含WC陶瓷相電弧噴涂層耐磨粒磨損性能的研究.doc

含WC陶瓷相電弧噴涂層耐磨粒磨損性能的研究賀定勇,傅斌友,蔣建敏,李曉延,王智慧,栗卓摩擦學(xué)學(xué)報/每年工業(yè)領(lǐng)域50%的機械部件失效是由磨損引起的1,解決其有效途徑是在這些機器零部件表面制備一層抗固體粒子磨蝕涂層.WC粉末在室溫及540以下具有優(yōu)異的機械性能,如高的硬度、延展性及楊氏模量,采用Co或Ni等金屬作為粘結(jié)相材料,經(jīng)高溫?zé)Y(jié)或包覆處理形成硬質(zhì)合金粉末,用以制造耐熱性和耐磨性良好的硬質(zhì)合金制品或耐磨涂層.熱噴涂WC2Co、WC2Ni及納米喂料WC2Co金屬陶瓷涂層被廣泛用于許多領(lǐng)域210,特別是在耐磨粒磨損以及泥沙沖蝕磨損等領(lǐng)域.采用高速電弧噴涂含WC陶瓷粉末粉芯絲材制備涂層具有較高硬度和耐磨性11, 12,可以在煙道風(fēng)機葉片及泥漿泵等耐磨部件中使用.目前國內(nèi)外關(guān)于熱噴涂制備WC金屬陶瓷涂層的方法大多集中在超音速火焰噴涂(HVOF)、等離子噴涂及高速電弧噴涂方面,用普通電弧噴涂方法制備WC金屬陶瓷涂層的研究還少有報道.本文作者在熱噴涂粉芯絲材的粉芯中添加不同含量WC2CoNi等粉末,采用電弧噴涂方法制備含WC陶瓷相的金屬陶瓷涂層,對涂層的顯微組織和相組成進(jìn)行分析,研究涂層的耐磨粒磨損性能并對其磨損機理進(jìn)行初步探討.摘要:采用電弧噴涂含WC2CoNi金屬陶瓷粉末的粉芯絲材,在低碳鋼基體上制備鐵基復(fù)合涂層,采用MLS2225型濕砂橡膠輪磨損試驗機評價鐵基復(fù)合涂層的耐磨粒磨損性能,利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和X射線衍射儀對涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)、磨損表面及其相組成進(jìn)行分析.結(jié)果表明:含WC陶瓷相涂層的耐磨粒磨損性能較好,相對Q235鋼提高約9倍;當(dāng)粉芯中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于25%時,隨著WC含量增加,涂層的硬度和耐磨性增加;當(dāng)粉芯中WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過25%后,涂層的耐磨性有所下降;電弧噴涂含WC陶瓷相涂層的磨損機制主要為硬質(zhì)相的脆性剝離和輕微的塑性切削,在磨粒磨損條件下硬度較低的金屬基體先磨損,硬度較高的WC和Fe3B硬質(zhì)相起到阻止石英砂磨損的作用,從而降低了涂層的磨損.關(guān)鍵詞:電弧噴涂;粉芯絲材;碳化鎢;磨粒磨損1實驗部分1.1涂層試樣制備試驗采用JZY2250型電弧噴涂設(shè)備制備涂層.噴涂材料為自制Fe基粉芯絲材,直徑為2 mm.絲材外皮采用10. 0 mm0. 3 mm的304L不銹鋼帶,其化學(xué)成分分別為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),全文同): 0. 027%C,0. 36% S,i 1. 65%Mn, 0. 027% P, 0. 001% S, 18. 18%Cr, 8. 06% N,i余量為Fe.絲材粉芯的主要成分見表1.粉芯中WC212CoNi復(fù)合粉末粒度為0. 0380. 075 mm, Fe62鐵基自熔性合金粉末粒度處于0. 0450. 11 mm,其化學(xué)成分為: 4. 5%C, 40%Cr,1. 5% S,i 1. 8%B,Fe余量(均為北京礦冶研究總院產(chǎn)品).基體材料為Q235鋼,尺寸為57 mm25 mm5 mm,表面經(jīng)噴砂處理后噴涂厚1. 5 mm的涂層.電弧噴涂工藝參數(shù)為:電弧電壓2832 V,工作電流160200 A,壓縮空氣壓力0. 50. 6MPa,噴涂距離100200 mm.1.2涂層性能測試采用TH320型全洛氏硬度計測量試樣表面的洛氏硬度,試樣經(jīng)打磨、拋光,涂層厚度約1 mm.根據(jù)GB8640288規(guī)定,采用N標(biāo)尺(金剛石圓錐壓頭),總載荷441. 3N(HR45N),加載時間5 s,保荷時間3 s,每個試樣連續(xù)測定5個點,取其算術(shù)平均值.兩壓痕中心距離或任一壓痕中心距試樣邊緣的距離不小于3 mm.采用德國BRVKER/AXS公司產(chǎn)D8 ADVANCE型X射線衍射儀(XRD)對涂層成分和物相進(jìn)行分析,衍射條件為CuK靶, 40 kV和20 mA.試樣尺寸10 mm10 mm,涂層厚度1 mm.磨粒磨損試驗采用MLS2225型濕式橡膠輪磨粒磨損試驗機,為典型的三體磨粒磨損,磨粒(石英砂)在橡膠輪和試件表面流動從而引起磨損.試驗參數(shù)如下:橡膠輪轉(zhuǎn)速240 r/min、橡膠輪硬度60(邵爾硬度)、載荷100 N、磨料為0. 2120. 425 mm的石英砂、預(yù)磨1 000 r,磨損時間250 s,精磨2 000 r,磨損時間500 s.在試驗前后,將試件放入盛有丙酮溶液的燒杯中,在超聲波清洗儀中清洗35 min,干燥后用精度0. 1 mg的塞多利斯BS224S型電子天平稱量磨損前后的質(zhì)量損失,取3個試樣的平均值,并以此衡量材料的耐磨性能.同時采用Q235鋼作為對比,以對比件磨損質(zhì)量損失與測量件磨損質(zhì)量損失之比作為該配方的相對耐磨性.用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)觀察涂層表面及其磨痕表面形貌.2結(jié)果與討論2.1涂層的組織和性能圖1所示為3#涂層橫截面的顯微組織形貌照片.可見涂層呈典型的層狀組織結(jié)構(gòu).1#、2#和4#涂層的顯微組織與3#涂層大致相同,1#涂層中含有較多細(xì)小孔隙, 2#和3#涂層組織相對致密,涂層中孔隙較少,而4#涂層的孔隙較多,致密程度有所下降. 1#4#涂層的孔隙率分別為3. 63%、2. 72%、1. 63%和3. 22%.圖2所示為3#涂層的XRD圖譜.可見涂層主要由(Fe,Ni)、Ni2Cr2Fe、Fe3B和WC等物相構(gòu)成,同時還含有少量Fe3O4,這是由于電弧噴涂過程中弧區(qū)溫度較高、材料被氧化的結(jié)果. 1#、2#和4#涂層的XRD圖譜與3#涂層大致相同.表2為涂層的表面洛氏硬度及磨粒磨損測試結(jié)果.可見, 4種涂層的硬度隨著涂層中WC含量增加而逐漸升高,在WC含量不超過25%時,涂層的耐磨性隨WC含量增加而升高,當(dāng)WC含量超過25%時,涂層的耐磨性降低.涂層的耐磨性主要取決于涂層的致密性和相結(jié)構(gòu),隨著WC含量增加, FeCrNiB基體中出現(xiàn)大量塊狀WC顆粒,當(dāng)WC加入量大于25%時,涂層中孔隙增多,硬質(zhì)相與基體的錨固結(jié)合性能降低,在垂直于磨削方向出現(xiàn)微裂紋,不利于涂層耐磨性的提高.圖3所示為3#涂層組織形貌SEM照片及其局部能譜分析結(jié)果.結(jié)合XRD和EDS分析結(jié)果可見,SEM照片中的白色局部區(qū)域圖3(a)中A點為涂層內(nèi)部殘留的WC硬質(zhì)相,其成分為: 4. 68% C, 5.16%O, 1. 57%Cr, 0. 77%N,i 13. 64% Fe, 74. 18%W.黑色區(qū)域圖3(a)中B點為涂層基體相,其成分為: 1. 98% C, 3. 75% O, 10. 69% Cr, 4. 23% N,i 63.21%Fe, 6. 16%W, 9. 98%B.2.2磨損表面分析圖4所示為1#和2#涂層及Q235鋼磨損表面形貌SEM照片, 3#、4#涂層的磨損表面形貌與2#基本相同.可以看出,Q235鋼和1#涂層在硬質(zhì)磨粒的顯微切削下,在磨粒運動方向形成了深淺不等、寬窄不一的犁溝,表現(xiàn)出典型的塑性切削特征.Q235鋼基體硬度低、塑性好,很容易被石英砂切削剝落,因而涂層的磨損表面較為光滑. 1#涂層由于在絲材中添加的WC較少,涂層中只殘留少量WC硬質(zhì)相,并不能阻止石英砂磨粒對基體的切削,當(dāng)磨粒以銳角切削噴涂層時,切削溝槽兩側(cè)的金屬產(chǎn)生較大塑性變形,在其它磨粒反復(fù)作用下犁溝兩側(cè)皺狀隆起的金屬易形成碎片剝落,在噴涂層中形成大小不等的剝落坑.剝落主要發(fā)生在磨痕較嚴(yán)重的區(qū)域.同時基體在尺寸較大的硬質(zhì)磨粒作用下產(chǎn)生較大的塑性變形,有利于在表層形成高密度的位錯,在磨粒反復(fù)作用下,位錯堆集生成空穴,空穴聚集形成平行表面的裂紋,裂紋擴展產(chǎn)生磨屑碎片而成為剝離片.2#、3#和4#涂層中WC含量逐漸增多,殘留的WC硬質(zhì)相也相應(yīng)增多,且在噴涂過程中生成Fe3B硬質(zhì)相,涂層的磨損機制主要為硬質(zhì)相脆性剝落和輕微的塑性切削.在磨粒磨損條件下,一方面,由于涂層中硬度較低的金屬基體先磨損,露出硬度較高的WC和Fe3B硬質(zhì)相,基體對硬質(zhì)相的錨固作用下降,使高硬度WC、Fe3B硬質(zhì)相在石英砂切削下從基體剝離;另一方面,涂層中硬質(zhì)顆粒周邊由于存在顯微孔隙及氧化區(qū)域,涂層內(nèi)部相對疏松,磨損的孔隙中儲存的水在載荷的作用下產(chǎn)生很高壓力,使孔隙擴大、連接、最終使微孔周圍的涂層顆粒剝落,從而造成磨損.2#和3#涂層耐磨性較高的原因是: (1)涂層中錨固著許多WC和Fe3B硬質(zhì)相,在磨粒磨損過程中能起到阻擋犁削擴展的作用,致使磨痕在硬質(zhì)相處中斷; (2)涂層基體FeCrNiB中彌散分布的WC和Fe3B硬質(zhì)點使基體產(chǎn)生彌散強化,硬質(zhì)相增多必然使涂層中的晶界增多,基體產(chǎn)生晶界強化,這些強化作用使涂層表面的洛氏硬度隨WC和Fe3B硬質(zhì)相含量增加而增大,從而提高了基體承受和抵抗硬質(zhì)磨粒的顯微切削作用及減小反復(fù)推擠的塑性變形.隨著WC和Fe3B硬質(zhì)點增多,磨損表面趨于光滑,只有硬質(zhì)相剝落坑,未出現(xiàn)因塑性切削出現(xiàn)的犁溝.由于4#涂層中殘留WC硬質(zhì)相太多,孔隙率增大,基體的強韌性也因脆性相增加而降低.在硬質(zhì)磨粒作用下,微裂紋在塊狀硬質(zhì)相與基體錨固結(jié)合處產(chǎn)生和擴展,當(dāng)微裂紋長度超過基體斷裂強度的臨界尺寸時形成磨屑碎片和剝落坑.此外,隨著WC含量增加,噴涂過程中未熔的WC顆粒增多,受基體的錨固作用逐漸下降,在銳角硬質(zhì)磨粒的反復(fù)推擠下容易產(chǎn)生破裂而脫離基體.3結(jié)論a.在磨粒磨損條件下,含WC陶瓷相涂層的耐磨粒磨損性能較好,相對Q235鋼提高約9倍;在WC含量不超過25%時,隨著WC含量增加