为了提高工件的耐磨性,可采用热喷涂、表面涂敷及高能熔敷<1-3>等方法.碳化钨(WC)具 有硬度高,热膨胀系数低,塑性好以及与金属之间良好的润湿性等优点,在提高耐磨性方面有很大 的潜能,因而广泛应用于材料表面的强化层中,以提高材料的磨粒磨损性能,延长产品的使用寿命 .由于镍基合金熔点低,在氧-乙炔火焰温度下即可熔化,形成韧性较好的基体,而WC的硬度很 高,高温下也很稳定,并不完全熔化,只有颗粒表层部分熔化与基体形成冶金结合,以硬质合金的 形式均匀分布在基体上,颗粒与基体结合良好,这些性能使镍基WC粉在耐磨涂层中具有广泛的应 用前景<4-5>.但超细WC对涂层耐磨性的影响研究较少,为此,笔者研究不同体积分数的超 细WC添加到F102镍基合金粉末中对耐磨涂层的影响;并分析产生这种影响的原因.1试验选 用Q235低碳钢为基材、上海斯米克焊材有限公司生产的F102镍基合金粉末(通过150目)和自制的亚微米WC(600nm左右)为喷粉.F102合金粉末中WC的体积分数分别为0%、1%、2%和5%.喷焊混合 合金粉的制备:将亚微米级WC加入以PEG400为分散剂的分散体系中,超声振荡,然后加入F102粉末,超声半小时,湿磨24h,烘干,研磨,过筛.粒度≥150目.喷枪型号为SPH-2/h.喷涂前先用丙酮除油,然后 用锉刀表面粗化,粗化后的试样要注意保护,不要粘上灰尘和手印.2涂层性能检测2·1耐磨性 试验先将喷焊好的试样在磨床上磨去表面的熔渣层并清洗,然后在河北宣化材料试验机厂生产的M LS-23型湿沙橡胶轮式磨损试验机上进行湿砂磨粒磨损试验.橡胶轮的硬度为邵氏硬度75,转速240r/m in.磨粒为普通河沙,主要成分为SiO2,粒度在20~60目间.湿沙配比为1·3 kg砂子+600 m l水.试样磨损前后均用丙酮清洗吹干,用感量为1 mg的天平称量磨损失重.为保证数据的可靠性和准确性,每种涂层均制备两块试样,作两次磨损试验,取其平均值.磨损时间为1 h.2·2显微硬度用HXD-1000型显微硬度仪测定涂层硬度,载荷为100 g,压头保持时间为20 s.3试验结果及分析表1为含不同体积分数WC的喷焊层的显微硬度和磨损量.从表中可看出,WC的体积分数为1%时,喷焊层的耐磨性最好,磨损量最小,硬度最高.表1含不同体积分数WC的喷焊层的显微硬度和磨损量T ab.1 M icrohardness and w ear exten t of the coa tings pre-pared by d ifferen t vo lum e cen ten t ofW C试样编号体积分数/%磨损量/mg硬度值/HV1 0 142 9262 1 99 1 2653 2 250 1 0694 5 397 1 0343·1耐磨性与W C硬相图1是复合涂层磨损过程的示意图.从图中可以看出,在磨损的初始阶段,N iCrBSi基体的磨损速率大于WC硬质相的磨损速率,磨损失重主要来源于基体,随着磨损的进 行,WC颗粒逐渐露出表面而被磨损,这时,磨损失重中WC颗粒所占比例增加.由于WC的密度(1.56×104kg/m3)比NiCrBSi基体的密度(8·2×103kg/m3)大得多,所以随磨损进行,磨削体积将会大幅度减少,因此复合涂层中的WC硬相在磨损过程中对基体起到很好的保护作用.图1 WC(N iCrBS i)涂层耐磨过程示意图F ig.1 Sketch m ap of wear process在材料的磨粒磨损过程中,材料的表层破坏形式主要有3种:微切削、犁沟效应造成 的材料塑性变形和基体中硬相质点的断裂剥落.在这3种机制中,微切削是造成磨损的主要原因, 这主要是由那些嵌入深度明显地比硬相质点尺寸大的磨粒所造成的,如图2所示<6>.图2磨粒磨损过程中微观切削机制示意图Fig.2 Sketch m ap of m icrocom ic cutting m echan ism in com-posite m aterial during abrasion分析认为,弥散分布在软基体中的硬质相WC增大了复合材料的整体硬度,从而能 够阻止大部分磨粒嵌入其中;已嵌入的磨粒会与基体硬质相质点碰撞挤压,部分磨粒将被挤碎或磨 损而明显地散失切削能力,从而使磨粒的微切削距离大幅度缩短<6>.从表1可以看出,加入W C之后涂层的硬度比纯F102粉涂层的硬度明显提高,因而耐磨性也有所提高.一般地,磨粒磨损试验中,硬度越高,耐磨性越好<7>.WC的显微硬度(HV,1600~1 700)比N iCrB-Si基体的显微硬度(HV,750~950)要高,所以理论上WC含量越高,耐磨性 越好.另一方面,WC含量越高,涂层中WC颗粒间距就越小,所以被石英砂磨损的基体也就越少 ,同时有越多的起耐磨作用的WC颗粒露出表面<8>.3·2耐磨性与空洞在热喷焊过程中,熔 融或接近熔化态的粒子,以高速冲击经过预处理的基材表面,经过多次堆积后形成涂层.粒子冲击 基体后冷却并凝固结晶.熔融粒子基本上是独立完成这些过程而不相互干扰.因此,从整体看涂层 系由若干小薄片堆积而成.这些薄片在接触表面上可能出现局部的扩散堆焊,同时存在大量的空洞 .由于自制WC中C含量较多,在喷涂过程中的高温作用,C被氧化成CO2,来不及溢出表面, 从而形成气孔,如图3a所示.这可以通过激光熔覆或降低WC中C含量来改善<9>.另一方面 ,磨粒磨损介质有水,水会进入空洞,静止水的腐蚀能力虽然很小,但高速流动的水则具有很强的 腐蚀作用.磨损增加了表面能量,加剧了腐蚀.腐蚀和磨损相互促进,他们所起的作用并不是简单 的叠加,而存在交互作用<4>,所以,空洞越多,磨损也就越严重;同时,如果空洞过大,石英 砂会嵌入其中,磨粒将以空洞为台阶,产生切削作用,从而加大磨损量.如图3b所示,WC体积分数大于2%时,空洞比较大,磨损以空洞为起点,产生切削磨损,降低涂层的耐磨性.图3WC喷焊层磨损表面SEM照片F ig.3 SEM im ages of coating wear surface综上所述,涂层的质量并不随着WC的体积分数的增加而增加,当WC体积分数超过 1%时,涂层的耐磨性下降较多,而硬度下降很少.其相对耐磨性如图4所示.从图中可以看出,WC体积分数为1%的镍基涂层耐磨性最好.图4涂层的相对耐磨性Fig.4 Relative wear resistance of coating4结论(1)在钢的基体上,利用自熔合金中加入亚微米WC进行火焰喷焊,可以获 得质量较好的涂层,涂层的耐磨性较不加WC的涂层有较大提高.(2)WC体积含量为1%时喷 焊层的质量最好,耐磨性较好,硬度也较高.随着WC含量的进一步增加喷焊层的质量反而有所下 降.(3)磨粒磨损试验中,涂层的耐磨性主要与涂层硬度、WC硬相的含量、空洞的数量及大小 等因素有关.硬度越高,WC硬相越多,空洞越少、越小,涂层的耐磨性越好;反之越差.超细碳化钨体积分数对喷焊层耐磨性的影响@陈志刚$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013
@汤小丽$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013
@苏静$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013
@刘曦$江苏大学材料科学与工程学院!江苏镇江212013为了获得质量较好的喷焊层,提高喷 焊层的耐磨性,在镍基自熔性合金粉末F102中加入不同体积分数的亚微米碳化钨(WC)进行 氧-乙炔火焰喷焊.通过磨粒磨损试验、显微硬度测试和显微组织分析,研究了不同WC体积分数 对喷焊层质量及其耐磨性的影响.试验结果表明WC的体积分数为1%时,喷焊层的质量最优,耐 磨性最好,硬度也最高.但随着WC体积分数的进一步增加,喷焊层的耐磨性和硬度反而有所下降 .涂层的耐磨性主要与涂层硬度,WC硬相的含量,空洞的数量及大小等有关.硬度越高,WC硬 相越多,空洞越少、越小,涂层的耐磨性越好,反之越差.超细碳化钨;;耐磨性;;火焰喷焊;;磨粒磨损;;体积分数<1>SurenderM,BasuB,Balasubram an iam R.W ear cha-racterization of electrodeposited N i-WC composite coa-tings
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