wc顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合涂層的制備與性能研究

wc顆粒增強(qiáng)耐磨復(fù)合涂層的制備與性能研究

高能耗冠層覆蓋是提高金屬性能的有效手段。近年來(lái)，它取得了迅速的發(fā)展。激光熔覆、離子弧熔覆等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于表面涂層的制備。然而，這些設(shè)備成本高、操作復(fù)雜、在應(yīng)用上有很大的限制。相比較以上方法,氬弧熔覆技術(shù)同樣可以有效地提高熔覆材料表面硬度,改善材料表面耐磨性,而且具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低、操作方便、結(jié)合牢固等優(yōu)點(diǎn)。作為熔覆材料,硬度、熔點(diǎn)高的SiC、WC、TiC等是研究的熱點(diǎn),一般研究都將其與Ni、Co等材料配合使用。WC與Fe金屬有良好的潤(rùn)濕性,因此,Fe完全可以作為粘結(jié)相代替Ni、Co。本試驗(yàn)選用氬弧熔覆技術(shù),在45鋼表面熔覆WC粉末,并對(duì)組織性能進(jìn)行分析,希望為其在耐磨材料領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。1試驗(yàn)材料和方法1.1表面制備及清洗以45鋼為基材,制成50mm×30mm×8mm試塊,表面用砂紙打磨,用無(wú)水酒精及丙酮清洗。熔覆材料為顆徑6～7μm的WC粉末,形貌見(jiàn)圖1。1.2物相組織與磨損試驗(yàn)用自制有機(jī)粘合劑將熔覆合金粉粘結(jié)成糊狀,預(yù)涂在經(jīng)過(guò)處理后的試塊上,厚度約為0.2～0.3mm,然后在干燥箱中自然干燥。對(duì)制得涂層采用氬弧熔覆方法(GTAW),直流正接進(jìn)行搭接燒熔,工藝參數(shù)見(jiàn)表1。熔覆完成后,用石棉包裹,并放入保溫爐隨爐冷卻。金相試樣制樣后,用MM6大型金相顯微鏡進(jìn)行顯微組織分析,觀察熔覆層界面結(jié)合狀況;用MH3型顯微硬度計(jì)測(cè)量熔覆層硬度以及熔覆層與基體結(jié)合區(qū)附近硬度梯度,載荷為100g,加載時(shí)間為10s;用D/max-RB型X射線衍射儀(XRD)結(jié)合能譜分析儀對(duì)涂層進(jìn)行物相鑒定;在MM-200型環(huán)-塊磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn),試樣尺寸為8mm×8mm×30mm,對(duì)磨環(huán)為45號(hào)鋼(48～53HRC,Ra=1.6),磨環(huán)尺寸為Ф40mm×10mm。摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間為60min,載荷300N,運(yùn)動(dòng)線速度為0.418m/s;采用室溫干滑動(dòng)摩擦磨損方式。試驗(yàn)前后將試樣清洗干凈,用精度為0.001g的電子天平稱(chēng)量試樣,并計(jì)算質(zhì)量損失;用FEI-Sirion200型場(chǎng)發(fā)射SEM觀察試樣摩擦磨損表面形貌。2試驗(yàn)結(jié)果與分析2.1涂層組分結(jié)構(gòu)圖2為氬弧熔覆WC增強(qiáng)涂層橫截面的顯微組織,可以看出熔覆層組織呈現(xiàn)出垂直于結(jié)合界面逆熱擴(kuò)散方向生長(zhǎng)的特點(diǎn),具有典型的定向凝固特征,熔覆層底部的枝晶有明顯的向基體伸展特征。過(guò)渡區(qū)無(wú)明顯氣孔和裂紋等缺陷,涂層和基體的結(jié)合為完全的冶金結(jié)合?？拷^(guò)渡區(qū)的地方為垂直于結(jié)合界面的平面晶和胞狀晶,熔覆區(qū)中部為樹(shù)枝晶。通過(guò)SEM(圖3)可以看出熔覆層中有大量彌散分布的島狀物或不規(guī)則顆粒存在,還有一些枝晶結(jié)成的網(wǎng)絡(luò)狀組織,可以看出W、Fe、C元素的分布情況,結(jié)合表2和XRD圖譜(圖4)分析可知:熔覆層中上述彌散分布的島狀物或不規(guī)則顆粒為WC,網(wǎng)絡(luò)狀組織主要為Fe-W-C三元化合物;復(fù)合涂層的主要組成相為WC、Fe(W)固溶體、Fe3W3C三元化合物,還有很少量Fe6W6C存在;按照W-Fe-C相圖并結(jié)合XRD圖譜,主要組織為α-Fe(W)+WC+M6C(Fe3W3C)。2.2wc顆粒的形成從圖1、圖3可以看出,一些尺寸較大的WC顆粒在熔覆時(shí),發(fā)生球化現(xiàn)象,這些輕度的燒損不影響WC的高硬度。在1250℃時(shí),WC在γ-Fe中的最大溶解度約為7%,不規(guī)則WC顆粒尖角處和一些尺寸較小的WC顆粒在熔覆過(guò)程中熔解。由于氬弧攪拌及重力作用,W、C發(fā)生成分的重新分布,在熔池局部產(chǎn)生W或C的富集,在富W的地方,W與Fe形成Fe(W)固溶體合金,富C區(qū)中剩余的少量C會(huì)與Fe、W結(jié)合形成復(fù)雜碳化物或固溶于Fe中。從XRD圖譜(圖4)可以看出α-Fe峰向小角度偏移,可以印證是少量W固溶入α-Fe形成α-Fe(W)固溶體。由于氬弧加熱時(shí)間短,留給各元素?cái)U(kuò)散的時(shí)間不多,隨后在冷卻過(guò)程中,W可能會(huì)以W2C形式析出,也可能以WC形式原位析出,或形成復(fù)雜的復(fù)式碳化物;還有部分WC顆?；颈３至嗽挤哿系臓顟B(tài)。WC顆粒的存在可以大大提高凝固過(guò)程的形核率,有效阻止了晶粒的長(zhǎng)大,對(duì)熔覆層有明顯的細(xì)化晶粒作用;另外WC顆粒熔化并隨后在原位析出形成的碳化物也有利于形成新晶核,阻止α-Fe枝晶長(zhǎng)大,因而對(duì)細(xì)化組織有利。2.3顯微硬度分布圖3(a)涂層組織中的WC顆粒,硬度為1277.1HV0.1,外部黑色區(qū)域硬度為937.3HV0.1。試樣截面的顯微硬度分布曲線如圖5所示,涂層硬度呈明顯階梯分布。涂層表面硬度最高,在基體區(qū)顯微硬度最低,中間存在過(guò)渡區(qū),梯度分布良好,隨著與表層距離的增加,硬度逐漸降低。表層的高硬度值來(lái)源于WC、W2C硬質(zhì)相的強(qiáng)化作用以及呈彌散分布的細(xì)小顆粒狀的碳化物的彌散強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用。過(guò)渡區(qū)硬度變化較為平緩,但高于基體,這是由于此區(qū)溶入的W、C等合金元素起到了固溶強(qiáng)化作用。2.4層的磨損性能和機(jī)理分析2.4.1wc顆粒磨損試驗(yàn)基體與熔覆層磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6可知,熔覆層的耐磨性明顯優(yōu)于基體45鋼,其磨損量是基體磨損量的1/6。圖7為試樣摩擦磨損特性曲線,可以看出磨損試驗(yàn)初期磨損量快速增加,隨著時(shí)間的延長(zhǎng)磨損量逐漸減小,到45min時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段,磨損量隨時(shí)間延長(zhǎng)增加緩慢。圖8為SEM觀察到的磨損試驗(yàn)1h后的熔覆層表面形貌(磨損試驗(yàn)前的熔覆層形貌見(jiàn)圖3),可以看出WC顆粒的磨損痕跡,大部分顆粒被磨損減薄,有的顆粒甚至被磨穿,還可以看到有的WC大顆粒破碎成小顆粒。圖中并未觀察到明顯的WC顆粒脫落現(xiàn)象。2.4.2wc顆粒的防護(hù)作用由于熔覆層組織致密,且粘結(jié)相韌性較好,顆粒和基體結(jié)合良好,在磨損后沒(méi)有出現(xiàn)大量邊界上碳化物顆粒的脫落和折斷,因此磨損量較小。熔覆層在接觸磨料初期切削現(xiàn)象較嚴(yán)重,相對(duì)較軟的表層基體很快被磨損而凹下,從而使WC顆粒逐漸露出、凸起。由于硬度高的WC顆粒存在,硬質(zhì)相有效的抵御對(duì)磨環(huán)微凸體的切削作用,起到保護(hù)熔覆層基體的作用,此時(shí)磨損速率相對(duì)較低。在不發(fā)生硬質(zhì)顆粒剝落的前提下,只有當(dāng)WC顆粒慢慢磨損到與熔覆層基體再一次相平的時(shí)候,基體才會(huì)重新開(kāi)始磨損。部分突出的WC顆粒在持續(xù)的磨粒碾壓沖擊下發(fā)生破碎而失效。熔覆層中硬質(zhì)相的存在不僅可以使熔覆層總體硬度提高,提高其耐磨性能,并且彌散分布的WC顆粒還起到保護(hù)基體的作用,使磨塊微凸體難以有效壓入進(jìn)行顯微切削,同時(shí)韌性較好的基體也為硬質(zhì)相提供足夠的支撐力。如前所述,磨損試驗(yàn)1h后的熔覆層表面形貌照片中并未出現(xiàn)明顯的WC顆粒脫落現(xiàn)象,而WC顆粒上有明顯的被磨損減薄痕跡,表明WC顆粒與基體合金結(jié)合良好,熔覆層的磨損失重是以對(duì)基體和WC顆粒犁削,而不是以WC顆粒的脫落及連同基體的塊狀剝落來(lái)實(shí)現(xiàn)的,這使得熔覆層中WC顆粒的抗磨減摩作用可得到充分發(fā)揮,合金因此具有明顯優(yōu)于基底合金的耐磨性。3熔覆層的顯微加工1)采用氬弧熔覆工藝在45鋼基體上制備出WC顆粒增強(qiáng)的復(fù)合涂層。氬弧熔覆過(guò)程中,部分WC顆粒熔解并溶入基體,熔覆層枝晶間組織形貌發(fā)生變化,未熔的WC呈顆粒狀彌散分布于熔覆層中。涂層與基體結(jié)合良好。2)熔覆層的顯微硬度分布呈梯度變化,表層最高,過(guò)渡區(qū)硬度也高于基體。熔覆層的耐磨性明顯優(yōu)于基體45鋼,大約是基體耐磨性的6倍。3)熔覆層的強(qiáng)化機(jī)制