H13钢等离子堆焊Ni60A/Cr3C2覆层的磨损及热疲劳性能学习体会

文献概况与研究意义

本文发表于2020年《金属热处理》第10期，由武汉理工大学刘清阳、王华君、洪峰、朱春东、王哲涵五位作者完成。研究采用粉末等离子堆焊技术在H13钢基体表面制备Ni60A/Cr3C2复合覆层，系统研究了覆层的磨损行为和热疲劳性能，揭示了碳化铬增强相对覆层综合性能的影响机制。

H13钢是一种热作模具钢，广泛应用于压铸模、锻模、热挤压模等高温模具制造。这类模具在服役过程中承受高温、高压、热循环和摩擦磨损的复合损伤，表面失效是模具寿命的主要限制因素。表面强化技术是提高模具寿命的有效途径，其中等离子堆焊覆层因其结合强度高、覆层厚度可控、工艺灵活等优势，在模具表面强化领域具有广阔的应用前景。

覆层制备工艺与组织特征

等离子堆焊工艺方案

研究采用粉末等离子堆焊（Powder Plasma Surfacing, PPS）技术在H13钢基体上制备Ni60A/Cr3C2复合覆层。Ni60A是一种镍基自熔合金粉末，具有良好的自熔性和流动性，可在钢基体上实现冶金结合。Cr3C2（碳化铬）是一种高硬度、高热稳定性的陶瓷增强相，硬度可达HV2800以上，但本身脆性大，不能单独使用，需与韧性基体复合使用。

工艺参数方面，等离子弧电流控制在200～300A，弧压约20～25V，送粉量为3～5g/min，基体预热温度控制在200～300℃。堆焊层厚度一般控制在1～3mm，采用多层薄焊道堆焊以保证覆层组织均匀性和减少残余应力。

覆层组织特征

Ni60A/Cr3C2复合覆层的组织由镍基固溶体基体和弥散分布的Cr3C2硬质颗粒组成。Cr3C2颗粒在镍基体中起到强化和增韧的双重作用：一方面，硬质颗粒提高覆层的硬度和耐磨性；另一方面，镍基体提供足够的韧性，防止覆层脆性剥落。这种"硬质相+韧性基体"的复合结构是覆层兼具高耐磨性和良好热疲劳性能的基础。

磨损性能分析

高温销盘试验结果

在600℃下进行的销盘摩擦磨损试验结果表明：

Ni60A/Cr3C2复合覆层的耐磨性是Ni60A覆层的2.8倍、H13钢基体的11.6倍，充分证明了Cr3C2增强相的显著效果。然而，值得注意的是，加入碳化铬后覆层的摩擦性能有所削弱——摩擦因数较纯Ni60A覆层略有升高。这是因为Cr3C2硬质颗粒与对偶材料的接触产生微切削作用，增加了摩擦阻力。

磨损机理演变

随着磨损过程的进行，覆层的主要磨损机理从氧化磨损演变为磨粒磨损和粘着磨损。在磨损初期，覆层表面形成氧化膜，氧化膜的存在降低了摩擦因数，起到润滑作用。随着磨损的进行，氧化膜被逐渐磨除，暴露出基体和硬质相，此时磨粒磨损和粘着磨损成为主导机理。Cr3C2颗粒的存在延缓了磨粒磨损的进程，但在高载荷条件下，颗粒从镍基体上剥离可能导致粘着磨损加剧。

热疲劳性能分析

热循环试验结果

在800℃到室温之间的热循环疲劳试验中：

数据显示，Ni60A/Cr3C2复合覆层的热疲劳性能不如纯Ni60A覆层，疲劳裂纹达到200μm的循环次数从62次降至48次，降幅约22.6%。

热疲劳性能下降的机制

研究揭示了热疲劳性能下降的两个关键机制：

1. 高温氧化促进裂纹萌生：在800℃高温下，覆层表面发生氧化反应，氧化层与基体的热膨胀系数差异导致界面应力集中，促进疲劳裂纹的萌生和扩展。
2. Cr3C2增强相剥离：在热循环过程中，Cr3C2颗粒与镍基体之间的界面因热膨胀系数不匹配而产生界面应力，导致Cr3C2颗粒从镍基体上剥离。颗粒剥离后形成微孔洞和微裂纹，成为热疲劳裂纹的萌生源，加速了覆层的疲劳失效。

工程应用启示与优化方向

工况适应性分析

本文的研究结果提示我们，Ni60A/Cr3C2复合覆层在耐磨性能上表现优异，但在热疲劳性能上存在不足。在实际模具应用中，应根据具体工况条件进行选型：

• 对于以磨粒磨损和高温氧化磨损为主的工况（如压铸模的工作表面），Ni60A/Cr3C2覆层是优选方案，其耐磨性是基体的11.6倍，可显著延长模具寿命。
• 对于以热疲劳为主或热循环强度较高的工况（如热挤压模的型腔），纯Ni60A覆层可能更为合适，其热疲劳性能优于复合覆层。

工艺优化方向

针对Ni60A/Cr3C2覆层热疲劳性能不足的问题，可从以下方向进行优化：

• 优化Cr3C2颗粒尺寸与分布：采用纳米级Cr3C2颗粒可减小界面面积，降低界面应力集中，同时纳米颗粒的弥散强化效果更优。
• 采用梯度结构覆层：底层为纯Ni60A（韧性好），面层为Ni60A/Cr3C2（硬度高），通过梯度设计兼顾耐磨性和热疲劳性能。
• 改善Cr3C2与镍基体的界面结合：通过合金化改性（如在Cr3C2表面包覆镍层）或添加界面结合促进剂（如Ti、Mo），提高界面结合强度，减少颗粒剥离。
• 控制堆焊残余应力：采用多层薄焊道堆焊、控制层间温度、以及焊后去应力处理，降低覆层中的拉应力水平。

学习心得与总结

本文的研究具有重要的工程指导价值，其核心贡献在于系统揭示了Ni60A/Cr3C2复合覆层在耐磨性和热疲劳性能之间的权衡关系（trade-off）。耐磨性与热疲劳性能并非总能同时优化——提高耐磨性的增强相（Cr3C2）可能降低热疲劳性能，这一认识对于模具表面强化方案的制定至关重要。

从技术发展趋势看，模具表面强化正朝着多功能复合涂层方向发展，即在同一覆层中实现耐磨、耐热疲劳、耐蚀等多重功能的协同。这需要深入理解各增强相与基体之间的界面行为、应力传递机制和失效模式，从而在材料设计、工艺控制和性能评价三个层面实现系统优化。本文的研究为这一方向提供了宝贵的实验数据和理论依据，值得在模具制造和维修领域推广应用。在实际工程中，应结合模具的具体工况（工作温度、循环频率、载荷类型、介质环境等）进行全面的工况分析，据此选择合适的覆层体系和工艺方案，并通过加速试验和现场验证确认覆层的适用性，最终实现模具寿命和经济性的最优平衡。