孟君晟,　丁　天

(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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氬弧熔敷原位自生WC復(fù)合涂層組織及耐磨性

孟君晟,丁天

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

為提高采煤機(jī)中截齒的耐磨性能,利用氬弧熔敷技術(shù),在35CrMnSi鋼表面制備WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層。利用OM、SEM、XRD和EDS分析復(fù)合涂層的顯微組織,采用顯微維氏硬度儀測試復(fù)合涂層的顯微硬度,并測試涂層在室溫磨損條件下的耐磨性能。結(jié)果表明:氬弧熔敷涂層組織均勻致密,熔敷涂層與基體呈冶金結(jié)合,主要由WC、W2C、γ-Ni、(Fe,Cr)23C6等物相組成;WC顆粒呈彌散分布,顆粒尺寸為1 μm;熔敷涂層可以改善基體的表面硬度, 最高顯微硬度可達(dá)12.6 GPa;熔敷涂層在室溫沖擊磨粒磨損實(shí)驗(yàn)條件下,具有優(yōu)異的耐磨性,磨損機(jī)制主要是磨粒磨損,其耐磨性較35CrMnSi基體提高近12倍。

35CrMnSi; 氬弧熔敷; WC; 顯微組織; 耐磨性

0　引　言

截齒是采煤機(jī)上直接切割煤巖和煤層的關(guān)鍵部件，主要分為刀型和鎬型截齒兩類[1]。 由于它直接受煤及巖石的摩擦和沖擊,所以實(shí)際生產(chǎn)中對其性能要求必須滿足高耐磨性、強(qiáng)韌性以及切削穩(wěn)定性[2]。目前,截齒的失效形式主要包括磨損、合金齒頭脫落和齒體折斷等[3],其中截齒齒體的磨損會導(dǎo)致硬質(zhì)合金頭過早脫落。因此,齒體的耐磨性成為影響其使用性能的重要因素。近年來,材料表面改性技術(shù)受到關(guān)注。它可提高材料表面性能,延長使用壽命,得到廣泛的應(yīng)用。截齒表面改性的方法主要有堆焊,等離子噴涂、激光熔敷和感應(yīng)熔敷技術(shù)等[4-9]。但采用這些方法不僅設(shè)備昂貴,操作復(fù)雜而且獲得涂層的質(zhì)量難以達(dá)到使用要求,不利于進(jìn)行推廣。氬弧熔敷技術(shù)的熱量集中，在熔敷過程中，材料受氬氣保護(hù)，加熱和冷卻過程中無氧化和燒損現(xiàn)象，且具有設(shè)備便宜、操作簡單、使用便利、易于推廣等優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。筆者選用W粉、C粉和Ni60粉為熔敷材料,制成陶瓷棒,利用氬弧熔敷技術(shù)在截齒用鋼35CrMnSi合金表面,制備原位生成碳化鎢顆粒增強(qiáng)鎳基耐磨涂層,對其熔敷涂層的顯微組織、結(jié)構(gòu)及耐磨性能進(jìn)行研究。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1涂層制備

基體材料選用35CrMnSi合金,試樣尺寸50 mm×20 mm×10 mm,用干磨砂紙對表面進(jìn)行打磨,用丙酮和無水乙醇做除銹、去油處理。選用碳粉、鎢粉和Ni60A的混合粉末為熔敷材料,其中鎢粉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99%,粒度為5～8 μm,(W+C)混合粉末的質(zhì)量占總質(zhì)量的30%,其中W與C的摩爾比為1∶1。將熔敷粉末進(jìn)行球磨混合后用黏結(jié)劑將粉末制成陶瓷棒,平均直徑為2.0 mm,將其放置在DHG-9070A型干燥箱,用150 ℃保溫2 h。采用MW3000型數(shù)字式焊機(jī)進(jìn)行熔敷試樣制備,工藝參數(shù)為:電流160 A,電壓20 V,氣體流量9 L/min;熔覆速度2 mm/s。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

對熔敷涂層進(jìn)行金相試樣制備,使用V(HNO3)∶V(HF)=9∶1的腐蝕液腐蝕。采用RigakuD/max2200型X射線衍射儀進(jìn)行物相分析,MX2600FE型掃描電子顯微鏡(SEM)和蔡司光學(xué)顯微鏡(OM)對熔敷涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察,MHV2000型顯微硬度計(jì)測量熔敷涂層沿層深方向的硬度分布。利用MLD10動載磨粒磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫沖擊磨損實(shí)驗(yàn),試樣尺寸為10 mm×10 mm×30 mm,磨環(huán)為淬火態(tài)的GCr15鋼(硬度為6.5～6.7 GPa),磨粒為石英砂。磨損實(shí)驗(yàn)力為98 N,沖擊次數(shù)200次/min,試樣轉(zhuǎn)數(shù)為200 r/min,時間30 min。實(shí)驗(yàn)前后用無水乙醇將試樣清洗干凈,用精度為0.000 1 g的FC204型電子天平稱量試樣磨損前后的質(zhì)量。

2　結(jié)果與討論

2.1組織特征及物相

圖1是氬弧熔敷WC增強(qiáng)Ni基復(fù)合涂層橫截面形貌光學(xué)顯微照片(100×)。從圖1可看出,熔敷涂層與基體呈冶金結(jié)合,界面無氣孔、夾雜等缺陷,熔敷層內(nèi)組織均勻、致密,并存在過渡層。圖2為氬弧熔敷涂層X射線衍射圖譜。由圖2可知,氬弧熔覆涂層表面主要是由WC相、W2C相,γ-Ni和(Fe,Cr)23C6組成。

圖1　氬弧熔敷WC/Ni基涂層光學(xué)顯微照片

圖2　氬弧熔敷WC/Ni基涂層X射線衍射

2.2涂層組織

圖3為氬弧熔敷涂層不同區(qū)域顯微組織照片。從圖3中可以看出,熔敷表層(圖3a)和底層(圖3b)的組織存在明顯差別。圖3a為氬弧熔敷表層背散射照片,圖中方塊狀的白色顆粒為WC顆粒,平均尺寸為1 μm,WC顆粒細(xì)小且彌散分布于涂層表層中。底層如圖3b所示,WC顆粒幾乎不存在,主要為樹枝晶組織。分析認(rèn)為,在氬弧熔敷過程中,電弧使基體表面發(fā)生熔化的同時將對陶瓷棒粉末進(jìn)行攪拌,形成混合熔體。由于基體晶界結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致固/液界面在微觀尺度上發(fā)生不均勻的起伏,熔池與基體的固/液界面的遷移速度遠(yuǎn)大于顆粒的移動速度,快速加熱冷卻氬弧熔敷過程,使得生成的顆粒來不及向熔池底部遷移,而是彌散分布于熔池的上部不斷形核長大。根據(jù)結(jié)晶成分過冷理論,凝固金屬的結(jié)晶形態(tài)主要取決于結(jié)晶前沿的液相成分、結(jié)晶方向上的溫度梯度和凝固速度[12]。在熔池底部,結(jié)晶的溫度梯度大且過冷度小,這有利于熔池底部以平面晶的形態(tài)形核長大,隨結(jié)晶過程向涂層表面推進(jìn),主要受到成分過冷的作用,固/液界面前沿溫度梯度變小,冷卻速度降低,晶體生長方向受到傳熱條件的控制,從而形成枝狀晶。

圖3　氬弧熔敷WC/Ni基涂層SEM形貌

氬弧熔敷過程中基體中的W和C相互作用會發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng):

(1)

(2)

(3)

根據(jù)文獻(xiàn)[13]中的熱力學(xué)數(shù)據(jù),通過計(jì)算可以得出以上各反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布自由能與溫度的關(guān)系,見圖4。 由圖4可知,溫度在500～2 200 K時,反應(yīng)(1)和(2)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化均小于零,在熱力學(xué)上,吉布斯自由能最負(fù)的反應(yīng),對應(yīng)的生成物最穩(wěn)定,因此,WC和W2C是W-C體系中的穩(wěn)定相。

圖4　吉布斯自由能ΔG隨溫度的變化

2.3顯微硬度及耐磨性

氬弧熔敷WC/Ni基涂層由表面至基體的顯微硬度如圖5所示。從圖5中可以看出,熔敷涂層的顯微硬度較高,最高可達(dá)12.60 GPa,是基體金屬的4倍以上,且沿層深方向呈梯度分布。熔敷試樣硬度分布分為熔敷區(qū)、過渡區(qū)(TZ)和熱影響區(qū)(HAZ)三個區(qū)域。由于熔敷區(qū)有大量硬質(zhì)相WC的生產(chǎn),且彌散分布于涂層中,導(dǎo)致該區(qū)硬度高;過渡區(qū)組織主要由樹枝晶組成,該區(qū)域固溶了大量的合金元素,形成固溶強(qiáng)化,硬度較高。

圖5　氬弧熔敷WC/Ni基涂層顯微硬度曲線

圖6所示為氬弧熔敷WC/Ni基涂層與35CrMnSi合金基體的相對耐磨性。從圖6中可以看出,熔敷涂層的耐磨性ε較35CrMnSi合金基體提高了近12倍。

圖6　35CrMnSi合金與熔敷涂層相對耐磨性

圖7為35CrMnSi合金基體與熔敷涂層磨損表面形貌。圖7a為35CrMnSi合金基體的磨損形貌。從圖7a可知,35CrMnSi合金基體磨損表面比較粗糙,犁溝比較深,表面黏附磨屑較多。這是由于硬度較高的GCr15表面的硬質(zhì)點(diǎn)以及石英砂的共同作用,在35CrMnSi合金表層形成切削作用,從而產(chǎn)生較深的犁溝。且由于35CrMnSi合金基體相對硬度較低,較硬的GCr15鋼對軟的基體易于產(chǎn)生黏著,當(dāng)在沖擊載荷作用下發(fā)生相對運(yùn)動時,基體表層不斷產(chǎn)生塑形變形,當(dāng)變形達(dá)到一定程度將發(fā)生剪斷。通常情況下在軟金屬表層容易發(fā)生這種剪斷作用,在磨料和沖擊的共同作用下使得35CrMnSi合金表面產(chǎn)生較深的犁溝和黏著。這表明在沖擊磨損作用下35CrMnSi合金的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損和黏著磨損的特征。氬弧熔敷涂層的磨損表面形貌如圖7b所示。從圖7b中可以看出,熔敷涂層磨損表面比較光滑,黏著痕跡較少,且產(chǎn)生的犁溝深度較淺,其磨損機(jī)制主要是磨料磨損。熔敷涂層表面生成硬度很高的WC顆粒,且均勻彌散地分布在整個涂層表面,使熔敷涂層具有較高的硬度,GCr15對磨環(huán)表面微凸體難以有效的壓入涂層表層內(nèi),在沖擊載荷和石英砂的作用下,只能在涂層表面產(chǎn)生顯微切削作用,而黏著傾向較輕。這是由于在氬弧熔敷過程是快速熔化和凝固過程,所得的涂層組織均勻、細(xì)小,原位自生的WC顆粒與金屬基體達(dá)到良好的強(qiáng)韌配合,形成細(xì)晶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化,且熔敷涂層中固溶了大量的合金元素,產(chǎn)生硬度較高的固溶體,形成固溶強(qiáng)化。在上述因素的影響下,氬弧熔敷涂層具有優(yōu)異的抗沖擊磨損性能。

圖7　35CrMnSi合金基體與熔敷涂層的磨損表面形貌

3　結(jié)　論

(1)以W粉、C粉和Ni60粉為原料,采用氬弧熔敷技術(shù),在35CrMnSi合金表面成功制備出以WC為增強(qiáng)相的復(fù)合涂層。

(2)氬弧熔敷層主要由WC、W2C、γ-Ni和(Fe,Cr)23C6物相組成,增強(qiáng)相WC以方塊狀彌散分布在基體上,顆粒尺寸約為1 μm。

(3)熔敷涂層至基體表面的顯微硬度逐漸降低,最高硬度可達(dá)12.6 GPa,在室溫沖擊磨粒磨損條件下,熔敷涂層具有優(yōu)異的耐磨性能,比基體提高近12倍。

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(編輯徐巖)

Microstructure and wear resistance of WC composite coating in situ synthesized by argon arc cladding

MENGJunsheng,DINGTian

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

Aimed at improving the wear resistance of cutting teeth of Shearers, this paper introduces Ni-based composite coating reinforced by WC particle, prepared on the surface of 35CrMnSi steel using argon arc cladding technique with the pre-alloyed powder of W, C and Ni60. The paper presents an analysis of the microstructure of the coating by optical microscope, scanning electron microscopy(SEM), X-ray diffraction(XRD) and energy-dispersive spectrum(EDS), an examination of microhardness, and a test of wear resistance at room temperature of the composite coating by means of Microhardness tester and impact abrasion resistance tester respectively.The results suggest that there is the uniform and dense bonding in Argon arc cladding coating, and a metallurgical bonding between cladding coating and the substrate, consisting mainly of the main phases, such as WC、W2C、γ-Ni,and(Fe,Cr)23C6; that the WC particles, dispersively distributed in the cladded coating is in the range of 1 μm; the composite coating reinforced by WC particle allows the surface hardness of 35CrMnSi steel to be improved; that the highest microhardness could be up to 12.6 GPa; that the composite coating has excellent wear resistance under impact abrasion test conditions and the wear mechanism of coatings results from abrasive wear; and that composite coatings show almost 12 times higher wear resistance than 35CrMnSi steel.

35CrMnSi; argon arc cladding; WC; microstructure; wear resistance

2013-06-01

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(11551419)

孟君晟(1982-),男,黑龍江省雞西人,工程師,博士研究生,研究方向:金屬材料表面工程,E-mail:mengjs2008@live.cn。

10.3969/j.issn.1671-0118.2013.04.007

TG174.44

1671-0118(2013)04-0345-05

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