1、试验条件与方法

试验设备选用ZRF-5C型数控等离子表面熔覆设备；试验基材为热轧态16Mn钢板；粉末材料的化学成分（wt%）为：Cr：20~25，C<1.5，Si：4.0~4.5，B：3.0~4.0，Fe为余量，粒度80～200μm，使用前150℃烘干1h；离子气为纯度99.9%的氩气，具体熔覆工艺参数如表1所示。

表1　ZRF-5C型数控等离子耐磨熔覆机床工艺参数

使用Olympus BH2-UMA金相采集系统拍摄金相。用HV-1000型显微硬度计测量显微硬度，加载时间为20s。磨损试验采用ML-100销盘型回转式磨料磨损试验机。使用分析天平测量磨损前后每个试样失重，以基材（16Mn）为标样，对比分析熔覆层的相对耐磨性能。使用Philips-quanta-2000型扫描电子显微镜来观察试样磨损后的形貌。

2、试验结果分析及讨论

2.1熔覆层组织分析

图1为熔覆层结合部位和熔覆层中部金相组织，由图1（a）可知，结合部位快速凝固组织特征明显，其底部有一条沿基体表面的平面结晶带，与基材呈冶金结合状态；熔覆层中间部位组织分布均匀，排列致密，无气孔、裂纹等缺陷，如图1（b）所示。

图1　熔覆层显微组织

图2为熔覆层X射线衍射图谱，结果表明：熔覆层物相由γ-Fe、(Cr,Fe)₂B和Fe₂B相组成。由于(Cr,Fe)₂B和Fe₂B相硬度很高，因此熔覆层具有良好的耐磨性能。

图2　熔覆层衍射图谱

2.2熔覆层的硬度测试

图3为熔覆层表面至基材显微硬度的分布曲线。可明显看出，熔覆层表面硬度明显高于基材，且熔覆层次表层硬度略高于表层；热影响区硬度高于基材。这主要是因为粉末中含有大量的Cr、B等合金元素，在高温等离子束的作用下生成大量高硬度的(Cr,Fe)₂B、Fe₂B等相，第二相强化作用显著。另外，等离子束停留于外表层时间较长，造成外表层合金元素烧损量较大，因此外表层硬度略低；由于元素扩散运动，热影响区因固溶强化作用而硬度升高。

图3  熔覆层表面至基体硬度分布曲线

2.3耐磨性能测试

选用16Mn钢为标样，以相对耐磨性表示磨损试验结果，具体如图4所示。熔覆层的相对耐磨性明显优于基材，这是由于它的组织中含有大量高硬度的(Cr,Fe)₂B和Fe₂B相，且呈弥散分布状态，大大提高了其耐磨性能。磨损试验结果表明：其相对耐磨性是基材（16Mn钢）的5.4倍。

图4  相对耐磨性柱状图

2.4磨损机制分析

图5为16Mn钢和熔覆层试样磨损形貌。16Mn钢试样的磨损形式主要是犁沟，试样的表面出现了大块剥落的现象，熔覆层试样磨损表面较为光滑和平整，其磨损机制为微切削磨损，这是由于熔覆层中含有大量的高硬度组织(Cr,Fe)₂B相，限制了磨粒的磨损作用，大大提高了基材表面的耐磨性能。

图5  各试样的磨损形貌

3、结论

（1）使用数控等离子表面熔覆设备，可在煤矿用中部槽中板表面易磨损部位制备无气孔，无裂纹且具有高耐磨性能的合金层。

（2）Fe-Cr-B-Si合金粉末熔覆层物相主要由γ-Fe、(Cr,Fe)₂B和Fe₂B等相组成，熔覆层的硬度值由基体至熔覆层表面大致呈梯度分布，其相对耐磨性是16Mn钢的5.4倍。

（4）熔覆层的磨损机制为微切削磨损，熔覆层中大量高硬度的(Cr,Fe)₂B相，限制了磨粒的磨损作用，明显地改善了基材表面的耐磨性能。

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