退火温度对H13钢等离子堆焊Ni60/WC覆层组织与硬度影响学习体会

文献概况

本文发表于2019年《金属热处理》第44卷第2期，由武汉理工大学材料科学与工程学院陈稳、王华君、谢冰、周春杨完成，受国家自然科学基金资助。研究采用等离子堆焊技术在H13钢基体表面制备Ni60/WC复合覆层，系统研究了退火温度对基体、热影响区和Ni60/WC复合覆层组织、硬度的影响。

核心发现

研究结果表明，经退火处理后消除了覆层裂纹敏感性，WC分布得到改善。800°C退火后花瓣状枝晶得到细化，组织更为均匀。焊态下覆层热影响区组织主要由粗大片状马氏体和板条马氏体以及残留奥氏体组成，600°C退火后热影响区组织主要由板条状铁素体、针状铁素体和颗粒状渗碳体组成，800°C退火后热影响区组织主要由等轴状铁素体和粒状渗碳体组成，退火处理后热影响区组织得到明显改善。经过600°C退火后覆层硬度略微下降，淬硬区得到缓和；800°C退火后覆层硬度分布均匀，淬硬区消失，基体到覆层过渡处的硬度呈梯度上升，进而改善了基体与覆层之间的结合，提高了覆层的力学性能。

微观组织演变分析

本文的核心贡献在于系统揭示了退火温度对Ni60/WC覆层微观组织的调控规律。Ni60是一种高镍合金粉末，主要成分为Ni、Cr、Fe、B、Si等，具有良好的自润滑性和抗腐蚀性能。WC（碳化钨）作为硬质相，提供耐磨性。Ni60/WC复合覆层的组织特征为：Ni60基体（奥氏体+碳化物）+弥散分布的WC颗粒。

从组织演变机理分析，退火处理通过以下途径改善覆层性能：

1. 应力释放：退火过程中，焊接残余应力通过蠕变和回复机制逐步释放，降低覆层开裂风险。
2. 相变软化：热影响区中的马氏体在600°C以上发生回火，转变为铁素体+渗碳体组织，硬度下降但韧性提高。
3. WC再分布：退火过程中，WC颗粒通过扩散和溶解-再析出机制重新分布，改善WC的均匀性。
4. 枝晶细化：800°C退火温度接近Ni60合金的固溶温度，可促进枝晶的再结晶和细化。

等离子堆焊工艺特点

等离子堆焊（Plasma Surfacing）是利用等离子弧作为热源，将金属粉末送入弧区熔化并堆焊到基体表面的表面工程技术。与传统的电弧堆焊相比，等离子堆焊具有以下优势：

低稀释率是等离子堆焊的核心优势，意味着覆层成分更接近粉末原始成分，合金元素烧损少，覆层性能更可控。对于Ni60/WC复合覆层，低稀释率意味着WC含量可精确控制，有利于获得预期的耐磨性能。

退火温度选择依据

退火温度的选择需综合考虑覆层性能、基体性能和工艺经济性。本文研究的600°C和800°C两个退火温度分别代表了不同的处理策略：

• 600°C退火：属于中低温退火，主要目的是消除残余应力和缓和淬硬区，对覆层组织的影响较小。适用于对覆层硬度要求较高、但需要改善韧性的场合。
• 800°C退火：属于高温退火，可显著改善覆层和热影响区的组织均匀性，但覆层硬度会有所下降。适用于对覆层韧性要求较高、需要改善基体-覆层结合强度的场合。

在实际工程应用中，退火温度的选择需根据具体服役条件确定。例如，对于承受冲击载荷的轧辊，应选择800°C退火以获得更好的韧性；对于承受高温磨损的模具，可选择600°C退火以保留较高硬度。

工程实践启示

Ni60/WC复合覆层在以下领域有重要应用：

• 石油天然气行业：用于钻杆、油管、阀门的耐磨耐腐蚀处理。
• 矿山机械：用于破碎机颚板、给料机衬板的耐磨处理。
• 电力行业：用于锅炉水冷壁管、过热器管的耐磨处理。
• 冶金行业：用于轧辊、导卫的耐磨处理。

在实际应用中，需注意以下问题：Ni60/WC覆层的硬度通常为HRC 55-65，但韧性相对较低，不适合承受冲击载荷的场合；覆层与基体的结合强度受退火处理影响显著，未经退火的覆层可能存在微裂纹；覆层的耐磨性能与WC含量、WC分布均匀性密切相关，需通过金相分析验证WC分布。

学习心得

本文的研究方法——系统改变退火温度，观察组织-性能演变规律——是材料热处理研究的标准范式。通过金相观察、显微硬度测试和SEM分析，建立了退火温度-组织-性能的定量关系，为工程应用提供了明确的工艺指导。

值得深入思考的是，退火处理对覆层性能的影响并非简单的"温度越高越好"。800°C退火虽然改善了组织均匀性和韧性，但硬度下降可能影响耐磨性能。在实际应用中，需根据具体服役条件在硬度和韧性之间寻找最佳平衡点。这种平衡的确定，往往需要结合现场试验和服役性能验证，而非仅凭实验室数据。

此外，本文的研究也提示我们，等离子堆焊与退火处理的组合是一种有效的表面强化策略。等离子堆焊提供低稀释率的优质覆层，退火处理消除残余应力和改善组织均匀性，两者结合可充分发挥各自优势，获得综合性能优良的表面覆层。这种"表面工程+热处理"的协同策略，在当代表面强化技术中具有广泛的应用前景。