原位合成碳化鎢涂層的基礎研究

任 瑩 路學成 趙 蓉 劉占東 謝 坤

(軍事交通學院軍事物流系 天津 300161)

原位合成碳化鎢涂層的基礎研究

任 瑩 路學成 趙 蓉 劉占東 謝 坤

(軍事交通學院軍事物流系 天津 300161)

碳化鎢陶瓷因具有極高的熔點、高的化學穩定性、高的硬度和優異的耐磨耐蝕性,已成為近年來金屬陶瓷研究的熱點之一。采用鎢極氬弧堆焊設備,通過原料粉末之間的高溫冶金反應,在堆焊過程中原位合成碳化鎢金屬陶瓷涂層。對所制備的涂層試樣的組織結構進行了觀察分析,并且研究了涂層的耐磨料磨損性能。研究結果表明,在鎢極氬弧為熱源的條件下,能獲得性能較好的高溫涂層,為碳化鎢復合涂層在工業中的實際應用提供了理論基礎。

原位合成 碳化鎢 涂層 磨料磨損

前言

隨著近代高新技術的快速發展,對材料不斷提出多方面的性能要求,推動著材料向高比剛度、高比韌性、耐高溫、抗疲勞等方面發展[1]。顆粒增強金屬基復合材料的研究是最為引人注目的方向之一[2～3],這一類金屬基復合材料相比纖維增強金屬基復合材料,具有制備工藝簡單、成本低廉的優點。如果對基體和顆粒進行優化組合,有可能獲得性能優異的顆粒增強金屬基復合材料,也就是融合了金屬基體和硬質顆粒二者的優勢,不但具有延展性好、韌性優良的金屬特性,而且同時兼有顆粒硬度高、剛度高、熱穩定性好的優點,從而顯示出單一的金屬基體或顆粒所不可比擬的優異性能[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];另外碳化鎢陶瓷顆粒化學穩定性好,綜合考慮上述增強顆粒選用原則,選擇碳化鎢陶瓷顆粒作為增強相是非常合適的。

目前,國內外對碳化鎢顆粒增強鋼鐵基表面復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。

本實驗采用原位合成法,利用鎢極氬弧的高溫條件,在熔敷過程中引發特定噴涂材料的合成反應生成WC涂層,并對該涂層進行組織觀察和硬度測試,利用掃描電子顯微鏡對其進行組織觀察、成分分析,利用X-射線衍射儀對涂層的相結構進行分析,利用自制的磨損實驗機對涂層進行耐磨性的測試。

1 涂層的制備

采用上海電焊機廠生產的SW-300型交直流氬弧焊機作為熱源,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,并用吹風機烘干表面,防止母材生銹而影響表面涂層質量。

1.2 調制混合粉末膏體

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制成膏狀體,均勻地涂敷在基體表面。在本實驗中涂敷涂層時厚度應控制在2 mm左右,這樣不僅能保證涂層表面的質量和耐沖擊能力,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間,待涂層表面的水玻璃蒸發干凈后,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,又可以保證涂層表面材料不會在爐中被氧化。此過程中質量損失約為涂層總質量的4%～5%,同時加熱速度要慢,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,且容易產生熔溝和龜裂,不利于涂層中的元素與基體元素充分擴散,產生較大的硬度梯度,降低界面結合強度;反之,則涂層熔解不完全,無法與基體形成冶金結合,涂層很容易剝落。

2 組織與成分分析

采用JSM-5600LV型環境掃描電子顯微鏡及能譜儀進行點掃描,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數顯顯微硬度計測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構。用掃描電鏡觀測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,分別對其進行成分分析。

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。經測量,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,經測量,其顯微硬度578～694 HV,可以判斷這是滲碳體Fe3C。對該試樣進行X射線衍射分析,結果如圖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硬質相、共晶碳化物、滲碳體,但是WC硬質相與基體之間有明顯的分界,而且涂層中有裂紋生成。

3 硬度及耐磨性測試

3.1 硬度測量

采用 HVA-10A型小載荷維氏硬度計進行測量,測量載荷設為10 kg,被測試樣表面需要進行拋光,以便在顯微鏡下觀測壓痕。測量結果如表1所示：

表1 維氏硬度沿層深方向分布

從測定結果可以看出：涂層硬度遠遠高于母材,而且從涂層表面到母材區域,硬度先升高,再逐漸降低。這是因為硬質顆粒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 耐磨性測試

采用自制的磨損實驗機進行磨料磨損實驗,主軸轉速為120 r/m in,對磨試樣為45號淬火鋼,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質量分數為60%)涂層試樣作為對照試樣。在法向方向上對試樣施加30 N的載荷,對原位合成制備的試樣和對照試樣分別進行磨損實驗,采用稱重法測量試樣的磨損量,使用電子天平,精度為0.0001 g。

表2 磨損實驗數據

磨損實驗過程如下：①預磨。首先除去試樣表面的氧化層,之后預磨10min,磨出一個平面。②清洗并稱量。對預磨后的試樣進行清洗,采用酒精作為清洗液,清洗后烘干,在電子天平上稱量,并記錄稱量的質量。③磨損。對試樣進行磨損實驗,每磨5min測量1次質量,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量。每次磨損的質量損失依次為ΔG1、ΔG2、ΔG3,平均質量磨損量為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照試樣的0.84倍。

4 結論

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,涂層的耐磨性為對照試樣的0.84倍,這主要是因為WC硬質相與基體之間有明顯的分界,而且涂層中有裂紋生成,若改進制備工藝,預計可以提高涂層質量,進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