wc顆粒增強耐磨復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，它取得了迅速的發展。激光熔覆、離子弧熔覆等技術已經應用于表面涂層的制備。然而，這些設備成本高、操作復雜、在應用上有很大的限制。相比較以上方法,氬弧熔覆技術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,而且具有投資和運行費用低、操作方便、結合牢固等優點。作為熔覆材料,硬度、熔點高的SiC、WC、TiC等是研究的熱點,一般研究都將其與Ni、Co等材料配合使用。WC與Fe金屬有良好的潤濕性,因此,Fe完全可以作為粘結相代替Ni、Co。本試驗選用氬弧熔覆技術,在45鋼表面熔覆WC粉末,并對組織性能進行分析,希望為其在耐磨材料領域的應用提供參考。1試驗材料和方法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,用無水酒精及丙酮清洗。熔覆材料為顆徑6～7μm的WC粉末,形貌見圖1。1.2物相組織與磨損試驗用自制有機粘合劑將熔覆合金粉粘結成糊狀,預涂在經過處理后的試塊上,厚度約為0.2～0.3mm,然后在干燥箱中自然干燥。對制得涂層采用氬弧熔覆方法(GTAW),直流正接進行搭接燒熔,工藝參數見表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大型金相顯微鏡進行顯微組織分析,觀察熔覆層界面結合狀況;用MH3型顯微硬度計測量熔覆層硬度以及熔覆層與基體結合區附近硬度梯度,載荷為100g,加載時間為10s;用D/max-RB型X射線衍射儀(XRD)結合能譜分析儀對涂層進行物相鑒定;在MM-200型環-塊磨損試驗機上進行磨損實驗,試樣尺寸為8mm×8mm×30mm,對磨環為45號鋼(48～53HRC,Ra=1.6),磨環尺寸為Ф40mm×10mm。摩擦磨損試驗時間為60min,載荷300N,運動線速度為0.418m/s;采用室溫干滑動摩擦磨損方式。試驗前后將試樣清洗干凈,用精度為0.001g的電子天平稱量試樣,并計算質量損失;用FEI-Sirion200型場發射SEM觀察試樣摩擦磨損表面形貌。2試驗結果與分析2.1涂層組分結構圖2為氬弧熔覆WC增強涂層橫截面的顯微組織,可以看出熔覆層組織呈現出垂直于結合界面逆熱擴散方向生長的特點,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。過渡區無明顯氣孔和裂紋等缺陷,涂層和基體的結合為完全的冶金結合。靠近過渡區的地方為垂直于結合界面的平面晶和胞狀晶,熔覆區中部為樹枝晶。通過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則顆粒存在,還有一些枝晶結成的網絡狀組織,可以看出W、Fe、C元素的分布情況,結合表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則顆粒為WC,網絡狀組織主要為Fe-W-C三元化合物;復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,發生球化現象,這些輕度的燒損不影響WC的高硬度。在1250℃時,WC在γ-Fe中的最大溶解度約為7%,不規則WC顆粒尖角處和一些尺寸較小的WC顆粒在熔覆過程中熔解。由于氬弧攪拌及重力作用,W、C發生成分的重新分布,在熔池局部產生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區中剩余的少量C會與Fe、W結合形成復雜碳化物或固溶于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。由于氬弧加熱時間短,留給各元素擴散的時間不多,隨后在冷卻過程中,W可能會以W2C形式析出,也可能以WC形式原位析出,或形成復雜的復式碳化物;還有部分WC顆粒基本保持了原始粉料的狀態。WC顆粒的存在可以大大提高凝固過程的形核率,有效阻止了晶粒的長大,對熔覆層有明顯的細化晶粒作用;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枝晶長大,因而對細化組織有利。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,在基體區顯微硬度最低,中間存在過渡區,梯度分布良好,隨著與表層距離的增加,硬度逐漸降低。表層的高硬度值來源于WC、W2C硬質相的強化作用以及呈彌散分布的細小顆粒狀的碳化物的彌散強化和細晶強化作用。過渡區硬度變化較為平緩,但高于基體,這是由于此區溶入的W、C等合金元素起到了固溶強化作用。2.4層的磨損性能和機理分析2.4.1wc顆粒磨損試驗基體與熔覆層磨損試驗結果見圖6。由圖6可知,熔覆層的耐磨性明顯優于基體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,可以看出磨損試驗初期磨損量快速增加,隨著時間的延長磨損量逐漸減小,到45min時進入穩定磨損階段,磨損量隨時間延長增加緩慢。圖8為SEM觀察到的磨損試驗1h后的熔覆層表面形貌(磨損試驗前的熔覆層形貌見圖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顆粒脫落現象。2.4.2wc顆粒的防護作用由于熔覆層組織致密,且粘結相韌性較好,顆粒和基體結合良好,在磨損后沒有出現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象較嚴重,相對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,硬質相有效的抵御對磨環微凸體的切削作用,起到保護熔覆層基體的作用,此時磨損速率相對較低。在不發生硬質顆粒剝落的前提下,只有當WC顆粒慢慢磨損到與熔覆層基體再一次相平的時候,基體才會重新開始磨損。部分突出的WC顆粒在持續的磨粒碾壓沖擊下發生破碎而失效。熔覆層中硬質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顆粒還起到保護基體的作用,使磨塊微凸體難以有效壓入進行顯微切削,同時韌性較好的基體也為硬質相提供足夠的支撐力。如前所述,磨損試驗1h后的熔覆層表面形貌照片中并未出現明顯的WC顆粒脫落現象,而WC顆粒上有明顯的被磨損減薄痕跡,表明WC顆粒與基體合金結合良好,熔覆層的磨損失重是以對基體和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實現的,這使得熔覆層中WC顆粒的抗磨減摩作用可得到充分發揮,合金因此具有明顯優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顆粒增強的復合涂層。氬弧熔覆過程中,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。涂層與基體結合良好。2)熔覆層的顯微硬度分布呈梯度變化,表層最高,過渡區硬度也高于基體。熔覆層的耐磨性明顯優于基體45鋼,大約是基體耐磨性的6倍。3)熔覆層的強化機制