáng)化作用與支撐骨架作用增強(qiáng)。所以綜合這兩方面的原因，硬度隨W添加的增加而增加。但當(dāng)W粉含量增加至7. 5%時(shí)，涂層韌性下降，脆性增加，涂層中出現(xiàn)微小裂紋等缺陷，致使磨損過程中基體易剝落，故耐磨性下降。其中當(dāng)W粉含量為5%時(shí)，耐磨性最佳，其相對(duì)耐磨性為基體的23.5倍左右。

  圖6為基體與3號(hào)試樣的磨損形貌圖。從圖6可知，基體由于無硬質(zhì)顆粒保護(hù)，磨粒在被磨表面運(yùn)動(dòng)無阻礙，對(duì)基體顯微切削大，在磨損過程中，基體易剝離。故基體表面的犁溝寬而深，且連續(xù)。而3號(hào)試樣的磨損表面磨痕溝槽細(xì)淺，且不連續(xù)，表面磨損較小。這是因?yàn)榫鶆蚍植荚谕繉又械母哂捕忍蓟�物M23C6對(duì)基體構(gòu)成了良好的保護(hù)作用，降低了磨粒對(duì)基體的顯微切削的幾率，從而表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性。

3  結(jié)  論

  (1)在氬弧熔覆修復(fù)涂層中，隨著W粉含量的增加，涂層中奧氏體組織逐漸消失，初生碳化物M23 C6含量逐步增加。其中當(dāng)W粉含量為5%時(shí)，涂層中的初生碳化物M23 C6分布均勻，涂層性能達(dá)到最佳。

(2)在氬弧熔覆修復(fù)涂層中，隨著W粉含量的增加，涂層硬度增大，硬度( HRC)從52增加到62。而涂層耐磨性則先提高后降低。其中當(dāng)W粉含量為5%時(shí)，耐磨性最佳，其相對(duì)耐磨性為基體的23.5倍左右。

4摘要通過添加不同含量w粉制備高性能涂層，借助光學(xué)顯微鏡、硬度計(jì)以及磨粒磨損試驗(yàn)機(jī)等手段，對(duì)比研究了w含量對(duì)氬弧熔覆修復(fù)金屬模具涂層組織與性能的影響。結(jié)果表明，w對(duì)涂層顯微組織與性能有顯著影響。隨著w粉添加量的增加，涂層中奧氏體組織逐漸消失，初生碳化物M23C6含量增加。涂層硬度( HRC)值從52增加到62，而涂層耐磨性則表現(xiàn)為先增加后減小。其中當(dāng)w粉添加量為5%時(shí)，初生碳化物M23C6均勻分布在涂層中，耐磨性最佳，其相對(duì)耐磨性比