Nb 對(duì)雙相不銹鋼激光熔覆組織及性能的影響研究
無(wú)錫不銹鋼板廠家無(wú)錫漢能不銹鋼2020年7月20日訊 采用激光熔覆技術(shù)， 在基體 45# 鋼板上熔覆了含 Nb的雙相不銹鋼涂層。采用掃描電子顯微鏡 (SEM) 和能譜分析儀 (EDS) 對(duì)涂層的微觀組織和元素組成進(jìn)行了表征分析， 測(cè)試了涂層沿深度方向上的顯微硬度， 在 20℃條件下進(jìn)行了 UMT 摩擦磨損試驗(yàn)， 并在 3.5 wt.% 的 NaCl 水溶液中進(jìn)行電化學(xué)測(cè)試。結(jié)果表明：在雙相不銹鋼合金粉中添加 Nb 進(jìn)行激光熔覆， 所制備的熔覆層中碳化物由 Cr 和 Nb 的碳化物組成， 同時(shí) Cr 含量顯著降低；熔覆層中添加 Nb 后， 其硬度和耐磨性比未添加 Nb 的熔覆層有顯著提高， Nb 含量為 1.4% 的時(shí)候效果最好；隨著Nb 含量的增大， 自腐蝕電位逐漸增大， 自腐蝕電流密度逐漸降低， 說(shuō)明 Nb 含量越高熔覆層的耐蝕性越好。綜上所述， 當(dāng)熔覆層中 Nb 含量為 1.4% 的時(shí)候， 其耐磨性和耐蝕性最好。
激光熔覆技術(shù)是一種利用激光的高能量密度將金屬表面的合金粉末進(jìn)行快速熔化， 并且通過(guò)快速冷卻和快速凝固的過(guò)程， 將涂層材料熔覆在基體表面形成一層具有良好機(jī)械性能的熔覆層，改變表面層的組織和成分， 由此來(lái)提高材料表面的硬度、 耐磨性和耐蝕性等性能 。由于材料的服役環(huán)境逐漸惡劣， 嚴(yán)重影響了正常的生產(chǎn)制造， 因此制備具有高性能的熔覆層迫在眉睫， 這就對(duì)熔覆層的力學(xué)性能和抗腐蝕性能提出了更高的要求。
針對(duì)目前鋼鐵材料表面的鐵基熔覆層耐磨性、 耐蝕性較差的問題， 現(xiàn)在研究者主要利用兩種方法來(lái)解決上述問題， 分別是通過(guò)改善熔覆層中的合金元素的含量以及添加微量元素這兩種方法來(lái)提高熔覆層的表面性能。孫有政研究了不同比例 Ni 含量的鐵基合金粉末熔覆到 Cr5 支承輥鋼表面激光熔覆層的組織和性能， 發(fā)現(xiàn)熔覆層的截面組織均為魚骨狀和網(wǎng)狀枝晶， 當(dāng) Ni 含量為 8% 的時(shí)候， 熔覆層的硬度可達(dá) 500HV。Qin等人研究了激光熔覆二次硬化鋼中 Ni 在熔覆層及熱影響區(qū)的相組成、 顯微組織及其性能的影響。除了研究微量元素含量對(duì)熔覆層物相組成和微觀組織的影響之外， 研究者還在熔覆層中添加微量元素， 檢測(cè)在熔覆層中原位自生的小尺寸顆粒對(duì)熔覆層性能的影響。隨金文在鐵基粉末中添加 Ti、 V 和石墨， 在激光熔覆過(guò)程中原位自生成 (Ti,V)C 復(fù)合顆粒， 有利于提高熔覆層的耐磨性， 但卻沒有對(duì)熔覆層的耐蝕性進(jìn)行分析。黃鳳曉在球墨鑄鐵中添加 Nb， 在激光熔覆過(guò)程中形成了分布均勻的 NbC 顆粒， 不僅提高了形核率， 同時(shí)還細(xì)化了晶體， 但未對(duì)熔覆層的性能進(jìn)行分析。隨著模擬技術(shù)的發(fā)展， 一些學(xué)者開始嘗試?yán)?Thermo-Calc 熱動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)激光熔覆層的成分進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。高向宙利用Thermo-Calc 軟件及相應(yīng)的 Ni 基合金數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)27SiMn 合金表面激光熔覆 FeNiCrB 系合金熔覆層凝固過(guò)程中各析出相進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算分析，為激光熔覆 FeNiCrB 系合金涂層成分設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化提供了理論依據(jù)， 但并未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 有所不足。
雙相不銹鋼熔覆層的耐腐蝕性主要與熔覆層中 Cr 有關(guān)， Cr 在熔覆層中的位置以及存在方式對(duì)耐蝕性有很大影響。在激光熔覆的過(guò)程中， Cr容易與 C 結(jié)合形成碳化物， 這樣就會(huì)導(dǎo)致熔覆層中出現(xiàn)貧 Cr 現(xiàn)象， 因此耐腐蝕性降低。但 Nb與 Cr 相比與 C 的結(jié)合力更強(qiáng)， 因此可以通過(guò)添加微量元素 Nb， 使其優(yōu)先與 C 結(jié)合形成 Nb 的碳化物， 這樣就能促進(jìn) Cr 在晶界析出， 從而提高熔覆層的耐腐蝕性能。另外， Nb 的碳化物硬度較高， 尺寸較小， 可以提高熔覆層的力學(xué)性能，因此硬度和耐磨性得到了提高。
本文在雙相不銹鋼中添加 Nb， 對(duì)不同含量的 Nb 所制備熔覆層組織進(jìn)行分析和比較， 在此基礎(chǔ)上對(duì) Nb 含量進(jìn)行優(yōu)化， 最終達(dá)到提高熔覆層硬度、 耐磨性和耐蝕性的目的。
1 材料及方法
選擇尺寸為 100mm× 100mm× 20mm 的 45鋼作為基體， 激光熔覆前基材表面用砂紙去除氧化層并用酒精清洗。將雙相不銹鋼合金粉與純 Nb 粉末（ 粉末中值粒徑為53μm） 混合， 其中純 Nb 粉末的質(zhì)量百分比分別為0.6%、1.0%、1.4%、1.8%、2.2%。雙相不銹鋼合金粉的主要化學(xué)成分、 雙相不銹鋼合金粉的性能分別如表 1、表 2 所示。 表 1 雙相不銹鋼合金粉主要化學(xué)成分 表 2 雙相不銹鋼合金粉主要性能 激光熔覆試驗(yàn)在德國(guó)GTV MF-LC2000 型激光熔覆設(shè)備中進(jìn)行，采用同步送粉法，激光工藝參數(shù)如下：光斑直徑為 3.18mm，送粉速度為22g/min， 激光功率為2600W， 掃描速度為8mm/s，熔覆層厚度為2.0mm，搭接率為50%。對(duì)所制備的熔覆層進(jìn)行切割，方向?yàn)檠卮怪庇谌鄹卜较?，得到尺寸?15mm×15mm×10mm的試樣，對(duì)切割得到的樣品進(jìn)行打磨、 拋光等處理，然后對(duì)樣品進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，腐蝕劑為王水溶液 (HNO3:HCl=1: 3)，利用掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)熔覆層腐蝕面的微觀組織進(jìn)行形貌觀察， 利用能譜儀(EDS) 對(duì)組織中的物相組成進(jìn)行成分檢測(cè)。利用顯微硬度計(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度試驗(yàn)， 載荷力200g。利用 UMT 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)， 試驗(yàn)條件為 150N/15min。利用電化學(xué)工作站對(duì)試樣進(jìn)行電化學(xué)試驗(yàn)， 試驗(yàn)條件為3.5wt.%的NaCl水溶液。 圖1是熔覆層與基體交界處圖。圖2是熔覆層截面顯微組織圖。圖2(a) 是未添加 Nb 的顯微組織圖， 圖 2(b) 是添加 Nb 的顯微組織圖。未添加 Nb 的顯微組織中晶界處的碳化物呈網(wǎng)格狀，而添加了 Nb 的顯微組織中晶界處的碳化物呈顆粒狀。對(duì)上述碳化物進(jìn)行 EDS 能譜檢測(cè)成分分析，其結(jié)果如表 3 所示。從表 3 中可以看出， 添加了Nb 后， 晶界處主要是 Nb 的碳化物， Cr 含量明顯降低， 這說(shuō)明 Nb 的添加有利于減少 Cr 的碳化物形成。
圖1熔覆層與基體交界處圖
圖2 添加 Nb 前后熔覆層顯微組織圖：(a) 未添加 Nb；(b) 添加 Nb
表 3 EDS 成分分析 (wt.%)
圖3是不同 Nb 含量下熔覆層的顯微硬度和未添加Nb的熔覆層顯微硬度圖。從圖中可以看出，沿熔覆試樣由表及里方向， 顯微硬度分布曲線呈現(xiàn)三臺(tái)階狀， 它們分別對(duì)應(yīng)于熔覆層、 熱影響區(qū)以及 45# 鋼基體， 而且添加 Nb 的熔覆層的顯微硬度比未添加 Nb 的顯微硬度有明顯的提高。從圖中還可以看出， Nb 含量的增加使熔覆層硬度先增大后降低， 當(dāng) Nb 含量為 1.4% 的時(shí)候， 熔覆層的顯微硬度最高。當(dāng) Nb 含量從 0.6% 增大到 1.4%的時(shí)候， 熔覆層的硬度逐漸增大， 這是因?yàn)殡S著Nb 含量的增加， Nb 代替了一部分 Cr 與 C 結(jié)合形成了碳化物， 因此使得熔覆層的硬度得到了提高。當(dāng)Nb含量從 1.4% 增大到 2.2% 的時(shí)候， 熔覆層硬度又有所降低， 這是因?yàn)槿鄹矊又?Nb 含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致 Nb 的碳化物顆粒發(fā)生粗化現(xiàn)象， 以至于在碳化物周圍出現(xiàn)貧碳現(xiàn)象， 如圖4所示，使得馬氏體基體產(chǎn)生奧氏體化， 最終導(dǎo)致基體硬度降低， 硬質(zhì)相和基體之間的結(jié)合強(qiáng)度下降。
圖 3 不同 Nb 含量下熔覆層顯微硬度
圖 4 不同 Nb 含量下熔覆層顯微組織圖：(a)1.4% Nb; (b)2.2% Nb
圖 5 為基體與不同 Nb 含量熔覆層的摩擦系數(shù)圖。從圖中可以看出， 熔覆層首先處于初始跑合階段， 之后進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段， 摩擦系數(shù)也逐步趨于穩(wěn)定。其中， 添加了 Nb 的熔覆層摩擦系數(shù)均比基體和未添加 Nb 的熔覆層摩擦系數(shù)低， 說(shuō)明Nb 的添加不僅起到了減摩耐磨效果， 而且效果比未添加 Nb 的好。同時(shí)， 在 Nb 含量為 1.4% 的時(shí)候，熔覆層跑合階段相對(duì)較短， 進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后摩擦系數(shù)較為平穩(wěn)， 波動(dòng)范圍小。而 Nb 含量為0.6%、 1.0%、 1.8%、 2.2% 的熔覆層經(jīng)歷了較長(zhǎng)的跑合階段， 在穩(wěn)定磨損后摩擦系數(shù)的波動(dòng)范圍略大。綜上， Nb 含量在 1.4% 的時(shí)候， 熔覆層的耐磨性最優(yōu)。
圖 5 基體與不同 Nb 含量熔覆層的摩擦系數(shù)
圖 6 是基體及不同Nb含量下熔覆層的磨損失重對(duì)比圖。從圖中可以看出， 熔覆層的磨損失重明顯低于基體， 而且添加Nb的磨損失重比未添加Nb的低。當(dāng)熔覆層中Nb含量為1.4%的時(shí)候，其磨損失重最低， 這與上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性， 因此說(shuō)明Nb含量為 1.4% 的時(shí)候熔覆層的耐磨性最好。
圖6 基體及不同 Nb 含量下熔覆層磨損失重 為了研究熔覆層的腐蝕性為， 利用電化學(xué)工作站， 測(cè)量了基體和熔覆層的動(dòng)電位極化曲線圖。圖 7 是基體與熔覆層在 3.5 wt.% 的 NaCl 溶液中測(cè)得的動(dòng)電位極化曲線。從圖中可以看出， 基體在溶液中表現(xiàn)為單一活性溶解， 而熔覆層則具有明顯的鈍化行為。對(duì)所得到的極化曲線特征轉(zhuǎn)變點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)定， 利用塔菲爾線性外推法， 得到了不 圖7 基體及不同 Nb 含量下熔覆層的動(dòng)電位極化曲線 表 4 極化曲線測(cè)試結(jié)果
同 Nb 含量的熔覆層和基體的自腐蝕電位 (Ecorr) 和自腐蝕電流密度 (Icorr) 特征腐蝕參數(shù)， 如表 4 所示。對(duì)于熔覆層來(lái)說(shuō)， 在 3.5 wt.% 的 NaCl 溶液中， 其陽(yáng)極極化區(qū)域沒有出現(xiàn)活化 - 鈍化的轉(zhuǎn)變，而是隨著電位升高直接由塔菲爾區(qū)域進(jìn)入到鈍化區(qū)域， 說(shuō)明在該腐蝕條件下熔覆層的表面可以自發(fā)地形成保護(hù)性的鈍化膜。從表中可以看到， 通過(guò)塔菲爾線性外推法計(jì)算得出， 未添加 Nb 的熔覆層在 NaCl 溶液中的自腐蝕電位為 426.41mV，遠(yuǎn)高于基體的 689.78mV；其自腐蝕電流密度為0.45μA/cm2， 遠(yuǎn)小于基體的 8.07μA/cm2， 說(shuō)明熔覆層自發(fā)狀態(tài)下腐蝕傾向較低， 腐蝕速率較慢，耐蝕性比基體優(yōu)良， 能夠?qū)w起到良好的防護(hù)作用。而對(duì)比不同 Nb 含量下所制備熔覆層， 其腐蝕行為相似， 但隨著 Nb 含量的增大， 自腐蝕電位逐漸增大， 自腐蝕電流密度逐漸降低， 說(shuō)明Nb 含量越高熔覆層的耐蝕性越好。
(1) 在雙相不銹鋼合金粉中添加 Nb 進(jìn)行激光熔覆實(shí)驗(yàn)， 將所制備的熔覆層與未添加 Nb 制備的熔覆層進(jìn)行對(duì)比， 發(fā)現(xiàn)未添加 Nb 的熔覆層晶界處碳化物主要是 Cr 的碳化物， 而添加了 Nb的熔覆層晶界處碳化物是 Cr 和 Nb 的碳化物， 同時(shí)Cr 的含量明顯降低。
(2) 熔覆層中添加 Nb 后， 其硬度和耐磨性比未添加Nb的熔覆層有顯著提高。當(dāng)熔覆層中 Nb的含量從0.6%增加到2.2%的時(shí)候，其硬度和耐磨性先提高后降低，這是因?yàn)殡S著Nb含量的增加，熔覆層中 Nb 的碳化物顆粒逐漸增多，有利于提高硬