硅硼对非晶合金涂层影响的研究

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1、第十二届国际热喷涂研讨会论文(ITSS’2009)第十三届全国热喷涂年会论文(CNTSC’2009)硅硼对非晶合金涂层影响的研究魏琪，卢兰志，李辉，高明①（北京工业大学材料科学与工程学院，北京100124）摘要：本文设计并制备了5种不同硅、硼含量的制备FeCrMoCB系非晶合金涂层用Fe基粉芯线材，利用电弧喷涂技术制备涂层，对涂层的相组成、非晶相含量、非晶相稳定性、微观组织结构及涂层截面的显微硬度进行了研究和分析，测试了涂层在500℃时的耐磨粒磨损性能。结果表明，硅、硼含量的调整使得涂层中的非晶相含量在47%到65.1%之间变动，却未引起涂层晶化温度的变化。随着涂层中

2、非晶相含量的增加，涂层的显微硬度和耐磨粒磨损性能随之提高。其中，6%原子分数的硅元素和12%原子分数硼元素的添加的涂层中的非晶相含量最高，为65.1%，其晶化温度为853K，截面显微硬度平均值为1302.1HV0.1，测试10小时的相对耐磨性为GCr15轴承钢球的5.2倍。0引言非晶合金（又称金属玻璃）具有独特而优异的性能，如高强度、高韧性、高硬度和较好的耐腐蚀性能。目前已经发现的非晶合金从合金体系来说，有Pd、Pt、Au、Ln、Fe、Co、Ni、Zr基等，其中，Fe基非晶合金具有原料相对成本较低、机械性能好和热稳定性能好等特点，已经成为非晶合金系发展的一个重要分支。

3、非晶合金凭借其独特而优异的性能成为极具发展潜力的合金材料，但是，由于制备条件的限制，非晶合金在工程领域还未得到大范围的应用，采用先进喷涂技术制备非晶合金涂层是将非晶合金推向工程应用的有效手段。近年来，国内外针对热喷涂技术制备非晶合金涂层的研究工作取得了一定的成果，其中电弧喷涂技术具有设备简单、操作方便、可在施工现场进行大面积喷涂等优点，特别是采用粉芯线材电弧喷涂技术可以原位合成非晶合金涂层，制备的涂层可以应用于耐腐蚀、耐磨损等领域，已经成为当前的研究热点。但是，由于这方面的工作开展时间较短，利用粉芯线材和电弧喷涂技术制备非晶合金涂层的研究还不够深入，现有电弧喷涂制备非

4、晶合金涂层的总体性能有待改进，尤其是组分配比对非晶形成能力的影响、非晶相的热稳定性以及非晶含量对涂层机械性能和耐磨损性能的影响等都还缺少系统的研究。本文选用Fe基非晶合金系中非晶形成能力较强的Fe-Cr-Mo-C-B系非晶合金，并在此基础上增加了类金属元素硅的添加量，设计了一系列不同硅、硼添加量的粉芯线材配方，采用粉芯线材电弧喷涂技术制备了5种非晶合金涂层，并对涂层的相结构、微观组织结构、涂层中非晶相的热稳定性、涂层的硬度和耐500℃高温磨粒磨损性能进行了对比研究。1试样制备与实验方法1.1粉芯线材设计在其它成分不变并保持类金属元素原子添加百分比在20%的前提下，以硅

5、含量逐渐增加的顺序制定出如表1所示5种硅、硼含量的Fe基粉芯线材配方，由此来探讨部分硅替代硼对非晶合金涂层性能的影响。根据粉芯线材配方设计和制造原则，确定出所制备的粉芯线材的金属外皮304L不锈钢带及所需添加粉芯的成分，按填充率35%制备出5种直径为2.0mm的粉芯线材。①本文通讯联系人：魏琪(北京工业大学材料科学与工程学院,北京100124)北京市教委科技发展项目（KM200610005026，JP009012200803）-69-第十二届国际热喷涂研讨会论文(ITSS’2009)第十三届全国热喷涂年会论文(CNTSC’2009)表1系列配方中硅、硼元素原子添加百分

6、比配方序号S1S2S3S4S5硅添加量（%）246810硼添加量（%）1614121081.2涂层试样制备涂层试样分为三类。一是在经喷砂处理的Q235低碳钢基体上喷涂制备涂层，涂层厚度均为300μm左右，试样用于涂层的相结构分析、显微结构分析和截面硬度测定。二是在不经喷砂处理的Q235基体上喷涂并将涂层剥落，试样用于涂层的热稳定性测试。三是在经700℃退火和表面喷砂处理的、直径为25mm的GCr15轴承钢球表面喷涂制备涂层，涂层厚度约300μm，试样用于涂层高温磨粒磨损的测试。每一类涂层试样分别用上述5种粉芯线材，通过JZY-250型电弧喷涂设备和高速喷枪制备。电弧喷

7、涂工艺参数为：电压32V，电流150-200A，压缩空气压力0.5MP，喷涂距离150mm。1.3试验方法利用SHIMADZUXRD-7000X型X射线衍射仪对涂层进行物相分析，衍射条件为Cu靶，40Kv和30mA。采用HITACHIS-3400型扫描电子显微镜观察涂层的截面微观形貌。利用差示扫描量热仪（DSC,NETZSCHSTA449C）测试涂层的热稳定性能，升温速率为20K/min。采用HXD-1000显微硬度仪测量涂层显微硬度，试样为经打磨、抛光的金相试样，载荷100g,加载15s，测试10点取平均值。高温磨粒磨损实验在HAWM-1型高温磨粒