王振廷,馮　帆,朱士奎

(1.徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室,江蘇 徐州 221008;2.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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氬弧熔覆制備25Ni-10Zr-10Mo-15WC-40B4C復(fù)合涂層組織及耐磨性

王振廷1,2,馮帆2,朱士奎2

(1.徐州工程學(xué)院 江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室,江蘇 徐州 221008;2.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022)

零件表面改性技術(shù),是提高其使用壽命的重要方法之一,以Ni粉、Zr粉、Mo粉、WC粉和B4C粉為原料,采用鎢極氬弧熔覆工藝在Q235鋼表面原位合成了(Fe,Mo,W)2B,(Fe,Mo,W,Zr,Ni)(B,C),(Zr,Mo,W,Fe)C0.7增強α-Fe基復(fù)合涂層。利用掃描電鏡(SEM)、X射線衍射儀(XRD)、能譜分析儀(EDS)等分析手段對熔覆層的顯微組織和物相進行分析,采用顯微硬度測試計和摩擦磨損實驗機對熔覆層的硬度及其耐磨性進行測試。結(jié)果表明:熔覆層與Q235鋼基體呈良好的冶金結(jié)合,未見氣孔、裂紋等缺陷。其增強相顆粒有大的圓塊狀、不規(guī)則長條狀和小的八面體狀彌散均勻地分布于基體當(dāng)中;部分八面體小顆粒鑲嵌在大顆粒上。復(fù)合涂層區(qū)域平均顯微硬度約13.7 GPa,最高可達14.6 GPa;在室溫干滑動磨損實驗條件下,熔覆層呈現(xiàn)優(yōu)異的耐磨性,其耐磨性約為基體Q235鋼的20倍。

氬弧熔覆;原位合成;熔覆層;耐磨性

0　引　言

材料的摩擦磨損常常發(fā)生在零部件表面,如何提高零件的表面性能和使用壽命越來越受到關(guān)注,近年來,表面改性技術(shù)發(fā)展迅速,表面熔覆作為表面改性的重要方法,尤其受到相關(guān)科學(xué)工作者的重視[1-2]。熔覆技術(shù)可以根據(jù)零部件的不同需求,以較為廉價的生產(chǎn)成本,結(jié)合原位自生反應(yīng),在材料表面制備出具有高強度、高硬度、化學(xué)穩(wěn)定性良好的陶瓷顆粒作為增強相[3]。目前,熔覆常采用激光、等離子束和電子束等能量密度較高的熱源[4],涂層厚度較薄且均勻,但使用設(shè)備昂貴,難于操作。因此,氬弧熱源被廣泛應(yīng)用。氬弧熱源具有熱量大、熔深大,設(shè)備簡單,易于操作等優(yōu)點[5-6]。其原位合成反應(yīng)生成的顆粒與基體具有良好的浸潤性和結(jié)合強度,顆粒細小,分布均勻,界面無夾雜物,被視為解決界面問題的有效方法[7-8]。在眾多的陶瓷增強顆粒當(dāng)中,作為常用陶瓷增強顆粒之一,ZrC具有高熔點(3 530 ℃)、高硬度、高彈性模量和優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性,與鋼液的潤濕性良好,是理想的陶瓷增強相,成為材料表面硬化技術(shù)中日益受到重視的材料[9]。在已有相關(guān)研究的基礎(chǔ)上[10],筆者以Ni粉、Mo粉、Zr粉、WC粉和B4C粉為原料,采用鎢極氬弧熔覆工藝在Q235鋼表面原位合成25Ni-10Zr-10Mo-15WC-40B4C復(fù)合涂層,對涂層的顯微組織、物相、硬度和耐磨性進行研究。

1　實驗材料與方法

選取100 mm×20 mm×10 mm的Q235鋼作為基體材料,磨光后用丙酮和無水乙醇清洗,保證試樣清潔。以Ni粉、Zr粉、Mo粉、WC粉和B4C粉為原料,質(zhì)量分數(shù)配比分別為25%、10%、10%、15%和40%。Ni粉、Mo粉和Zr粉的純度為99.9%,平均粒度20 μm,WC粉和B4C粉純度均為99.5%,平均粒度30 μm。

首先,將待熔覆的混合粉末用黏結(jié)劑調(diào)成乳膠狀并均勻涂覆于Q235鋼基體表面,預(yù)涂層厚度控制在1.5 mm;然后將試樣置于室溫通風(fēng)條件下自然干燥24 h,最后用DZ-2BC型真空干燥箱120 ℃下烘干1.5 h。選用MW3000型數(shù)字式直流鎢極氬弧焊機進行熔覆實驗,電流130 A,氣流量12 L/min,焊速8 mm/s;室溫下冷卻獲得約1.2 mm熔覆涂層。采用NH7720型電火花切割機將熔覆后的試件沿垂直涂層表面方向切開制備試樣,試樣尺寸為20 mm×10 mm×10 mm;使用10%HF+90%HNO3對試樣塊進行腐蝕,時間為2 s。熔覆試樣顯微組織觀察由MX-2600FE型掃描電鏡(SEM)完成,并結(jié)合依附于該掃描電鏡的OXFORD型能譜分析儀分析熔覆涂層的元素分布。用XD-2型X射線衍射儀對涂層進行物相分析。采用MHV-2000型顯微硬度計沿平行于涂層厚度方向每隔0.2 mm打點,進行涂層的顯微硬度測試,載荷0.98 N,加載時間為10 s。在MMS-2B型磨損實驗機上作室溫干滑動摩擦實驗:試樣沿熔覆件縱向切割成10 mm×10 mm×10 mm的立方體試樣塊,用直徑40 mm,硬度為60 HRC的GCr15作對磨環(huán),法向載荷200 N,對磨時間90 min,動磨輪轉(zhuǎn)速200 r/min。采用FC204型電子天平(精度為萬分之一)進行磨損質(zhì)量的測量,并與相同實驗條件下相同尺寸的Q235鋼的磨損質(zhì)量進行對比。

2　結(jié)果與分析

2.1熔覆層截面顯微組織及其分布特征

圖1a為氬弧熔覆涂層橫截面的宏觀照片,圖1b為氬弧熔覆涂層橫截面SEM掃描照片。

圖1　氬弧熔覆涂層橫截面照片

從圖1中可以看出,該橫截面被劃分為三個區(qū)域,這些區(qū)域被稱為熔覆區(qū)、過渡區(qū)和基體。熔覆區(qū)最大厚度約為1 200 μm,彌散分布的顆粒數(shù)量較多;過渡區(qū)厚度40 μm,顆粒分布明顯減少,基體與熔覆層之間通過擴散層形成良好的冶金結(jié)合,界面處無氣孔及裂紋。

圖2為涂層內(nèi)部不同區(qū)域SEM照片。

圖2　涂層內(nèi)部SEM照片

從圖2中可以看出,熔敷層主要由三種顆粒組成:圓塊狀的大顆粒、長條狀的長顆粒和八面體狀的小顆粒。不同形態(tài)的顆粒彌散均勻地分布于基體之中,其中小顆粒或彌散分布在基體中或鑲嵌在大顆粒上。從涂層中部向上部觀察,生成的增強相比其他部位顆粒明顯得多,而且分布較為均勻。

氬弧熔覆涂層能譜測試見圖3。從圖3可以看出,大塊圓顆粒主要由Fe、Ni、Zr、Mo、W、B、C等元素組成;長狀顆粒主要由Fe、Ni、Mo、W、B、C等元素組成;小八面體顆粒主要由Fe、Ni、Zr、W、C等元素組成;涂層體中由于基體的稀釋作用,涂層中含有大量的Fe元素。

圖3　熔覆涂層能譜測試

2.2熔覆涂層的物相分析

圖4為氬弧熔覆涂層試樣XRD衍射圖譜。從X射線衍射譜中可知,熔覆涂層中主要存在的物相有(Zr,Mo,W,Fe)C0.7,(Fe,W,Mo)2B,(Fe,Mo,W,Zr,Ni)(B,C)等碳化物和硼化物和α-Fe相。結(jié)合能譜分析可推斷:大塊圓顆粒中的代表物相為(Fe,Mo,W,Zr,Ni)(B,C);長狀顆粒中的代表物相為(Fe,W,Mo)2B;小八面體顆粒中的代表物相為(Zr,W,Fe)C0.7。

圖4　熔覆試樣XRD衍射圖譜

2.3熔覆層的顯微硬度及耐磨性

圖5為熔覆涂層顯微硬度沿厚度方向分布曲線。由圖5可知,熔覆涂層的熔覆區(qū)具有很高的顯微硬度,平均為13.7 GPa,最高可達14.6 GPa。過渡區(qū)顯微硬度明顯降低,從12.51 GPa突然降至2.51 GPa,幾乎接近基體顯微硬度,且沿涂層深度方向的硬度呈下降趨勢。通過數(shù)據(jù)分析,熔覆區(qū)的平均硬度大約是基體平均硬度的6.05倍,這是由于在熔覆區(qū)彌散均勻分布著原位自生的大圓塊狀、長條狀和八面體小顆粒,其彌散強化作用使該區(qū)域硬度得以提高。再者,由于涂層中含有大量的合金元素Ni、Mo、W等,使其產(chǎn)生固溶強化作用,也在一定程度上提高了硬度。在氬弧高溫?zé)嵩慈鄹策^程中會產(chǎn)生稀釋作用,產(chǎn)生了厚度約40 μm的過渡區(qū)。在相同實驗條件下Q235鋼的磨損量約為熔覆層磨損量的20倍,該熔覆層具有優(yōu)異的耐磨性。

圖5　熔覆涂層顯微硬度沿厚度方向分布曲線

Fig.5Micro hardness distribution curve alongdirection of cladding layer

3　結(jié)　論

(1)以Ni粉、Zr粉、Mo粉、WC粉和B4C粉為原料,采用鎢極氬弧熔覆工藝,在Q235鋼表面成功制備了25Ni-10Zr-10Mo-15WC-40B4C原位自生的復(fù)合涂層。

(2)增強相由大塊圓顆粒(Fe,Mo,W,Zr,Ni)(B,C),長條狀顆粒 (Fe,W,Mo)2B和小八面體顆粒(Zr,W,Fe)C0.7構(gòu)成,基體與涂層之間呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合,且不存在氣孔、裂紋等缺陷。

(3)復(fù)合涂層從頂部到下方依次為熔覆區(qū)、過渡區(qū)、基體三個區(qū)域,顯微硬度沿著三個區(qū)域的深度方向依次降低,熔覆區(qū)最高硬度達到14.6 GPa,平均硬度約13.7 GPa,相當(dāng)于基體平均硬度的6.05倍。

(4)復(fù)合涂層在很大程度上改善了基體材料的表面耐磨性,干滑動摩擦?xí)r,在相同條件下涂層的耐磨性比基體提高了20倍。

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(編輯徐巖)

Research on microstructure and wear resistance of 25Ni-10Zr-10Mo- 15WC-40B4C composite coating preparation by argon arc cladding

WANG Zhenting1,2,FENG Fan2,ZHU Shikui2

(1.Jiangsu Key Laboratory of Large Engineering Equipment Detection &Control,Xuzhou 221111,China； 2.School of Materials Science &Engineering,Heilongjiang University of Science &Technology,Harbin 150022,China)

This paper is devoted to improving parts service life by surface modification technology.The improvement is made possible by the preparation of (Fe,Mo,W)2B,(Fe,Mo,W,Zr,Ni)(B,C),(Zr,Mo,W,Fe) C0.7enhanced α-Fe based composite coating on the surface of Q235 steel thanks to the use of the powders of Zr,Mo,Ni,WC and B4C as raw material and the adoption of in situ synthesis and the argon arc cladding technology.The validation is performed by analysis of the composite coating microstructure,its constituent,hardness and wear resistance by the means of scanning electron microscopy (SEM),X-ray diffraction (XRD),energy spectrum analyzer (EDS),microhardness tester and sliding wear tester.The results show that there are no pores,cracks and other defects with well metallurgical combination between cladding layer and Q235 steel substrate;the reinforced particles which are evenly dispersion discontinuously distributed in the matrix have large,round,irregular long strip,and a portion of small particles which shaped eight surface body embedded in large particles;coating layer has a highest micro hardness of 14.6 GPa,and wear resistance more than 20 times of Q235 steel substrate in the conditions of room temperature and dry sliding wear.

argon arc cladding;in situ synthesis;cladding layer;wear resistance

2015-02-14

江蘇省大型工程裝備檢測與控制重點建設(shè)實驗室開放課題(JLKLEDC201201)

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.2095-7262.2015.02.016

TG174

2095-7262(2015)02-0192-04

A