氬弧熔覆-注射技術(shù)制備的納米WC涂層及組織與耐磨性能

王振廷,　胡　磊,　孟君晟,　史小平,　梁　剛

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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氬弧熔覆-注射技術(shù)制備的納米WC涂層及組織與耐磨性能

王振廷,胡磊,孟君晟,史小平,梁剛

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為提高材料表面的耐磨性能,利用氬弧熔覆-注射技術(shù),在45#鋼表面注入納米WC和Ni60 A的混合粉料,制備出納米結(jié)構(gòu)涂層,利用掃描電鏡觀察納米涂層的顯微形貌,采用X射線(xiàn)衍射儀對(duì)涂層物相進(jìn)行分析,測(cè)定涂層截面的顯微硬度,由MMS-2B型摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)完成磨損性能測(cè)試。結(jié)果表明:涂層與基體為冶金結(jié)合,納米WC彌散分布在涂層中;涂層的顯微硬度最高可達(dá)1 677.4 MPa,耐磨性能較基體提高近50倍。

納米WC涂層; 氬弧熔覆-注射; 耐磨性

0　引　言

耐磨材料是高新材料研究開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的核心,是高新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展起著重要的推動(dòng)和支撐作用[1]。近十幾年來(lái),由于納米材料優(yōu)異的力學(xué)、物理、化學(xué)、光學(xué)以及磁學(xué)性能,所以在材料領(lǐng)域備受關(guān)注。隨著表面工程技術(shù)的發(fā)展,將表面涂層技術(shù)與納米材料結(jié)合,制備高性能納米結(jié)構(gòu)涂層,成為納米材料的一個(gè)重要應(yīng)用研究之一[2-4]。

目前,關(guān)于納米涂層的制備方法,主要有激光熔覆、等離子噴涂、冷噴涂等技術(shù)[5-9],這些制備方法取得了較好的結(jié)果。但上述方法的制備設(shè)備比較昂貴,使用不便,不利于生產(chǎn)實(shí)際應(yīng)用。王曉娟[10],馬壯[11]等研究了氬弧熔覆-注射技術(shù),該方法所使用的設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低廉,得到的涂層厚度較大、結(jié)構(gòu)緊密,應(yīng)用前景較為廣闊。其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)氧化,合金元素?zé)龘p率低,設(shè)備間便,可以手工操作,可加工較大復(fù)雜工件,并能夠大大改善材料表面硬度、耐磨性,有很強(qiáng)的可操作性和實(shí)用性。

在上述研究的基礎(chǔ)上,筆者采用納米WC顆粒,與不同比例的Ni60A粉混合,將氬弧熔覆和注射技術(shù)相結(jié)合,制備納米WC涂層,研究其組織結(jié)構(gòu)和耐磨性能。

1　實(shí)驗(yàn)

基體材料選用45#鋼,涂層材料所選用的納米WC顆粒(粒度400 nm,純度≥99.9%)為上海水田科技有限公司生產(chǎn),Ni60A(粒度為74～100 μm,純度≥97%)為南宮市電力耐磨材料制造廠生產(chǎn)。將w(WC)=60%、w(Ni60A)=40%的混合粉末置入特制的注射器中,采用氬弧焊機(jī)進(jìn)行表面熔覆,氬弧熔覆工藝參數(shù)為電壓20 V,電流125 A,熔覆速度20 cm/min,氬氣流量3 L/min。隨著焊頭的移動(dòng),利用特制的注射器向融化的鋼表面注入混合粉末,制備出納米WC涂層試樣。

截取熔覆后試樣,尺寸為10 mm×10 mm×8 mm,將截取的試樣截面用砂紙、拋光機(jī)打磨后,在V(HNO3)∶V(HF)=9∶1的腐蝕液腐蝕45 s,用掃描電子顯微鏡及配備的能譜儀觀察試樣的顯微組織,結(jié)合XRD分析物相。在實(shí)驗(yàn)力為4.903 N、加載時(shí)間10 s的條件下,用HVST-1000型顯微硬度計(jì)作試樣截面從熔覆層至基體的硬度分析。由摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)完成耐磨實(shí)驗(yàn),用分析天平(m=0.1 mg)對(duì)試樣和基體做相對(duì)耐磨性分析。

2　結(jié)果與討論

2.1顯微組織結(jié)構(gòu)

圖1為納米WC涂層的橫截面背散射掃描照片,圖1a為涂層與基體的100倍背散射照片,圖1b為圖1a中A區(qū)的5 000倍放大。

從圖1a中可以看出,涂層與基體有明顯的結(jié)合界面,界面起伏小,較為平緩。說(shuō)明氬弧熔覆-注射過(guò)程中,基體受熱均勻,熔池較穩(wěn)定,注射的涂層粉料能夠均勻分布在熔池中,涂層與基體為冶金結(jié)合。從圖1b中可以看出,白色的顆粒相是鑲嵌在涂層中的過(guò)渡相中,呈彌散分布。

圖1　橫截面背散射掃描照片

Fig. 1Backscatter scanning photos of cross-section

2.2能譜與物相分析

圖2a為納米WC涂層能譜照片,圖2b為圖2a中B區(qū)域的能譜分析,表1為能譜圖中各元素的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)和原子百分比。從圖2中可以看出,涂層中包含的元素有W、Cr、C、Ni、Fe等,W的相對(duì)含量最高,W與C的相對(duì)原子比接近1。

圖3為納米WC涂層的X射線(xiàn)衍射。從圖3中可以看出,涂層的物相組成主要有WC、鐵和鎳的固溶體以及少量的碳化物等。

圖2　納米WC涂層的能譜分析

Table 1　Relative content of coating elements mass fraction and %

圖3　納米WC涂層的X射線(xiàn)衍射圖

2.3顯微硬度

圖4為納米WC涂層的顯微硬度分布曲線(xiàn)圖。圖4中橫坐標(biāo)代表截面中測(cè)量點(diǎn)距涂層表面的距離d。從圖4中可以看到,在距涂層表面1.2 mm處的硬度最高達(dá)1 677.4 MPa,基體的顯微硬度約為180 MPa,可見(jiàn)納米WC涂層能夠極大提高試樣的硬度。在涂層1.2～1.4 mm處,顯微硬度急劇下降,1.4 mm處顯微硬度值為382.5 MPa,說(shuō)明此處是涂層與基體之間的過(guò)渡層。

圖4　涂層顯微硬度分布曲線(xiàn)

2.4耐磨性

磨損性實(shí)驗(yàn)在載荷為200 N、加載時(shí)間30 min條件下進(jìn)行。在相同條件下,納米WC涂層的磨損量為0.001 2 g,基體的磨損量為0.103 8 g,基體的磨損量約為納米WC涂層的50倍,涂層的耐磨性與基體相比有極大提高。圖5為最佳工藝條件下制備的納米WC的磨損形貌。

圖5　納米WC涂層磨損形貌

圖5a為200倍掃描照片。從圖5a中可以看出,涂層的摩擦表面分布有大量白色顆粒相,未覆蓋顆粒處有較淺的劃痕出現(xiàn),這些細(xì)小的白色顆粒,是磨屑,說(shuō)明涂層的耐磨機(jī)理為磨料磨損。圖5b是圖5a中C區(qū)放大5 000倍的圖片,從放大圖5b可以看到,納米WC涂層的摩擦表面光滑,沒(méi)有溝壑產(chǎn)生,且磨屑的尺寸較小。這說(shuō)明涂層的強(qiáng)度、硬度較高,磨環(huán)材料GCr15不能壓入涂層中,只能通過(guò)表面的微凸體在涂層表面進(jìn)行相對(duì)滑動(dòng),產(chǎn)生磨損,因而使涂層表面分布有相互平行的劃痕,磨損機(jī)理為微動(dòng)磨損。由于復(fù)合涂層中彌散分布有大量的納米WC硬質(zhì)顆粒,所以使得涂層的耐磨性能較基體有很大的提高。

3　結(jié)　論

(1)采用電壓為20 V,電流125 A,熔覆速度20 cm/min,焊頭氬氣流量為3 L/min,注射器氬氣流量3 L/min的工藝參數(shù),制備氬弧熔覆-注射涂層技術(shù)可行。

(2) 納米WC與熔點(diǎn)較低的液相Ni60A和45鋼表面形成的熔池中,在熱對(duì)流攪拌作用下,均勻地分散在涂層中,涂層與基體為冶金結(jié)合。

(3) 納米WC涂層的顯微硬度最高可達(dá)1 677.4 MPa,涂層的耐磨性能比基體提高近50倍,涂層的耐磨機(jī)理為磨料磨損和微動(dòng)磨損。

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(編輯徐巖)

Microstructure and wear resistance of argon arc cladding-injection technology for preparation of nanometer WC coating

WANGZhenting,HULei,MENGJunsheng,SHIXiaoping,LIANGGang

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

In order to improve the wear resistance of the surface of the material, the nano structure coating was prepared on the surface of 45 steel by injecting WC and Ni60A into the molten bath of the steel. Nano coating morphology was examined by scanning electron microscope (SEM). The coating phases were analyzed by X-ray diffraction. The micro hardness and wear performance of the coating section were determinated by micro hardness tester and MMS-2B friction wear experimental machine, respectively. The results show that the coating and substrate are metallurgical bonding, the nano WC distributes uniformly in the coating, the micro hardness of the coating is up to 1 677.4 MPa, and the wear resistance is increased by nearly 50 times compared with the matrix.

nano WC coating; argon arc cladding-inject; wear resistance

2015-05-06

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(12541705)

王振廷(1965-)男, 黑龍江省雞西人,教授，博士后,研究方向:材料表面工程及耐磨材料,E-mail:wangzt2002@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.04.001

TG174

2095-7262(2015)04-0353-04

A