轻轨建筑钢结构的表面防护与性能研究_石圆圆.pdf

Plating and FinishingMar.2023Vol.45 No.3 Serial No.360轻轨建筑钢结构的表面防护与性能研究石圆圆1*，罗玉凤2 （1.长春建筑学院 建筑与规划学院，吉林 长春 130607；2.吉林大学 材料科学与工程学院，吉林 长春130012）摘要：对轻轨钢结构用Q345钢进行了表面激光熔覆，对比分析了GH 625熔覆层和添加不同含量WC和TiN熔覆层的显微形貌、物相组成、拉伸性能、电化学性能和耐磨性能。结果表明，GH625熔覆层的物相主要为-Ni、FeNi3、M23C6和NbC；熔覆层中WC含量增加至10%及以上时，熔覆层中还出现了WC、W2C、M6C相；5%TiN和10%TiN熔覆层的物相为-Ni、FeNi3、TiN、NbC和M23C6相。在GH625中添加一定含量的WC或者TiN后可以抑制晶粒长大和熔覆层中Laves相的形成。WC熔覆层和TiN熔覆层的耐腐蚀性能都优于Q345钢和GH625熔覆层，且15%WC熔覆层的耐腐蚀性能最好；Q345 和熔覆层的磨损失重从小至大顺序为：15%WC5%TiN20%WC10%WC10%TiN 5%WCGH625Q345，熔覆层的耐磨性能都优于Q345钢，且15%WC熔覆层耐磨性能最佳，磨损机制为黏着磨损和轻微磨粒磨损。关键词：激光熔覆；WC；TiN；微观结构；摩擦磨损；腐蚀中图分类号：TG174.4文献标识码：AStudy on surface protection and properties of light rail building steel structureShi Yuanyuan1*，Luo Yufeng2（1.School of Architecture and Planning，Changchun University of Architecture and Civil Enginneering，Changchun 130607，China；2.School of Materials Science and Engineering，Jilin University，Changchun 130012，China）Abstract：The surface laser cladding of Q345 steel for light rail steel structure was carried out.The microstructure，phase composition，tensile properties，electrochemical properties and wear resistance of GH 625 cladding layer and cladding layers with different content of WC and TiN were compared and analyzed.The results show that the main phase of the GH625 cladding layer is-Ni，FeNi3，M23C6 and NbC；when the WC content in the cladding layers increases to 10%or more，WC，W2C and M6C phases also appear in the cladding layers；the phase of 5%TiN and 10%TiN cladding layers is-Ni，FeNi3，TiN，NbC and M23C6.Adding a certain amount of WC or TiN to GH625 can inhibit the grain growth and the formation of Laves phase in the cladding layers.The corrosion resistance of WC cladding layers and TiN cladding layers is better than those of Q345 steel and GH625 cladding layer，and the corrosion resistance of 15%WC cladding layer is the best；the order of wear losses of Q345 and cladding layers from small to large are：15%WC 5%TiN 20%WC 10%WC 10%TiN 5%WC GH625 10%WC20%WC%WC5%TiN10%TiN GH625Q345，腐蚀电流密度从小至 大 顺 序 为 15%WC10%WC20%WC5%WC5%TiN10%TiN GH625Q345。腐蚀电位和腐蚀电流密度分别是热力学参数和动力学参数，可分别表征材料的腐蚀倾向和腐蚀速率，腐蚀电位越正腐蚀倾向越小、腐蚀电流密度越大腐蚀速率越快13-14，由此可见，WC熔覆层和TiN熔覆层的耐腐蚀性能都优于Q345钢和GH625熔覆层，且15%WC熔覆层的耐腐蚀性能最好。究其原因，这主要与 WC 或者TiN的加入可以抑制熔覆层中有害Laves相的析出有 关15，但 是 过 多 的 WC（20%WC）或 者 TiN（10%TiN）的加入会在熔覆层中产生尺寸较大的块状 WC/W2C 相或更多的与 GH625 润湿性较差的TiN16，熔覆层的耐腐蚀性能会有所降低。图6为Q345钢与表面熔覆层的摩擦系数曲线。在磨合阶段，Q345钢和熔覆层试样的摩擦数曲线都存在不同程度的波动，而在磨损时间达到15 min以上时，各试样才逐渐进入稳定磨损阶段；Q345钢和GH625熔覆层试样的摩擦系数分别稳定在 0.52和0.63，WC熔覆层试样的摩擦系数均值都相对Q345表3图4中对应位置的能谱分析结果Tab.3Energy spectrum analysis of corresponding position in Fig.4区域位置A位置B位置C位置D元素质量分数/%C1.3718.6322.320.95Mn2.101.040.420.33Cr18.3834.592.260.81Mo10.614.270.630.05Ni40.4315.243.532.42Nb22.5724.991.481.34Fe4.541.240.950.58N44.46W68.41Ti49.06（a）基材与WC涂层（b）基材与TiN涂层图5Q345钢与表面熔覆层的阳极极化曲线Fig.5Anodic polarization curves of Q345 steel and surface cladding layers64第 45 卷 第 3 期（总第 360 期）2023 年3 月电 镀 与 精 饰钢较高且更为稳定，WC 含量为 5%、10%、15%和20%时对应熔覆层试样的摩擦系数均值分别为0.69、0.79、0.53 和 0.74。从 TiN 熔覆层摩擦系数曲线可见，5%TiN和10%TiN熔覆层的摩擦系数均值分别为0.50和0.64，且摩擦系数曲线相对Q345钢和GH625熔覆层更加稳定。图 7 为 Q345 钢与表面熔覆层的磨损失重。Q345钢和GH625熔覆层的磨损失重分别为58.9 mg和 31.8 mg，可见，GH625 熔覆层的耐磨性能相对Q345钢有明显提高；添加不同含量WC后，熔覆层的磨损失重相较Q345钢和GH625熔覆层都有明显减小，磨损失重从小至大顺序为：15%WC20%WC10%WC 5%WCGH625Q345，这主要是因为添加WC的熔覆层中有更多的硬质相，可以更好地抵抗磨损17-18，但是如果WC添加量过大，熔覆层中未溶WC的增多以及尺寸更大的块状WC/W2C相的存在会增加第二相脱落几率，相应地磨损失重反而增大；5%TiN和10%TiN熔覆层的磨损失重也明显小于Q345钢和GH625熔覆层，且磨损失重从小至大顺序为：5%TiN10%TiNGH625Q345，熔覆层中TiN和碳化物的存在以及更少的Laves相，会使得熔覆层耐磨性优于Q345钢和GH625熔覆层，但是过多的TiN会增加熔覆层中第二相脱落几率19，相应地磨损失重会有所增大。图 8 为 Q345 钢与表面熔覆层的磨损形貌。Q345钢表面可见较深的梨沟，GH625熔覆层表面可见颗粒梨削产生的梨沟、局部磨损变形产生的剥落碎片和边缘处裂纹，磨损机制为黏着磨损+少量磨粒磨损；5%WC和10%WC熔覆层的磨损形貌中仍然可见梨沟和剥落碎片，且梨沟相对 Q345 钢和表4Q345钢与表面熔覆层的电化学参数Tab.4Electrochemical parameters of Q345 steel and surface cladding layers试样Ecorr/VJ/（10-5Acm-2）Q3451.05625.322GH6250.9835.5595%WC0.9384.85710%WC0.9254.02815%WC0.8692.94520%WC0.9274.6245%TiN0.9514.92010%TiN0.9635.372（a）WC熔覆层（b）TiN熔覆层图6Q345钢与表面熔覆层的摩擦系数曲线Fig.6Friction coefficient curves of Q345 steel and surface cladding layers图7Q345钢与表面熔覆层的磨损失重Fig.7Wear weight losses of Q345 steel and surface cladding layers65Vol.45 No.3 Serial No.360Plating and FinishingMar.2023GH625熔覆层表面更浅，局部存在堆积现象，磨损机制为黏着磨损+轻微磨粒磨损；15%WC熔覆层表面仅可见较浅梨沟和剥落碎片，磨损程度相较其他熔覆层较轻，磨损机制为黏着磨损+轻微磨粒磨损；20%WC 熔覆层表面除可见较浅梨沟和剥落碎片外，还可见磨粒磨损产生的局部裂纹，磨损机制为黏着磨损+严重磨粒磨损。5%TiN熔覆层表面可见较浅的梨沟和剥落碎片（磨粒磨损为主），10%TiN熔覆层中还可见塑性变形产生的堆积现象（黏着磨损为主），耐磨性能相对5%TiN熔覆层较差20。Q345钢与表面熔覆层的磨损形貌观察结果与图7的磨损失重测试结果相吻合。3结 论（1）GH625 熔覆层的物相主要为-Ni、FeNi3、M23C6和 NbC；添加 10%WC 和 15%WC 熔覆层中还出现了WC、W2C和M6C相；添加5%TiN和10%TiN熔覆层新出现了TiN相。（2）GH625中第二相面积分数约为4.59%，加入WC或TiN后可以抑制熔覆层中第二相的形成，长条状Laves相明显减少；5%WC、10%WC、15%WC、15%WC、5%Ti和10%TiN熔覆层中第二相面积分数分 别 为 3.69%、3.87%、2.03%、2.82%、1.79%和1.54%。（3）熔覆层试样的腐蚀电位修相较Q345钢发生正向移动，腐蚀电流密度减小；WC熔覆层和TiN熔 100 m（a）Q345 100 m（d）10%WC 100 m（g）5%TiN 100 m（b）GH625 100 m（e）15%WC 100 m（h）10%TiN 100 m（c）5%WC 100 m（f）20%WC图8Q345钢与表面熔覆层的磨损形貌Fig.8Wear morphologies of Q345 steel and surface cladding layers66第 45 卷 第 3 期（总第 360 期）2023 年3 月电 镀 与 精 饰覆层的耐腐蚀性能都优于 Q345 钢和 GH625 熔覆层，且15%WC熔覆层的耐腐蚀性能最好。WC熔覆层的磨损失重较Q345钢和GH625熔覆层