wc颗粒增强耐磨复合涂层的制备与性能研究

wc颗粒增强耐磨复合涂层的制备与性能研究

高能耗冠层覆盖是提高金属性能的有效手段。近年来，它取得了迅速的发展。激光熔覆、离子弧熔覆等技术已经应用于表面涂层的制备。然而，这些设备成本高、操作复杂、在应用上有很大的限制。相比较以上方法,氩弧熔覆技术同样可以有效地提高熔覆材料表面硬度,改善材料表面耐磨性,而且具有投资和运行费用低、操作方便、结合牢固等优点。作为熔覆材料,硬度、熔点高的SiC、WC、TiC等是研究的热点,一般研究都将其与Ni、Co等材料配合使用。WC与Fe金属有良好的润湿性,因此,Fe完全可以作为粘结相代替Ni、Co。本试验选用氩弧熔覆技术,在45钢表面熔覆WC粉末,并对组织性能进行分析,希望为其在耐磨材料领域的应用提供参考。1试验材料和方法1.1表面制备及清洗以45钢为基材,制成50mm×30mm×8mm试块,表面用砂纸打磨,用无水酒精及丙酮清洗。熔覆材料为颗径6～7μm的WC粉末,形貌见图1。1.2物相组织与磨损试验用自制有机粘合剂将熔覆合金粉粘结成糊状,预涂在经过处理后的试块上,厚度约为0.2～0.3mm,然后在干燥箱中自然干燥。对制得涂层采用氩弧熔覆方法(GTAW),直流正接进行搭接烧熔,工艺参数见表1。熔覆完成后,用石棉包裹,并放入保温炉随炉冷却。金相试样制样后,用MM6大型金相显微镜进行显微组织分析,观察熔覆层界面结合状况;用MH3型显微硬度计测量熔覆层硬度以及熔覆层与基体结合区附近硬度梯度,载荷为100g,加载时间为10s;用D/max-RB型X射线衍射仪(XRD)结合能谱分析仪对涂层进行物相鉴定;在MM-200型环-块磨损试验机上进行磨损实验,试样尺寸为8mm×8mm×30mm,对磨环为45号钢(48～53HRC,Ra=1.6),磨环尺寸为Ф40mm×10mm。摩擦磨损试验时间为60min,载荷300N,运动线速度为0.418m/s;采用室温干滑动摩擦磨损方式。试验前后将试样清洗干净,用精度为0.001g的电子天平称量试样,并计算质量损失;用FEI-Sirion200型场发射SEM观察试样摩擦磨损表面形貌。2试验结果与分析2.1涂层组分结构图2为氩弧熔覆WC增强涂层横截面的显微组织,可以看出熔覆层组织呈现出垂直于结合界面逆热扩散方向生长的特点,具有典型的定向凝固特征,熔覆层底部的枝晶有明显的向基体伸展特征。过渡区无明显气孔和裂纹等缺陷,涂层和基体的结合为完全的冶金结合。靠近过渡区的地方为垂直于结合界面的平面晶和胞状晶,熔覆区中部为树枝晶。通过SEM(图3)可以看出熔覆层中有大量弥散分布的岛状物或不规则颗粒存在,还有一些枝晶结成的网络状组织,可以看出W、Fe、C元素的分布情况,结合表2和XRD图谱(图4)分析可知:熔覆层中上述弥散分布的岛状物或不规则颗粒为WC,网络状组织主要为Fe-W-C三元化合物;复合涂层的主要组成相为WC、Fe(W)固溶体、Fe3W3C三元化合物,还有很少量Fe6W6C存在;按照W-Fe-C相图并结合XRD图谱,主要组织为α-Fe(W)+WC+M6C(Fe3W3C)。2.2wc颗粒的形成从图1、图3可以看出,一些尺寸较大的WC颗粒在熔覆时,发生球化现象,这些轻度的烧损不影响WC的高硬度。在1250℃时,WC在γ-Fe中的最大溶解度约为7%,不规则WC颗粒尖角处和一些尺寸较小的WC颗粒在熔覆过程中熔解。由于氩弧搅拌及重力作用,W、C发生成分的重新分布,在熔池局部产生W或C的富集,在富W的地方,W与Fe形成Fe(W)固溶体合金,富C区中剩余的少量C会与Fe、W结合形成复杂碳化物或固溶于Fe中。从XRD图谱(图4)可以看出α-Fe峰向小角度偏移,可以印证是少量W固溶入α-Fe形成α-Fe(W)固溶体。由于氩弧加热时间短,留给各元素扩散的时间不多,随后在冷却过程中,W可能会以W2C形式析出,也可能以WC形式原位析出,或形成复杂的复式碳化物;还有部分WC颗粒基本保持了原始粉料的状态。WC颗粒的存在可以大大提高凝固过程的形核率,有效阻止了晶粒的长大,对熔覆层有明显的细化晶粒作用;另外WC颗粒熔化并随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枝晶长大,因而对细化组织有利。2.3显微硬度分布图3(a)涂层组织中的WC颗粒,硬度为1277.1HV0.1,外部黑色区域硬度为937.3HV0.1。试样截面的显微硬度分布曲线如图5所示,涂层硬度呈明显阶梯分布。涂层表面硬度最高,在基体区显微硬度最低,中间存在过渡区,梯度分布良好,随着与表层距离的增加,硬度逐渐降低。表层的高硬度值来源于WC、W2C硬质相的强化作用以及呈弥散分布的细小颗粒状的碳化物的弥散强化和细晶强化作用。过渡区硬度变化较为平缓,但高于基体,这是由于此区溶入的W、C等合金元素起到了固溶强化作用。2.4层的磨损性能和机理分析2.4.1wc颗粒磨损试验基体与熔覆层磨损试验结果见图6。由图6可知,熔覆层的耐磨性明显优于基体45钢,其磨损量是基体磨损量的1/6。图7为试样摩擦磨损特性曲线,可以看出磨损试验初期磨损量快速增加,随着时间的延长磨损量逐渐减小,到45min时进入稳定磨损阶段,磨损量随时间延长增加缓慢。图8为SEM观察到的磨损试验1h后的熔覆层表面形貌(磨损试验前的熔覆层形貌见图3),可以看出WC颗粒的磨损痕迹,大部分颗粒被磨损减薄,有的颗粒甚至被磨穿,还可以看到有的WC大颗粒破碎成小颗粒。图中并未观察到明显的WC颗粒脱落现象。2.4.2wc颗粒的防护作用由于熔覆层组织致密,且粘结相韧性较好,颗粒和基体结合良好,在磨损后没有出现大量边界上碳化物颗粒的脱落和折断,因此磨损量较小。熔覆层在接触磨料初期切削现象较严重,相对较软的表层基体很快被磨损而凹下,从而使WC颗粒逐渐露出、凸起。由于硬度高的WC颗粒存在,硬质相有效的抵御对磨环微凸体的切削作用,起到保护熔覆层基体的作用,此时磨损速率相对较低。在不发生硬质颗粒剥落的前提下,只有当WC颗粒慢慢磨损到与熔覆层基体再一次相平的时候,基体才会重新开始磨损。部分突出的WC颗粒在持续的磨粒碾压冲击下发生破碎而失效。熔覆层中硬质相的存在不仅可以使熔覆层总体硬度提高,提高其耐磨性能,并且弥散分布的WC颗粒还起到保护基体的作用,使磨块微凸体难以有效压入进行显微切削,同时韧性较好的基体也为硬质相提供足够的支撑力。如前所述,磨损试验1h后的熔覆层表面形貌照片中并未出现明显的WC颗粒脱落现象,而WC颗粒上有明显的被磨损减薄痕迹,表明WC颗粒与基体合金结合良好,熔覆层的磨损失重是以对基体和WC颗粒犁削,而不是以WC颗粒的脱落及连同基体的块状剥落来实现的,这使得熔覆层中WC颗粒的抗磨减摩作用可得到充分发挥,合金因此具有明显优于基底合金的耐磨性。3熔覆层的显微加工1)采用氩弧熔覆工艺在45钢基体上制备出WC颗粒增强的复合涂层。氩弧熔覆过程中,部分WC颗粒熔解并溶入基体,熔覆层枝晶间组织形貌发生变化,未熔的WC呈颗粒状弥散分布于熔覆层中。涂层与基体结合良好。2)熔覆层的显微硬度分布呈梯度变化,表层最高,过渡区硬度也高于基体。熔覆层的耐磨性明显优于基体45钢,大约是基体耐磨性的6倍。3)熔覆层的强化机制