原位合成碳化鎢涂層的基礎(chǔ)研究

任 瑩 路學(xué)成 趙 蓉 劉占東 謝 坤

(軍事交通學(xué)院軍事物流系 天津 300161)

原位合成碳化鎢涂層的基礎(chǔ)研究

任 瑩 路學(xué)成 趙 蓉 劉占東 謝 坤

(軍事交通學(xué)院軍事物流系 天津 300161)

碳化鎢陶瓷因具有極高的熔點(diǎn)、高的化學(xué)穩(wěn)定性、高的硬度和優(yōu)異的耐磨耐蝕性,已成為近年來金屬陶瓷研究的熱點(diǎn)之一。采用鎢極氬弧堆焊設(shè)備,通過原料粉末之間的高溫冶金反應(yīng),在堆焊過程中原位合成碳化鎢金屬陶瓷涂層。對(duì)所制備的涂層試樣的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察分析,并且研究了涂層的耐磨料磨損性能。研究結(jié)果表明,在鎢極氬弧為熱源的條件下,能獲得性能較好的高溫涂層,為碳化鎢復(fù)合涂層在工業(yè)中的實(shí)際應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。

原位合成 碳化鎢 涂層 磨料磨損

前言

隨著近代高新技術(shù)的快速發(fā)展,對(duì)材料不斷提出多方面的性能要求,推動(dòng)著材料向高比剛度、高比韌性、耐高溫、抗疲勞等方面發(fā)展[1]。顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的研究是最為引人注目的方向之一[2～3],這一類金屬基復(fù)合材料相比纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,具有制備工藝簡單、成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。如果對(duì)基體和顆粒進(jìn)行優(yōu)化組合,有可能獲得性能優(yōu)異的顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料,也就是融合了金屬基體和硬質(zhì)顆粒二者的優(yōu)勢(shì),不但具有延展性好、韌性優(yōu)良的金屬特性,而且同時(shí)兼有顆粒硬度高、剛度高、熱穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn),從而顯示出單一的金屬基體或顆粒所不可比擬的優(yōu)異性能[4]。

常用的陶瓷顆粒有碳化物陶瓷、氮化物陶瓷和氧化物陶瓷3大類,其中碳化物陶瓷顆粒的硬度值普遍比氮化物和氧化物陶瓷顆粒硬度值高,而且碳化物陶瓷中的碳化鎢陶瓷不僅顯微硬度值高,而且與鐵液的潤濕性良好,潤濕角接近為零[5];另外碳化鎢陶瓷顆?；瘜W(xué)穩(wěn)定性好,綜合考慮上述增強(qiáng)顆粒選用原則,選擇碳化鎢陶瓷顆粒作為增強(qiáng)相是非常合適的。

目前,國內(nèi)外對(duì)碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料的制備工藝主要有鑄滲法(Casting infiltration)、熱噴涂法 (Thermal sp raying)、粉末燒結(jié)法 (Pow der metallurgy)、熔注法 (Melting injection)[6]、離子注滲法 (Ion imp lanting)[7]、堆焊法[8～9]、激光熔覆法[10～11]、原位合成法[12～13]、電渣熔鑄法等。

本實(shí)驗(yàn)采用原位合成法,利用鎢極氬弧的高溫條件,在熔敷過程中引發(fā)特定噴涂材料的合成反應(yīng)生成WC涂層,并對(duì)該涂層進(jìn)行組織觀察和硬度測(cè)試,利用掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行組織觀察、成分分析,利用X-射線衍射儀對(duì)涂層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,利用自制的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層進(jìn)行耐磨性的測(cè)試。

1 涂層的制備

采用上海電焊機(jī)廠生產(chǎn)的SW-300型交直流氬弧焊機(jī)作為熱源,在鋼鐵母材上制備涂層。以鎢鐵粉和碳化硅為原料,使用西安凱通金屬材料有限公司生產(chǎn)的W含量為80%的鎢鐵粉,粒度在-40～+100目;使用臨沂市金蒙碳化硅有限公司生產(chǎn)的SiC含量不小于98.5%的綠碳化硅,粒度在-20～+40目。

1.1 基體預(yù)處理

首先將基體材料加工成所需要的形狀,然后用砂輪除去基體表面的氧化物使其表面變得平坦、光亮,再用酒精、丙酮清洗表面油脂,并用吹風(fēng)機(jī)烘干表面,防止母材生銹而影響表面涂層質(zhì)量。

1.2 調(diào)制混合粉末膏體

將原料粉末按照一定的比例在研缽中研磨混合均勻,然后添加適量的水玻璃調(diào)制成膏狀體,均勻地涂敷在基體表面。在本實(shí)驗(yàn)中涂敷涂層時(shí)厚度應(yīng)控制在2 mm左右,這樣不僅能保證涂層表面的質(zhì)量和耐沖擊能力,而且還比較有利于涂層中的水分和氣體排出。

1.3 烘干

膏體涂敷均勻后在空氣中靜置一段時(shí)間,待涂層表面的水玻璃蒸發(fā)干凈后,將試樣放在干燥爐中烘干,爐溫要控制在100℃左右,保溫1 h后隨爐冷卻,這樣既可以保證涂層中的水玻璃充分揮發(fā),又可以保證涂層表面材料不會(huì)在爐中被氧化。此過程中質(zhì)量損失約為涂層總質(zhì)量的4%～5%,同時(shí)加熱速度要慢,以免涂層開裂,出爐后要整修外形。

1.4 加熱熔敷

采用鎢極氬弧作為熱源,選擇合適的電流加熱涂層使其熔化,與母材結(jié)合在一起。若電流過大,則涂層熔化后粘度下降容易流失,且容易產(chǎn)生熔溝和龜裂,不利于涂層中的元素與基體元素充分?jǐn)U散,產(chǎn)生較大的硬度梯度,降低界面結(jié)合強(qiáng)度;反之,則涂層熔解不完全,無法與基體形成冶金結(jié)合,涂層很容易剝落。

2 組織與成分分析

采用JSM-5600LV型環(huán)境掃描電子顯微鏡及能譜儀進(jìn)行點(diǎn)掃描,觀察涂層組織并確定不同組織所含的元素種類及各元素的含量,用M HV 2000數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)定各組織的顯微硬度,用 XRD-6000型 X射線衍射儀分析涂層的相結(jié)構(gòu)。用掃描電鏡觀測(cè)到的涂層顯微組織如圖1所示。

圖1 (W-Fe+SiC)涂層顯微組織

圖2 白色塊狀物能譜分析

從圖1中可以觀察到,涂層中生成大量白色塊狀物和魚骨狀物質(zhì),分別對(duì)其進(jìn)行成分分析。

由圖2可知,白色塊狀物的成分主要是C、W兩種元素,只含有極少量的Fe元素。經(jīng)測(cè)量,其顯微硬度為1 582～1 859 HV,可以判斷其為WC。

由圖4可知,該基體主要成分為 Fe、C兩種元素,經(jīng)測(cè)量,其顯微硬度578～694 HV,可以判斷這是滲碳體Fe3C。對(duì)該試樣進(jìn)行X射線衍射分析,結(jié)果如圖5所示,可見該涂層中有WC、(Fe,W)6C、Fe3C生成。

圖5 (W-Fe+SiC)涂層的X射線衍射分析

總之,在以鎢鐵與碳化硅為原料制備的涂層中,基體組織為馬氏體和奧氏體,含有大量的WC硬質(zhì)相、共晶碳化物、滲碳體,但是WC硬質(zhì)相與基體之間有明顯的分界,而且涂層中有裂紋生成。

3 硬度及耐磨性測(cè)試

3.1 硬度測(cè)量

采用 HVA-10A型小載荷維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量,測(cè)量載荷設(shè)為10 kg,被測(cè)試樣表面需要進(jìn)行拋光,以便在顯微鏡下觀測(cè)壓痕。測(cè)量結(jié)果如表1所示：

表1 維氏硬度沿層深方向分布

從測(cè)定結(jié)果可以看出：涂層硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材,而且從涂層表面到母材區(qū)域,硬度先升高,再逐漸降低。這是因?yàn)橛操|(zhì)顆粒WC的密度較大,大部分分布在涂層中下部,所以涂層顯微硬度最大值在涂層的中部。

3.2 耐磨性測(cè)試

采用自制的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨料磨損實(shí)驗(yàn),主軸轉(zhuǎn)速為120 r/m in,對(duì)磨試樣為45號(hào)淬火鋼,磨料為A l2O3,粒度為-20～+40目,采用等離子弧堆焊法制備的鎳基碳化鎢(WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)涂層試樣作為對(duì)照試樣。在法向方向上對(duì)試樣施加30 N的載荷,對(duì)原位合成制備的試樣和對(duì)照試樣分別進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn),采用稱重法測(cè)量試樣的磨損量,使用電子天平,精度為0.0001 g。

表2 磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

磨損實(shí)驗(yàn)過程如下：①預(yù)磨。首先除去試樣表面的氧化層,之后預(yù)磨10min,磨出一個(gè)平面。②清洗并稱量。對(duì)預(yù)磨后的試樣進(jìn)行清洗,采用酒精作為清洗液,清洗后烘干,在電子天平上稱量,并記錄稱量的質(zhì)量。③磨損。對(duì)試樣進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn),每磨5min測(cè)量1次質(zhì)量,磨損3次。④磨損后稱量。將每一次磨損后的試樣用酒精一一清洗并烘干,在電子天平上稱量,記錄下每次磨損后的質(zhì)量。每次磨損的質(zhì)量損失依次為ΔG1、ΔG2、ΔG3,平均質(zhì)量磨損量為ΔG。

由表2可見,鎢鐵與碳化硅為原料制備的試樣的耐磨性為對(duì)照試樣的0.84倍。

4 結(jié)論

在以鎢鐵與碳化硅為原料制備的涂層中,基體組織為馬氏體和奧氏體,含有大量的 WC硬質(zhì)相、共晶碳化物、滲碳體。涂層的硬度與鋼鐵母材相比大大提高,涂層的耐磨性為對(duì)照試樣的0.84倍,這主要是因?yàn)閃C硬質(zhì)相與基體之間有明顯的分界,而且涂層中有裂紋生成,若改進(jìn)制備工藝,預(yù)計(jì)可以提高涂層質(zhì)量,進(jìn)一步增加涂層的耐磨損性能。

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The Fundamen tal Research of the In-situ Syn thesized Tungsten Carbides Reinforced Com posite Coating

Ren Ying,Lu Xuecheng,Zhao Rong,Liu Zhandong,Xie Kun(Department of M ilitary Logistics,The Academy of M ilitary Transpo rtation,PLA,Tianjin 300161)

As a typical boride ceramics,WC ceramics have become a researched hot point because of its high melting point,good chemical stability,high hardness and good resistance to abrasion.The WC granule is in-situ synthesized during the reaction of the alloy pow ders emp loying the TIG pow der surfacing.Themicrostructure and mo rphology of the tungsten carbide coating isobserved and analyzed.The elementsof both the coating and the substrate diffuse to each other.The excellent metallurgy bonding is fo rmed between the coating and the substrate.The results of the thesis show that we can get good performance of high-temperature coating by heating w ith TIG,w hich p rovides a theo retical foundation for the industrial p ractical app lication of WC composite coating.

In-situ synthesized;WC;Coating;Abrasive wear