合金元素對(duì)Q345 鋼表面Cu 基熔覆層組織及性能的影響*

張廣成， 鄔正堃， 雷龍宇， 李繼紅

（1. 西安航天動(dòng)力機(jī)械有限公司， 西安 710025； 2. 中國航天科工集團(tuán)第六研究院210 所，西安 710065； 3. 西安理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 西安 710048）

0 前 言

現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展， 對(duì)大型機(jī)械的服役強(qiáng)度、 運(yùn)轉(zhuǎn)速度和適應(yīng)服役環(huán)境的能力等都有了較高的要求[1-2]。 Q345 鋼是目前較為常用的一種低碳結(jié)構(gòu)鋼， 具有較高的強(qiáng)度、 塑性和優(yōu)良的焊接性能， 廣泛應(yīng)用于各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域。 但Q345鋼的耐磨性較差， 在服役過程中表面極易產(chǎn)生磨損， 從而降低構(gòu)件的服役壽命。 因此， 為了優(yōu)化Q345 鋼構(gòu)件的服役性能， 對(duì)其進(jìn)行表面改性已成為研究熱點(diǎn)。 銅合金具有良好的導(dǎo)熱性和耐磨性， 利用銅合金對(duì)鋼進(jìn)行表面改性制得的銅/鋼復(fù)合材料兼?zhèn)鋬煞N材料的優(yōu)勢(shì)， 既能滿足強(qiáng)度的要求， 同時(shí)也能大大降低構(gòu)件因燒傷、 磨損等引起的失效， 從而提高材料的經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。

目前， 常見的表面改性方法主要有電鍍、 噴涂、 激光熔覆和電弧熔覆等。 其中激光熔覆是利用高能量密度的激光束作為熱源熔化金屬粉末，從而在基材表面形成熔覆層的一種表面改性方法。與電鍍和噴涂相比， 激光熔覆方法具有熱量集中、熱影響區(qū)小、 基材變形小、 界面結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)， 受到國內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注和研究[6-8]。 繆喆宇等[9]利用激光熔覆技術(shù)在Q235 鋼上制備了銅基耐磨耐蝕層， 發(fā)現(xiàn)在最佳激光熔覆工藝參數(shù)（功率1 000 W、 掃描速率1 000 mm/min） 下， 熔覆層表面組織以銅基體和Fe8CuS 相為主。 孔耀等[10]在Q235 鋼表面制備了銅基合金激光熔覆層， 研究發(fā)現(xiàn)， 熔覆層與基體之間達(dá)到了較好的冶金結(jié)合，熔覆層主要由富銅Cu （Ni，F(xiàn)e）固溶體和富鐵Ni（Cr，Mo，F(xiàn)e）固溶體組成。

但激光熔覆存在生產(chǎn)效率低、 設(shè)備昂貴等缺點(diǎn)， 且銅對(duì)激光的反射率較高， 熔覆層容易產(chǎn)生各種缺陷。 與激光熔覆方法相比， 電弧熔覆具有生產(chǎn)效率高、 操作簡(jiǎn)單、 成本低廉等特點(diǎn)， 受到了越來越多學(xué)者的關(guān)注。 Wan 等[11]利用TIG 沉積方法在碳鋼上制備了Cu-Fe 復(fù)合熔覆層， 結(jié)果表明， 熔覆層中富鐵相主要存在球狀、 樹枝狀和帶狀三種分布形態(tài)， 同時(shí)所有試樣在剪切試驗(yàn)中均斷裂在熔覆層內(nèi)， 表明銅/鋼界面的冶金結(jié)合情況較好。 Li 等[12]利用TIG 熔覆方法制備了銅基復(fù)合材料層， 研究了Ti 含量對(duì)熔覆層組織及耐磨性能的影響， 發(fā)現(xiàn)隨著Ti 含量的增加， 熔覆層中原位生成的TiNTi2Cu 和TiN 增強(qiáng)相數(shù)量增加， 熔覆層硬度也隨之增加， 最高達(dá)到410HV，結(jié)果表明， TiNTi2Cu 和TiN 增強(qiáng)相能夠大大改善銅基熔覆層的耐磨性。 但上述研究均以合金粉末為制備原料， 制備工藝較為復(fù)雜， 且存在材料浪費(fèi)嚴(yán)重、 生產(chǎn)效率不高等問題。

針對(duì)以上銅/鋼復(fù)合材料制備過程中存在的問題， 本研究以熔覆效率高、 成分調(diào)整便捷的金屬粉芯焊絲作為制備原料， 并采用鎢極氬弧焊（gas tungsten arc welding, GTAW） 實(shí)現(xiàn)銅/鋼復(fù)合材料的制備。 另外， 采用微觀組織觀察與力學(xué)性能檢測(cè)相結(jié)合的方式對(duì)復(fù)合材料的性能進(jìn)行表征， 建立成分-組織-性能之間的依存關(guān)系， 為優(yōu)化銅/鋼復(fù)合材料的制備工藝及原料提供一定的數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

試驗(yàn)選用規(guī)格為200 mm×100 mm×10 mm 的Q345 鋼板為基材， 在前期研究[13]基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了兩種不同成分的金屬粉芯焊絲作為表面改性的熔覆材料， 焊絲的外皮均為7 mm×0.3 mm 的純銅帶， 通過拉拔制成直徑1.5 mm 的金屬粉芯焊絲，其填充率為24%～28%。 兩種金屬粉芯焊絲及Q345 基材的成分見表1， 其中， Ni 元素可以與Cu、 Fe 在熔融狀態(tài)下無限互溶， 且不易形成金屬間化合物， 是銅/鋼過渡材料的首選元素； Cr元素不僅能對(duì)熔覆金屬起到固溶強(qiáng)化的作用， 也能與少量的C 元素形成碳化物增強(qiáng)相， 有利于提高銅基熔覆層的耐磨性。 銅/鋼復(fù)合材料制備如圖1 所示， 采用Panasonic 焊機(jī)進(jìn)行表面熔覆，焊接電流選擇150～160 A， 保護(hù)氣體為純度99.99%的氬氣， 氣體流量為15～18 L/min。

圖1 銅/鋼復(fù)合材料制備示意圖

表1 試驗(yàn)材料的化學(xué)成分

為了建立復(fù)合材料及熔覆層成分、 組織與性能之間的依存關(guān)系， 研究中結(jié)合微觀組織觀察與力學(xué)性能檢測(cè)的方法。 采用5 g FeCl3+5 mL HCl+50 mL C2H5OH 的溶液對(duì)試樣進(jìn)行表面侵蝕， 并利用VEGA3 XMU 型掃描電子顯微鏡對(duì)熔覆試樣的微觀組織演化以及元素?cái)U(kuò)散情況進(jìn)行表征； 另外， 采用HT-1000 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層表面的耐磨性進(jìn)行評(píng)價(jià)。 其中， 試驗(yàn)過程中電機(jī)頻率6.25 Hz、 試驗(yàn)載荷5 N，電機(jī)轉(zhuǎn)速350 r/min， 試驗(yàn)時(shí)間40 min， 摩擦半徑5 mm。 采用HVS-1000A 型顯微維氏硬度計(jì)對(duì)熔覆層硬度進(jìn)行表征， 試驗(yàn)加載0.98 N，試驗(yàn)點(diǎn)間距0.5 mm， 保荷時(shí)間15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀形貌分析

圖2 為兩種焊絲制備的銅基熔覆層（以下分別簡(jiǎn)稱為1#熔覆層和2#熔覆層） 的微觀組織形貌， 可以發(fā)現(xiàn)二者微觀形貌差別較大， 1#熔覆層主要由銅基體和大小不一的球狀析出相組成， 析出相分布較為均勻（圖2 （a） 與圖2 （b））； 而2#熔覆層中的析出相主要呈棒狀或細(xì)小的球狀， 且主要分布于銅基體晶界處（圖2 （c） 與圖2（d））。

圖2 熔覆層的微觀形貌

前期研究中的XRD 分析表明， 在與本研究1#、 2#熔覆層成分類似的Cu-Ni-Cr-Fe-C熔覆層中， 基體為Cu-Fe-Ni-Cr 固溶體[13]。 結(jié)合兩種熔覆層的EDS 點(diǎn)能譜分析結(jié)果 （見表2），可以認(rèn)為1#熔覆層的基體也為Cu-Fe-Ni-Cr固溶體， 且Fe、 Cr 含量均高于其在Cu 中的室溫溶解度， 這與GTAW 熔覆過程較快的冷卻速率有關(guān)。 在較高的冷卻速度下， 部分Fe、Cr 元素來不及從基體中析出， 從而固溶在Cu晶格中形成了過飽和固溶體， 這有利于產(chǎn)生較高的固溶強(qiáng)化效果。 1#熔覆層中的球狀析出相為富Fe 相 （EDS 點(diǎn)2）， 這與熔池凝固過程中的液相分離現(xiàn)象有關(guān)。 根據(jù)Cu-Fe 二元相圖[14]及相關(guān)凝固理論可以認(rèn)為， 受較高的冷卻速率及熔池過冷度的影響， Cu-Fe 熔體在冷卻過程中容易進(jìn)入液相不混溶的間隙區(qū)域， 從而發(fā)生液相分離， 形成互不相溶的兩種液相： L→L1 （Cu） +L2 （Fe）。 液相分離產(chǎn)生的富Fe 相對(duì)銅基體具有第二相強(qiáng)化作用， 將有利于提高熔覆層的硬度和耐磨性能。 另一方面， 考慮到本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的金屬粉芯焊絲中并沒有加入Fe 元素， 因此， 可以斷定熔覆層中Fe 元素來源于Q345 鋼基材在熔覆過程中的熔化及成分?jǐn)U散。

表2 熔覆層的EDS 測(cè)試結(jié)果

對(duì)于2#熔覆層， EDS 點(diǎn)3 的分析結(jié)果表明析出相為富Cr 相。 與Cu-Fe 體系類似， Cu-Cr體系也為難混溶體系， 因此銅基熔覆層中富Cr相的形成也與液相分離現(xiàn)象有關(guān)。 此外， 2#熔覆層的基體也為Cu-Fe-Ni-Cr 過飽和固溶體（EDS點(diǎn)4）， 與1#熔覆層相似。

2.2 界面元素?cái)U(kuò)散分析

為表征銅基熔覆層與基體之間的界面結(jié)合情況， 分析異質(zhì)界面間的元素?cái)U(kuò)散特點(diǎn)， 利用SEM和EDS 對(duì)1#和2#熔覆層的界面形貌及元素?cái)U(kuò)散情況進(jìn)行了分析， 結(jié)果如圖3 所示。 從圖3 （a）、圖3 （c） 中可以看出， 銅基熔覆層與Q345 鋼基材之間的界面較清晰， 未發(fā)現(xiàn)裂紋、 未熔合等缺陷， 表明界面冶金結(jié)合效果良好。 由兩種熔覆層界面處的EDS 線掃描能譜分析結(jié)果（見圖3 （b）、圖3 （d）） 可知， 從基體到熔覆層， Fe 元素逐漸減少， Cu、 Cr、 Ni 元素逐漸增多， 元素過渡較為平滑， 表明各元素在界面處發(fā)生了互擴(kuò)散， 并在界面處形成了Cu-Fe 固溶體中間層， 使得銅/鋼異質(zhì)界面達(dá)到了充分的冶金結(jié)合， 有利于提高界面結(jié)合強(qiáng)度。 與2#熔覆層相比， 1#熔覆層中由基材擴(kuò)散過來的Fe 元素較多， 從而會(huì)在1#熔覆層中形成較多的富Fe 相， 與圖2 中熔覆層微觀組織的分析結(jié)果一致。 兩組熔覆層中Fe 元素?cái)U(kuò)散程度的差異與焊絲中Ni 元素含量的不同有關(guān)， Ni 可促進(jìn)Fe 向Cu 中擴(kuò)散， 因此Ni 含量較高的1#熔覆層中富Fe 相也較多， 與文獻(xiàn)[15]的結(jié)果一致。

圖3 熔覆層界面形貌及元素?cái)U(kuò)散情況

2.3 顯微硬度分析

為了探究銅基熔覆層的力學(xué)性能， 對(duì)1#熔覆層、 2#熔覆層上表面和Q345 鋼基材進(jìn)行了硬度測(cè)試， 試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。 從圖4 可以看出， 兩種銅基熔覆層的平均顯微硬度均接近Q345 鋼基材， 表明焊絲中加入的C、 Cr、 Ni 元素能夠在一定程度上提高熔覆層的微區(qū)強(qiáng)度。 焊絲中的C、 Cr、 Ni 元素和基材擴(kuò)散的Fe 元素一方面固溶在Cu 中， 起到固溶強(qiáng)化作用； 另一方面在熔池凝固過程中形成析出相， 對(duì)熔覆層起第二相強(qiáng)化作用。 兩種強(qiáng)化機(jī)制共同作用提高了銅基熔覆層的硬度。 另外， 兩種銅基熔覆層的硬度存在差異， 這與其微觀結(jié)構(gòu)的不同有關(guān)。 1#熔覆層中的析出相主要為粗大的富Fe 相， 而2#熔覆層中主要為細(xì)小的富Cr 相。 2#熔覆層的顯微硬度高于1#熔覆層， 這說明相比粗大的富Fe 相，細(xì)小富Cr 相對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙能力更強(qiáng)， 對(duì)銅基體的強(qiáng)化效果更好。

圖4 熔覆層和基材的硬度試驗(yàn)結(jié)果

2.4 摩擦磨損性能分析

圖5 為1#熔覆層、 2#熔覆層和Q345 鋼基材的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果。 從圖5 中可以看出， 1#熔覆層、 2#熔覆層和基材的平均摩擦系數(shù)分別為0.851、 0.821 和0.56， 其中2#熔覆層的摩擦系數(shù)略低于1#熔覆層， 表明其減磨性優(yōu)于1#熔覆層。 兩種熔覆層和Q345 鋼基材的磨損量差別較大， 1#熔覆層、 2#熔覆層的磨損量分別為8 mg和1.7 mg， 遠(yuǎn)低于基材磨損量 （37.3 mg）， 表明雖然兩種熔覆層的硬度與基材差別不大， 但其耐磨性均遠(yuǎn)優(yōu)于Q345 基材。 對(duì)比1#和2#熔覆層的磨損量可知， 1#熔覆層磨損量約為2#熔覆層的4.7 倍， 表明2#熔覆層的耐磨性遠(yuǎn)高于1#熔覆層。 兩種熔覆層的基體均為Cu-Fe-Ni-Cr固溶體， 合金元素過飽和固溶產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化作用能夠有效強(qiáng)化基體， 有利于提高熔覆層的耐磨性能。 此外， 第二相對(duì)材料的耐磨性能也起著較大作用。 2#熔覆層中的富Cr 析出相一方面由于其尺寸更小， 對(duì)熔覆層的強(qiáng)化效果更好；另一方面富Cr 相的硬度高于富Fe 相， 抗磨能力和對(duì)Cu 基體的支撐效果更好， 使得2#熔覆層的磨損量遠(yuǎn)低于1#熔覆層。

圖5 熔覆層和基材的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié) 論

（1） 為了提高Q345 鋼的表面耐磨性， 設(shè)計(jì)了兩種銅基金屬粉芯焊絲， 采用GTAW 沉積方法制備了兩種銅基熔覆層， 并利用SEM、 EDS、硬度和摩擦磨損試驗(yàn)研究了熔覆層的組織和性能。 結(jié)果顯示， 兩種熔覆層的微觀組織均由Cu-Fe-Ni-Cr 過飽和固溶體和析出相組成， 其中1#熔覆層的析出相主要為粗大的富Fe 相， 2#熔覆層的析出相以細(xì)小的富Cr 相為主。 析出相的形成與熔池冷卻過程中的液相分離現(xiàn)象有關(guān)。

（2） 兩種熔覆層與Q345 鋼基材的界面結(jié)合情況良好， Cu、 Cr、 Ni、 Fe 元素在界面處均發(fā)生了一定的擴(kuò)散， 表明銅/鋼異質(zhì)界面間達(dá)到了冶金結(jié)合。

（3） 2#熔覆層的顯微硬度高于1#熔覆層，這與固溶強(qiáng)化和第二相強(qiáng)化作用有關(guān)。 兩種熔覆層的耐磨性均高于Q345 鋼基材， 且2#熔覆層的摩擦系數(shù)略低于1#熔覆層， 磨損量與1#熔覆層相比大大減少， 表明其耐磨性更優(yōu)。