基于氩弧熔覆的生物质秸秆压块机压模表面强化技术研究

材料所形成的熔覆层中弥散分布着TiC、Cr7C3等强化相，熔覆层显微硬度最高可达946HV，约为基体的3倍左右，耐磨性也得到有效提高。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

因为秸秆压块机的压模材料为45号钢，所以本次的试验选用45号钢作为基体材料，制成50 mm×10 mm×10 mm试块，试验前对基体材料进行预处理，用砂纸打磨除锈，并用无水乙醇清洗，吹风机吹干。试验用熔覆材料为价格低廉的钛铁粉、石墨粉和Cr合金粉末，粘结剂采用水玻璃。

1.2 试验方法

基体试块经预处理，将合金粉末混合均匀，利用水玻璃粘结成糊状，均匀地涂抹在试块上，涂层厚度控制在大约0.8～1.0 mm范围内，并在试块左右预留1 mm的引弧端，在干燥箱中自然干燥。涂层的粉末配比参数见表1。采用直流正接法，钨极直径为2.4 mm，熔覆电流为120 I/A，熔覆速度为6 mm/s，氩气流量为10 L/min，对试块涂层进行熔覆，获得耐磨熔覆层。

利用FC204型电子天平（能够精确到0.1 mg）对熔覆粉末进行称量，每组粉末的总质量为9 g。其中编号10～12的试块，在它们的原始粉末中加入0.3 g的固体润滑剂二硫化钼。

图2 氩弧熔覆层（500X）金相照片

熔覆完成后，待试块冷却，用金属锤锤击焊缝，砂轮机打磨焊缝凹凸不平处，并用软刷清理焊缝。采用线切割切取试块截面，制备金相试样和磨损试样。金相试样在型号为SFT-M22抛光机上打磨抛光，采用HNO3酒精腐蚀，无水乙醇清洗，吹风机吹干。制样后，利用型号为01ympus GX51金相显微镜拍取金相照片，观察熔覆层界面与基体的结合情况与组织分布情况。利用洛氏硬度计测量熔覆层表面的硬度，利用型号为HVS-10S数字显微维氏硬度计测量最佳粉末配比的试块熔覆截面的显微硬度。利用型号为SFT-2M的磨损试验机对熔覆层进行磨损试验，施加载荷为50 N、加载速度为500 r/min、加载半径为1 mm、加载时间为20 min，磨损方式采用室温干摩擦。试验后采用FC204型电子天平称取磨损后的试块重量，得出磨损重量。

2 试验结果与分析

2.1 熔覆层微光组织的分析

利用型号为01ympus GX51金相显微镜，得到了熔覆层与基体相结合的截面金相照片和熔覆层的组织形貌如图1和图2所示。从图1的截面微观形貌可以看到，熔覆层的组织在垂直于基体与熔覆层结合界面逆热扩散方向上生长的特点，表现出定向凝固的典型特征，而且熔覆层的枝晶显现出较为明显的向基体延伸的特征。从图2中可以看出熔覆层内没有出现裂纹、气孔和未熔合等缺陷，熔覆层与基体是完全的冶金结合。

图3 形貌（基体；熔覆层；基体与熔覆层结合区）

图3为基体、熔覆层、基体与熔覆层结合区的SEM照片，熔覆层中弥散分布着的颗粒物相多呈现块状、三角状和花瓣状，基体组织为F和少量的P，这样的特征保证了熔覆层的塑韧性。根据Ti-C-Fe体系合成的反应动力学过程＼[5＼]可知，在熔覆过程中，首先形成Te、Ti的低共熔体，C在高温下熔于此低共熔体中，生成富Ti的TiCx，熔池形成后随着热量的扩散，C继续与TiCx反应并生成接近化学计量比的TiC。熔融后的液相金属的流动导致大块聚体形成，并在其内部反应形成小颗粒的TiC，随着热能的扩散和冷却，TiC颗粒继续生长。反应动力学过程历经了共熔体形成、TiC的原位合成以及Fe2Ti脆硬相的消失等阶段。

图4 熔覆层扫描电镜图像

图5 熔覆层中颗粒的X射线衍射图

图5所示为图4中谱图的X射线衍射分析结果，图中标明的分析位置1、2、3为颗粒相，4为基体。由图可知，增强相1、2、3均主要由元素Ti、C元素组成，并固溶一部分Fe、Cr元素。结合SEM形貌分析得到，基体组织为可以推断出图中深黑色的颗粒状的物相为TiC颗粒，还存在着少许的和α-Fe和Cr7C3相。

2.2 熔覆层的硬度和磨损性能的分析

图6为各组试块的熔覆层的硬度曲线，从图中可以看出各熔覆层的硬度值大体分布在60HRC附近，特别是编号为11的组最高可达68.1HRC，较基体45号钢的硬度32HRC有了很大的提高。

图 6 各粉末配比的硬度值

图7为最佳粉末配比的11#试样最大熔深2 mm处截面的硬度分布曲线，沿熔池深度方向每0.3 mm的测量点的硬度分布。由图7可知，熔覆层的硬度值呈现出阶梯状变化的规律，熔覆层的表面硬度最高，基体区域的硬度最低，其间呈缓慢变化的趋势。根据前述的金相分析可知，熔覆层表面区域内存在着TiC颗粒的强化相，弥散分布的细小颗粒状碳化物起到了弥散强化和细晶强化的作用，所以熔覆层表面的硬度最高。熔覆层表面到基体的过渡区硬度变化较为平缓，但都高于基体，这是由于Ti、C、Cr等合金元素熔入到了该区域中，产生了固溶强化作用。

图7 11#试样截面硬度分布曲线

图8为基体与熔覆试块的熔覆层磨损量对比图，从图中可以看出熔覆试样的耐磨性明显优于基体试块，其主要原因是弥散分布的TiC相和Cr7C3相起到了强化的作用，提高了试块表面的硬度，从而提高了其耐磨性。图9为摩擦系数测定曲线，可以看出，熔覆试样的摩擦系数也略低于基体试块。

图8 基体与熔覆试块的磨损量对比图

图9 试块的摩擦系数图

3 结论

（1）基于氩弧熔覆技术，利用钛铁粉、石墨粉等合金粉末可制备出TiC颗粒增强的复合涂层。在熔覆过程中，部分TiC颗粒熔解并熔入基体，未溶解TiC弥散分布于基体表面。熔覆层组织均匀，并且与基体结合良好，没有出现气孔和裂纹。

（2）通过基体与熔覆层的显微组织分析、硬度分析和耐磨性分析可以看出，当原始粉末中Ti、C、Cr的摩尔量比接近于Ti∶C∶Cr=1∶3∶1时，熔覆层的硬度和耐磨性较好。

（3）在TiC颗粒的强化相作用以及弥散分布于熔覆层的细小颗粒状碳化物（如Cr7C3等）的细晶强化与弥散强化作用下，熔覆层的硬度得到了较大的提高，最高可达946HV，约为基体的3倍左右。且熔覆层的显微硬度呈梯度变化分布，熔覆层表面硬度最高，基体硬度最低，过渡区硬度的变化较为平缓，也高于基体。

（4）在干滑动摩擦条件下，熔覆层的耐磨性得到了有效提高，原位合成的TiC相具有提高试块耐磨性的作用。本技术可用于秸秆压块机压模的表面强化与修复，可有效提高压模的耐磨性和使用寿命。

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