WC顆粒增強(qiáng)Fe基合金涂層的顯微組織與耐磨性能

高萬東

(安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院, 安徽 合肥 231100)

等離子體噴焊(Plasma melt injection,PMI)是改善金屬表面性能的有效手段之一,近年來得到迅速發(fā)展。目前常用的熔覆材料主要有鐵基、鎳基和鈷基合金粉末等,其中鐵基合金以其優(yōu)良的耐磨性能和低廉的價(jià)格得到了廣泛的應(yīng)用[1-5]。然而,金屬基復(fù)合材料往往不得不忍受沖擊、磨損和腐蝕的影響[6-8]。面對(duì)各種嚴(yán)苛的工作條件,金屬基復(fù)合材料表面需要有較高的耐磨損和耐腐蝕性能[9-11]。WC是耐磨性極佳的硬質(zhì)材料,鐵基合金對(duì)WC有很好的潤濕性。因此,采用等離子噴焊表面改性技術(shù)制備WC增強(qiáng)Fe基合金耐磨涂層具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值[12-15]。

本研究采用的后送粉等離子噴焊技術(shù)是將WC等硬質(zhì)相顆粒直接送入熔池中,可避免硬質(zhì)相的溶解,保持硬質(zhì)相的增強(qiáng)作用和基體的支撐和增韌作用,可用于輥壓機(jī)輥面硬面堆焊、修復(fù)、閥門密封表面制備、彎頭制備及修復(fù)等領(lǐng)域,以提高工件表面的耐磨、耐高溫、密封性能等,具有很好的應(yīng)用前景。在本研究中,通過優(yōu)化工藝參數(shù)來獲得一種優(yōu)良的涂層,同時(shí)對(duì)涂層的顯微組織、元素分布、相組成、顯微硬度和耐磨性進(jìn)行了分析。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料選用退火態(tài)45中碳鋼(100 mm×40 mm×10 mm)。試樣表面經(jīng)拋光,除去銹跡和油污。選取Fe313鐵基自熔合金粉作為復(fù)合涂層粘結(jié)材料,顆粒尺寸為45～109 μm。鐵粉的主要化學(xué)成分是0.1C-15Cr-B-Si-Fe。硬質(zhì)相選用WC顆粒,尺寸大小為80～100 mm。圖1顯示了WC粉末的形態(tài)和相組成。

圖1 WC顆粒的形態(tài)(a)和相組成(b)Fig.1 Morphology(a) and phase composition(b) of the WC particles

1.2 試樣準(zhǔn)備

噴焊過程示意圖如圖2所示,采用等離子體噴涂作為輔助設(shè)備制備了復(fù)合層。通過同步送粉法用氬氣噴射鐵粉,等離子體弧生成之后,再通過氬氣流將WC顆粒注入到熔池中,以避免WC顆粒由于等離子體電弧的高溫而熔化。工藝參數(shù)如表1所示。

表1 等離子噴焊主要工藝參數(shù)

圖2 采用PMI的等離子體噴焊示意圖Fig.2 Schematic diagram of the plasma spray welding with PMI

1.3 微量分析和顯微硬度

對(duì)噴焊好的涂層橫截面采用三氯化鐵溶液(FeCl3∶HCl∶H2O=5∶15∶85)進(jìn)行腐蝕,然后通過掃描電鏡(SEM)觀察微觀結(jié)構(gòu)。通過能譜儀(EDS)測(cè)定涂層的組成和元素分布。采用X射線衍射儀分析涂層中存在的物相。

對(duì)于涂層的硬度分析采用顯微硬度計(jì),加載載荷為9.8 N,加載時(shí)間為15 s,并對(duì)每個(gè)測(cè)試點(diǎn)取3次測(cè)量結(jié)果平均值進(jìn)行分析。

1.4 耐磨性測(cè)試

將涂層試樣切成φ4.8 mm×12 mm的圓柱狀,然后進(jìn)行磨損試驗(yàn)。磨損試驗(yàn)由自制摩擦磨損測(cè)試儀進(jìn)行。將樣品固定在磨損試驗(yàn)機(jī)上,與粒度大小為23 μm左右的圓形金剛石片對(duì)磨。接觸面積上施加的壓力為20 N,圓形金剛石片的速度為1200 r/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 WC在涂層中的分布和形態(tài)

WC顆粒截面上的分布形態(tài)如圖3所示,從圖3可以看出,WC顆粒的分布與WC粉末進(jìn)料電壓的不同有很大的差異。從圖3(a)可以看出,當(dāng)WC粉末進(jìn)料電壓較低時(shí),涂層的上部WC顆粒分布較少,而在涂層的中部和底部發(fā)現(xiàn)了大量的圓形WC顆粒,WC顆粒分布不均勻;當(dāng)WC粉末進(jìn)料電壓較高時(shí),大量的圓形WC顆粒比較均勻地分布到鐵基基體上,見圖3(b,c)。

圖3 不同WC粉末進(jìn)料電壓下WC/鐵基復(fù)合涂層的橫截面SEM顯微照片F(xiàn)ig.3 Cross-sectional SEM images of the WC/iron-based composite coatings at different WC powder feed voltages(a) 8 V; (b) 10 V; (c) 12 V

2.2 涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)

圖4顯示了涂層在不同WC粉末進(jìn)料電壓下的X射線衍射結(jié)果。涂層中存在的相主要為WC、W2C、Cr23C6、Fe3W3C、Cr3C2和Cr7C3。結(jié)果表明,不同WC粉末進(jìn)料電壓的涂層的衍射峰基本相同,但由于等離子體噴焊時(shí)的參數(shù)不同,衍射峰相對(duì)強(qiáng)度有差異。

圖4 不同WC粉末進(jìn)料電壓下WC/鐵基復(fù)合涂層的X射線衍射結(jié)果Fig.4 X-ray diffraction results of the WC/iron-based composite coatings under different WC powder feed voltages

不同WC粉末進(jìn)料電壓下涂層的微觀結(jié)構(gòu)相似,12 V時(shí)涂層中的WC顆粒分布最均勻。以WC粉末進(jìn)料電壓12 V時(shí)的涂層為例,分析WC/鐵基復(fù)合涂層的微觀結(jié)構(gòu),如圖5所示。圖5(a)位置A的形狀為球狀,硬度為2454 HV。通過顯微硬度及組織形貌分析,可以確定A顆粒是WC粒子。在WC顆粒周圍存在熔融區(qū)域,如圖5(b)所示。由于WC顆粒在等離子體電弧的高溫下熔化,所以在快速冷卻過程中形成了再結(jié)晶WC。由于涂層主要由Fe、W、C、Cr元素組成,其與高速鋼的元素相似,所以采用高速鋼相圖分析涂層。WC顆粒在高溫下發(fā)生了大量相變反應(yīng): ①L→δ,②L+δ→γ。由于合金元素在涂層快速冷卻過程中沒有足夠的時(shí)間擴(kuò)散,因此包晶轉(zhuǎn)變是不完全的。B處的微觀組織為黑色,稱為黑色微觀結(jié)構(gòu)。這些相的EDS分析結(jié)果如表2所示,從表2可知,B處的鎢和碳的原子分?jǐn)?shù)分別僅為3.2%和17.9%,遠(yuǎn)低于C和D位置中的鎢和碳含量。這種現(xiàn)象的原因是WC顆粒在等離子體電弧的高溫下熔化,并且在冷卻過程中,熔化的WC再結(jié)晶,所以B中的鎢含量很少。圖5(a)顯示魚骨結(jié)構(gòu)的C是呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),分布于WC顆粒周圍,它的SEM放大圖如圖5(c)所示。根據(jù)高速鋼的相圖,魚骨結(jié)構(gòu)的C相變反應(yīng)為L→γ+M6C,所以C的微觀結(jié)構(gòu)為萊氏體組織的共晶轉(zhuǎn)變。魚骨結(jié)構(gòu)的主要組成為M6C、WC和鉻化合物,D處的鎢和碳原子分?jǐn)?shù)約為27.5%和31.4%。圖5(a)表明,D可能是萊氏體組織結(jié)構(gòu)。從EDS分析結(jié)果來看,D中的鎢和碳的含量已經(jīng)下降,但Fe和Cr增加。

表2 圖5中不同位置的EDS分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù),%)

圖5 WC/鐵基復(fù)合涂層的微觀結(jié)構(gòu)形貌(進(jìn)料電壓12 V)(a)涂層的微觀組織;(b)WC顆粒周圍的微結(jié)構(gòu);(c)魚骨組織Fig.5 Microstructure of the WC/iron-based composite coating (feed udtage of 12 V)(a) microstructure of the coating; (b) microstructure around WC particles; (c) fish bone structure

2.3 涂層硬度

圖6為不同WC粉末進(jìn)料電壓下涂層截面的顯微硬度,可見涂層的維氏硬度明顯高于基材。涂層的最大維氏硬度約為1600 HV,這可能是碳化物的一個(gè)點(diǎn)。進(jìn)料電壓10 V和12 V時(shí),涂層硬度幾乎沒有差異,并且硬度是未添加WC顆粒的Fe基涂層的2倍。這是由于WC顆粒的注入導(dǎo)致涂層中形成大量的碳化物組織,導(dǎo)致涂層的硬度大大提高。觀察可得,涂層在距離界面2000 μm處的硬度顯著降低,在圖6中顯示出不均勻的硬度曲線。這是因?yàn)閃C的密度在15.7 g/cm3,大于Fe313粉末和基體材料,使得WC顆粒在PMI的過程中沉入涂層中,從而導(dǎo)致底部的硬度提高。

圖6 不同WC粉末進(jìn)料電壓下涂層橫截面的顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution in cross section of the coatings under different WC powder feed voltages

2.4 磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著進(jìn)料電壓的升高,涂層的磨損量逐漸降低,但均比Fe基合金涂層的磨損量要小,見圖7。進(jìn)料電壓為8 V時(shí),涂層在0～10 s的時(shí)間內(nèi)快速磨損,磨損率在隨后的時(shí)間內(nèi)變慢。當(dāng)進(jìn)料電壓為12V時(shí),涂層的磨損量最小,這是由于在進(jìn)料電壓為12 V時(shí),涂層中WC數(shù)量增多,且分布比較均勻,WC顆粒有效地阻止了對(duì)涂層的摩擦作用,且涂層中生成的碳化物組織增多,對(duì)基體起到良好的支撐作用。

圖7 不同WC粉末進(jìn)料電壓下涂層的磨損量隨摩擦?xí)r間的變化曲線Fig.7 Varieties of wear loss of the coatings under different WC powder feed voltages with friction time

圖8顯示了不同WC粉末進(jìn)料電壓下涂層的磨損表面細(xì)節(jié)顯微照片,不同進(jìn)料電壓下涂層的磨損表面形貌幾乎相同,可以發(fā)現(xiàn)有大量的溝槽,說明磨損的主要機(jī)理是磨料磨損。從圖8(b,c)可以看出,WC顆粒周圍的溝槽被WC顆粒破壞和阻礙,因此WC顆粒提高了涂層的耐磨性。

圖8 不同WC粉末進(jìn)料電壓下涂層磨損表面的顯微照片F(xiàn)ig.8 Worn surface morphologies of the coatings under different WC powder feed voltages (a) 8 V; (b) 10 V; (c) 12 V

3 結(jié)論

1) 涂層的組織隨著進(jìn)料電壓的不同而改變,當(dāng)進(jìn)料電壓為8 V時(shí),WC顆粒分布不均勻,當(dāng)進(jìn)料電壓為12 V時(shí),涂層中WC顆粒分布較為均勻,且在涂層中形成了大量的碳化物組織,有效地提高了涂層的性能。對(duì)涂層進(jìn)行物相分析時(shí),發(fā)現(xiàn)涂層存在的相主要為WC、W2C、Cr23C6、Fe3W3C、Cr3C2和Cr7C3。

2) 涂層硬度隨著進(jìn)料電壓的升高而隨之升高,當(dāng)進(jìn)料電壓為12 V時(shí),涂層的平均硬度最大,硬度是未添加WC粉末涂層的兩倍;進(jìn)行耐磨性能分析時(shí)發(fā)現(xiàn),與Fe基合金涂層相比,WC顆粒增強(qiáng)Fe基合金涂層的磨損量減少了50%以上,磨損的主要機(jī)理是磨料磨損,大量的WC顆粒阻礙了微切割,大大提高了涂層的耐磨性。