王振廷,　胡　磊,　孟君晟,　史小平,　梁　刚

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)



氩弧熔覆-注射技术制备的纳米WC涂层及组织与耐磨性能

王振廷,胡磊,孟君晟,史小平,梁刚

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)

为提高材料表面的耐磨性能,利用氩弧熔覆-注射技术,在45#钢表面注入纳米WC和Ni60 A的混合粉料,制备出纳米结构涂层,利用扫描电镜观察纳米涂层的显微形貌,采用X射线衍射仪对涂层物相进行分析,测定涂层截面的显微硬度,由MMS-2B型摩擦磨损实验机完成磨损性能测试。结果表明:涂层与基体为冶金结合,纳米WC弥散分布在涂层中;涂层的显微硬度最高可达1 677.4 MPa,耐磨性能较基体提高近50倍。

纳米WC涂层; 氩弧熔覆-注射; 耐磨性

0　引　言

耐磨材料是高新材料研究开发领域的核心,是高新技术发展的基础,对经济社会的发展起着重要的推动和支撑作用[1]。近十几年来,由于纳米材料优异的力学、物理、化学、光学以及磁学性能,所以在材料领域备受关注。随着表面工程技术的发展,将表面涂层技术与纳米材料结合,制备高性能纳米结构涂层,成为纳米材料的一个重要应用研究之一[2-4]。

目前,关于纳米涂层的制备方法,主要有激光熔覆、等离子喷涂、冷喷涂等技术[5-9],这些制备方法取得了较好的结果。但上述方法的制备设备比较昂贵,使用不便,不利于生产实际应用。王晓娟[10],马壮[11]等研究了氩弧熔覆-注射技术,该方法所使用的设备简单,成本低廉,得到的涂层厚度较大、结构紧密,应用前景较为广阔。其优点是无氧化,合金元素烧损率低,设备间便,可以手工操作,可加工较大复杂工件,并能够大大改善材料表面硬度、耐磨性,有很强的可操作性和实用性。

在上述研究的基础上,笔者采用纳米WC颗粒,与不同比例的Ni60A粉混合,将氩弧熔覆和注射技术相结合,制备纳米WC涂层,研究其组织结构和耐磨性能。

1　实验

基体材料选用45#钢,涂层材料所选用的纳米WC颗粒(粒度400 nm,纯度≥99.9%)为上海水田科技有限公司生产,Ni60A(粒度为74～100 μm,纯度≥97%)为南宫市电力耐磨材料制造厂生产。将w(WC)=60%、w(Ni60A)=40%的混合粉末置入特制的注射器中,采用氩弧焊机进行表面熔覆,氩弧熔覆工艺参数为电压20 V,电流125 A,熔覆速度20 cm/min,氩气流量3 L/min。随着焊头的移动,利用特制的注射器向融化的钢表面注入混合粉末,制备出纳米WC涂层试样。

截取熔覆后试样,尺寸为10 mm×10 mm×8 mm,将截取的试样截面用砂纸、抛光机打磨后,在V(HNO3)∶V(HF)=9∶1的腐蚀液腐蚀45 s,用扫描电子显微镜及配备的能谱仪观察试样的显微组织,结合XRD分析物相。在实验力为4.903 N、加载时间10 s的条件下,用HVST-1000型显微硬度计作试样截面从熔覆层至基体的硬度分析。由摩擦磨损实验机完成耐磨实验,用分析天平(m=0.1 mg)对试样和基体做相对耐磨性分析。

2　结果与讨论

2.1显微组织结构

图1为纳米WC涂层的横截面背散射扫描照片,图1a为涂层与基体的100倍背散射照片,图1b为图1a中A区的5 000倍放大。

从图1a中可以看出,涂层与基体有明显的结合界面,界面起伏小,较为平缓。说明氩弧熔覆-注射过程中,基体受热均匀,熔池较稳定,注射的涂层粉料能够均匀分布在熔池中,涂层与基体为冶金结合。从图1b中可以看出,白色的颗粒相是镶嵌在涂层中的过渡相中,呈弥散分布。

图1　横截面背散射扫描照片

Fig. 1Backscatter scanning photos of cross-section

2.2能谱与物相分析

图2a为纳米WC涂层能谱照片,图2b为图2a中B区域的能谱分析,表1为能谱图中各元素的相对质量分数和原子百分比。从图2中可以看出,涂层中包含的元素有W、Cr、C、Ni、Fe等,W的相对含量最高,W与C的相对原子比接近1。

图3为纳米WC涂层的X射线衍射。从图3中可以看出,涂层的物相组成主要有WC、铁和镍的固溶体以及少量的碳化物等。

图2　纳米WC涂层的能谱分析

Table 1　Relative content of coating elements mass fraction and %

图3　纳米WC涂层的X射线衍射图

2.3显微硬度

图4为纳米WC涂层的显微硬度分布曲线图。图4中横坐标代表截面中测量点距涂层表面的距离d。从图4中可以看到,在距涂层表面1.2 mm处的硬度最高达1 677.4 MPa,基体的显微硬度约为180 MPa,可见纳米WC涂层能够极大提高试样的硬度。在涂层1.2～1.4 mm处,显微硬度急剧下降,1.4 mm处显微硬度值为382.5 MPa,说明此处是涂层与基体之间的过渡层。

图4　涂层显微硬度分布曲线

2.4耐磨性

磨损性实验在载荷为200 N、加载时间30 min条件下进行。在相同条件下,纳米WC涂层的磨损量为0.001 2 g,基体的磨损量为0.103 8 g,基体的磨损量约为纳米WC涂层的50倍,涂层的耐磨性与基体相比有极大提高。图5为最佳工艺条件下制备的纳米WC的磨损形貌。

图5　纳米WC涂层磨损形貌

图5a为200倍扫描照片。从图5a中可以看出,涂层的摩擦表面分布有大量白色颗粒相,未覆盖颗粒处有较浅的划痕出现,这些细小的白色颗粒,是磨屑,说明涂层的耐磨机理为磨料磨损。图5b是图5a中C区放大5 000倍的图片,从放大图5b可以看到,纳米WC涂层的摩擦表面光滑,没有沟壑产生,且磨屑的尺寸较小。这说明涂层的强度、硬度较高,磨环材料GCr15不能压入涂层中,只能通过表面的微凸体在涂层表面进行相对滑动,产生磨损,因而使涂层表面分布有相互平行的划痕,磨损机理为微动磨损。由于复合涂层中弥散分布有大量的纳米WC硬质颗粒,所以使得涂层的耐磨性能较基体有很大的提高。

3　结　论

(1)采用电压为20 V,电流125 A,熔覆速度20 cm/min,焊头氩气流量为3 L/min,注射器氩气流量3 L/min的工艺参数,制备氩弧熔覆-注射涂层技术可行。

(2) 纳米WC与熔点较低的液相Ni60A和45钢表面形成的熔池中,在热对流搅拌作用下,均匀地分散在涂层中,涂层与基体为冶金结合。

(3) 纳米WC涂层的显微硬度最高可达1 677.4 MPa,涂层的耐磨性能比基体提高近50倍,涂层的耐磨机理为磨料磨损和微动磨损。

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[11]马壮, 李剑, 张璐, 等. 氩弧熔覆技术特点及研究现状[J]. 热加工工艺, 2012(10): 162-165.

(编辑徐岩)

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

黑龙江省教育厅科学技术研究项目(12541705)

王振廷(1965-)男, 黑龙江省鸡西人,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

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