WC顆粒增強Fe基合金涂層的顯微組織與耐磨性能

高萬東

(安徽省特種設備檢測院, 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良的耐磨性能和低廉的價格得到了廣泛的應用[1-5]。然而,金屬基復合材料往往不得不忍受沖擊、磨損和腐蝕的影響[6-8]。面對各種嚴苛的工作條件,金屬基復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材料,鐵基合金對WC有很好的潤濕性。因此,采用等離子噴焊表面改性技術制備WC增強Fe基合金耐磨涂層具有一定的學術價值和應用價值[12-15]。

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

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

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

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

1.2 試樣準備

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備制備了復合層。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。工藝參數如表1所示。

表1 等離子噴焊主要工藝參數

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

對噴焊好的涂層橫截面采用三氯化鐵溶液(FeCl3∶HCl∶H2O=5∶15∶85)進行腐蝕,然后通過掃描電鏡(SEM)觀察微觀結構。通過能譜儀(EDS)測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。

對于涂層的硬度分析采用顯微硬度計,加載載荷為9.8 N,加載時間為15 s,并對每個測試點取3次測量結果平均值進行分析。

1.4 耐磨性測試

將涂層試樣切成φ4.8 mm×12 mm的圓柱狀,然后進行磨損試驗。磨損試驗由自制摩擦磨損測試儀進行。將樣品固定在磨損試驗機上,與粒度大小為23 μm左右的圓形金剛石片對磨。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 試驗結果與分析

2.1 WC在涂層中的分布和形態

WC顆粒截面上的分布形態如圖3所示,從圖3可以看出,WC顆粒的分布與WC粉末進料電壓的不同有很大的差異。從圖3(a)可以看出,當WC粉末進料電壓較低時,涂層的上部WC顆粒分布較少,而在涂層的中部和底部發現了大量的圓形WC顆粒,WC顆粒分布不均勻;當WC粉末進料電壓較高時,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粉末進料電壓下WC/鐵基復合涂層的橫截面SEM顯微照片Fig.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 涂層的顯微組織結構

圖4顯示了涂層在不同WC粉末進料電壓下的X射線衍射結果。涂層中存在的相主要為WC、W2C、Cr23C6、Fe3W3C、Cr3C2和Cr7C3。結果表明,不同WC粉末進料電壓的涂層的衍射峰基本相同,但由于等離子體噴焊時的參數不同,衍射峰相對強度有差異。

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

不同WC粉末進料電壓下涂層的微觀結構相似,12 V時涂層中的WC顆粒分布最均勻。以WC粉末進料電壓12 V時的涂層為例,分析WC/鐵基復合涂層的微觀結構,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顆粒在高溫下發生了大量相變反應: 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間擴散,因此包晶轉變是不完全的。B處的微觀組織為黑色,稱為黑色微觀結構。這些相的EDS分析結果如表2所示,從表2可知,B處的鎢和碳的原子分數分別僅為3.2%和17.9%,遠低于C和D位置中的鎢和碳含量。這種現象的原因是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再結晶,所以B中的鎢含量很少。圖5(a)顯示魚骨結構的C是呈網狀結構,分布于WC顆粒周圍,它的SEM放大圖如圖5(c)所示。根據高速鋼的相圖,魚骨結構的C相變反應為L→γ+M6C,所以C的微觀結構為萊氏體組織的共晶轉變。魚骨結構的主要組成為M6C、WC和鉻化合物,D處的鎢和碳原子分數約為27.5%和31.4%。圖5(a)表明,D可能是萊氏體組織結構。從EDS分析結果來看,D中的鎢和碳的含量已經下降,但Fe和Cr增加。

表2 圖5中不同位置的EDS分析結果(原子分數,%)

圖5 WC/鐵基復合涂層的微觀結構形貌(進料電壓12 V)(a)涂層的微觀組織;(b)WC顆粒周圍的微結構;(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點。進料電壓10 V和12 V時,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顆粒的注入導致涂層中形成大量的碳化物組織,導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。這是因為WC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,從而導致底部的硬度提高。

圖6 不同WC粉末進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

摩擦磨損試驗發現,隨著進料電壓的升高,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。進料電壓為8 V時,涂層在0～10 s的時間內快速磨損,磨損率在隨后的時間內變慢。當進料電壓為12V時,涂層的磨損量最小,這是由于在進料電壓為12 V時,涂層中WC數量增多,且分布比較均勻,WC顆粒有效地阻止了對涂層的摩擦作用,且涂層中生成的碳化物組織增多,對基體起到良好的支撐作用。

圖7 不同WC粉末進料電壓下涂層的磨損量隨摩擦時間的變化曲線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粉末進料電壓下涂層的磨損表面細節顯微照片,不同進料電壓下涂層的磨損表面形貌幾乎相同,可以發現有大量的溝槽,說明磨損的主要機理是磨料磨損。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粉末進料電壓下涂層磨損表面的顯微照片Fig.8 Worn surface morphologies of the coatings under different WC powder feed voltages (a) 8 V; (b) 10 V; (c) 12 V

3 結論

1) 涂層的組織隨著進料電壓的不同而改變,當進料電壓為8 V時,WC顆粒分布不均勻,當進料電壓為12 V時,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。對涂層進行物相分析時,發現涂層存在的相主要為WC、W2C、Cr23C6、Fe3W3C、Cr3C2和Cr7C3。

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