0 引 言

热处理能够改善热喷涂涂层的组织结构、力学性能及耐磨损性能^[1,2,3,4]。目前业内对涂层热处理后性能影响的研究较多^{[3,4,5,6,7,8,9,10]}。Lenling等^[5]研究发现，对WC基涂层进行后热处理会增加涂层的残余压应力；但是Stewart等^[6]研究发现热处理将减小涂层中的残余压缩应力；朱子新等^[7]研究发现，热处理可以提高电弧喷涂铁铝金属间化合物涂层的显微硬度，有利于提高涂层的耐磨损性能。Sh. Khameneh Asl^[3]等人研究了热处理对HVOF喷涂WC-Co涂层耐磨性的影响，结果表明，随着热处理温度的升高，涂层的磨损失重逐渐增加，涂层的磨损磨损机理从微切削逐渐变为刨削磨损。B.G. Seong^[8]研究了热处理对NiCrBSi+WC-Co涂层性能的影响，研究结果表明，随着热处理温度的升高和保温时间的增加，涂层的硬度和耐磨损性能逐步降低。

从以上文献结果来看，热处理对不同涂层性能的影响并不一致，且目前针对热处理对铁基TiC复合涂层影响的研究尚未报道。文中采用电弧喷涂技术在低碳钢Q235基体上制备铁基TiC复合涂层，研究了热处理对电弧喷涂铁基TiC复合涂层组织和耐磨性的影响^[11]。

1 材料与方法 1.1 涂层制备^[12]

采用 Φ 2.0 mm的粉芯丝材制备铁基陶瓷复合涂层，粉芯丝材的外皮选用304不锈钢带，规格为10 mm×0.4 mm，化学成分见表 1。主要填充粉末为TiC陶瓷粉末、硼铁及少量金属铬粉等，其化学成分见表 2，填充比为30%左右。

采用JZY-250型电弧喷涂系统进行喷涂。基体材料选用尺寸为57 mm×25 mm×5 mm的Q235钢板。 在喷涂前用棕刚玉进行表面喷砂处理。喷涂工艺参数为：电流180~200 A，电压28~32 V，压缩空气压力＞0.55 MPa，喷涂距离150~200 mm。涂层厚度约为1.0~1.5 mm。

1.2 磨粒磨损试验

对涂层在箱式电阻炉中进行400、500、600、700和800 ℃的热处理，保温2 h。然后在MLS-225型湿砂橡胶轮式磨损试验机(河北宣化产)上进行磨粒磨损试验，磨料为212～380 μm(40～70目) 的石英砂，砂浆比例为1 000 g(水)∶1 500 g(砂)，试验参数见表 3。

材料的耐磨性能用磨损的失重质量来衡量。先预磨1 000 r，再正式磨1 000 r。在磨损试验前后，将试件放入盛有丙酮的烧杯中超声清洗5 min，干燥后用精度0.1 mg的塞多利斯BS224S电子天平秤量。取3个试样的平均值来衡量涂层的耐磨性。磨粒磨损试验后，在磨痕中部切开取出约5 mm×5 mm的小块，在扫描电镜下观察磨粒磨损过程中留下的磨痕。

1.3 性能测试

用装配EDS附件的FEI Quanta 200型扫描电子显微镜(SEM)观察分析涂层的组织形貌及磨痕形貌。用D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)分析涂层的相组成，并在HXD-1000型数字式显微硬度计上测定涂层的显微硬度，试验所加载荷为100 N，加载15 s，测10个点，取平均值。

2 试验结果分析 2.1 显微组织

图 1是喷涂态、500 ℃和800 ℃热处理后涂层的截面形貌，所有涂层都显示出典型的层状结构特征，涂层组织致密。和喷涂态相比，热处理后涂层的层状结构更为细长，涂层中灰色物相(氧化物项)含量有了一定的提高，而黑色物相逐渐减少。

涂层经不同温度热处理后的EDS分析结果见表 4，可以看出，随着热处理温度的升高，涂层中的氧含量有一定的增加但没有呈现持续增加。这是由于涂层组织和成分的不均匀性，导致各区域的分析结果有所差异。图 2为不同温度热处理后涂层的衍射图谱。

图 1 热处理前后的铁基TiC涂层截面形貌 Fig. 1 Cross section morphologies of the Fe-TiC before and after heat treatment

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图 2 热处理前后Fe-TiC涂层的XRD图谱Fig. 2 XRD patterns of the Fe-TiC composite coatings before and after heat treatment

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可以看出，热处理后涂层中的主要相仍然是(Fe,Ni)、Ni-Cr-Fe、Fe-Cr、Fe、Cr、TiC等，随着热处理温度的升高，涂层中NiCr₂O₄、FeCr₂O₄、Fe₃O₄和Fe_2.75Ti_0.25O₄等氧化物相明显增加。综上分析表明，热处理后涂层的组织形貌和相组成与喷涂态相比有明显的变化。

2.2 显微硬度

图 3是不同温度热处理后涂层的显微硬度。 与喷涂态涂层相比，热处理后涂层的显微硬度有不同程度的升高，在400 ℃热处理后达到最大值。

图 3 热处理前后Fe-TiC涂层的显微硬度Fig. 3 Microhardness of the Fe-TiC composite coatings before and after heat treatment

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热喷涂是一个动态、非平衡的快速冶金过程，致使形成涂层内部的合金化严重不均匀，而热处理加剧涂层原子间扩散，使涂层中合金的合化、成分、组织的均匀化有所提高，同时降低了涂层内应力水平和孔隙率，涂层致密均匀化，从而提高了涂层的显微硬度，当热处理温度到400 ℃时，涂层的硬度达到最高值约1 227 HV_0.1。随着热处理温度的提高，涂层中铁、镍等氧化物层会逐渐加厚、当厚度超过一定值时所形成的氧化物层由于膨胀而产生过大的压力，使涂层内某些局部结构破坏而导致疏松、反而使钳紧作用减小，使涂层的硬度降低，在600 ℃热处理后达到低谷(约1 032 HV_0.1)，继续增加热处理温度，涂层中少量的不稳定、疏松的氧化物(如FeO等)被再次氧化成稳定、致密性高的氧化物(Fe₃O₄等)，从而使涂层的硬度又开始回升。

2.3 磨损性能

图 4是涂层热处理前后涂层的磨损失重。可以看出，500 ℃热处理后的涂层具有最小的磨损失重或者说具有最好的耐磨粒磨损性能。

热处理使涂层中合金的成分、组织的均匀化有所提高，同时可以使涂层内残余应力松弛，涂层致密均匀化，适当降低气孔率^[13]。由于氧化作用，涂层中FeCr₂O₄、NiCr₂O₄、Fe_2.75Ti_0.25O₄、Fe₃O₄等氧化物增多。产生的氧化物大多为铁的氧化物，而铁的氧化物为膨胀型氧化物，其比容积远大于铁，它的膨胀会对周围的陶瓷微粒施加压应力，因而产生钳紧作用，使涂层的致密度有所提高。这都将有利于涂层耐磨损性能，当热处理温度在500 ℃时，涂层的均匀化和氧化物产生的钳紧作用达到最佳组合，使得涂层表现出最好的耐磨性。值得注意的是，并非热处理温度越高、保温时间越长，就越利于提高涂层的硬度和耐磨性。提高热处理温度和延长保温时间，铁的氧化物层会逐渐加厚，当厚度超过一定值时，所形成的氧化物层膨胀而产生过大的压力，使涂层内某些局部结构破坏而导致疏松、反而使钳紧作用减小，这均不利于涂层的耐磨损性能。

图 4 热处理前后Fe-TiC涂层的磨损失重Fig. 4 Weight loss of the the Fe-TiC composite coatings before and after heat treatment

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图 5(a)是喷涂态涂层的磨痕形貌，可以看出，涂层的磨损为犁沟切削和脆性脱落。图 5(b)(c)分别为涂层经过500 ℃和800 ℃热处理后的磨痕形貌，说明随着热处理温度的增加，涂层磨损逐步转化为以脆性脱落为主。

图 5 热处理前后Fe-TiC涂层的磨损形貌Fig. 5 Wear track morphologies of the the Fe-TiC composite coatings before and after heat treatment

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图 6为Ti在涂层中的分布结果。喷涂态涂层磨痕表面有明显的犁沟特征，即存在微观切削过程。不锈钢基体硬度较高(约700～900 HV_0.1)，同时基体中均匀弥散分布着一定量的TiC、Ti_0.98C等硬质相，使整个涂层得到了弥散强化，在点接触下不能产生明显脆性脱落，而高硬度基体与硬质相的共存构成了一个良好的承载系统。在磨粒磨损过程中，硬质相颗粒将阻止基体犁沟切削的进行，使得犁沟随时中断，而硬质相比较脆，在磨料的不断冲击作用下将从基体脱落或者产生脆断，从而减轻了涂层的磨损，提高了涂层的整体耐磨损性能，其磨损机理为犁沟切削和脆性脱落。

图 6 喷涂态涂层的表面形貌及Ti元素分布面扫描结果Fig. 6 Surface morphology of as-sprayed Fe-TiC composite coating and area scan result of Ti

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热处理对涂层的组织结构、相组成和硬度的影响也使涂层的磨损机理发生变化，随着热处理温度的提高，涂层产生大量氧化物，氧化物层膨胀而产生过大的压力，使涂层内某些局部结构破坏而导致疏松，破坏了涂层原有的承载系统，在磨粒磨损的作用下，更多的表现为脆性脱落，逐步使涂层的磨损由犁沟切削和脆性脱落转化为以脆性脱落为主。

3 结 论

(1) 热处理对Fe-TiC复合涂层的组织、硬度和耐磨性有显著影响。

(2) 500~700 ℃热处理能够改善电弧喷涂铁基TiC涂层的耐磨性。

(3) 随着热处理温度的增加，涂层中氧化相含量不断增加，涂层的磨损机理由犁沟切削和脆性脱落逐步转化为以脆性脱落为主。