[返修稿]【2014041601378】45钢表面Ni60-WC高频感应熔覆层及其二次强化的研究

1、45钢表面Ni60-WC高频感应熔覆层及其二次强化的研究邢艳辉，贺平平（三门峡职业技术学院机电工程系，河南 三门峡，472000）摘要：采用高频感应熔覆技术在45钢试样表面制备厚度为0.4mm的Ni60-35WC强化层；并对感应熔覆层进行电接触二次强化。对制备的感应熔覆层，电接触二次强化层进行组织分析和性能测试，结果表明：熔覆层组织较为致密，但是存在孔洞、夹生缺陷；电接触二次强化后组织更加致密，孔洞减少，夹生层重新焊合，热影响区减小；XRD显示熔覆层与电接触强化层的相结构相同由WC、W2C、Cr23C6、Cr7C3、FeNi、Ni3Fe等相组成；电接触强化层的显微硬度和耐磨性较高频感应熔覆层有

2、了较大的提高。关键词：高频感应熔覆；电接触强化；显微组织；显微硬度；摩擦磨损中图分类号：TG174.44，TG115.21 文献标识码：AThe study of the Ni60-WC coating prepared by High Frequency Induction Cladding and Electrical Contact Strengthening on the Surface of 45 SteelXING Yanhui, HE Pingping（Sanmenxia Polytechnic Electrical Engineering, Henan Sanmenxia 47

3、2000）Abstract：WC reinforced Ni60 alloy composite cladding layers on 45 steel were prepared by high frequency induction heating sintering. Then the cladding layer was strengthened again by the electrical contact strengthening. The microstructure and properties of the cladding layer and strengthening

4、layer were studied in this paper. The results showed that the cladding layer has homogeneous microstructure with some holes and half-baked region. According to electrical contact strengthening, defects of cladding layer has been disappeared. XRD showed that the cladding layer and the strengthening l

5、ayer has the same phases including WC, W2C, Cr23C6, Cr7C3, FeNi, Ni3Fe. The micro-hardness and abrasion resistance of the electrical contact strengthening layer were better than those of the cladding layer.Key words: high frequency induction heating sintering, electrical contact strengthening, micro

6、structure, micro-hardness, tribological 45钢具有综合机械性能好、调制处理后硬度可控制范围宽等特点，具有广泛的应用1；可制造强度要求较高的零件，如曲轴、工夹具等。目前，磨损是轴类零件的主要失效方式之一，占失效零件量的80%2，因此，提高零件的耐磨性具有重要意义。在防腐、耐磨强化层制备领域，镍基自熔性合金具有重要应用价值3-4，而WC陶瓷粉末5具有熔点高、热硬性好等特点。因此，本论文决定采用Ni60-35WC制备预涂层，并采用高频感应熔覆技术制备熔覆层，为进一步研究其性能对熔覆层进行了电接触二次强化。1 实验材料及方法实验材料为热轧态的45钢，尺寸为60&

7、#215;30mm。涂层粉末材料采用粒度为200目的Ni60自熔性合金粉末及工业用WC粉末。其中Ni60合金化学成分(质量分数，%)：0.51.0C、1419Cr、3.55.作者简介：邢艳辉（1979-），女，河南孟津人，汉族，硕士，讲师，主要研方向：机械设计与制造，表面强化及热处理。E-mail：xyh9.9163. com0B、3.04.5Si、8.0Fe、余量为Ni。将质量分数分别为35%、65%的WC、Ni60粉末利用行星式球磨机混匀。45钢喷砂粗化后采用碱液清洗表面。将Ni60-35WC混合粉末与50g/L的醋酸纤维素丙酮溶液混匀调成糊状浆料，刷涂到基材表面，固化后用砂纸打磨平整，重

8、复刷涂至0.5mm。最后以0.3mm厚的玻璃纤维布绕覆。高频感应熔覆实验是在“JQ35KW”型高频感应设备上进行的。感应熔覆工艺参数为：功率35KW，感应器振荡频率50100KHz，振荡输出电流为1600A，线圈匝数为4匝，加热时间42s。电接触强化是采用电极轮在压力作用下与制备的感应熔覆层接触，并通以较大的脉冲电流，使接触电阻发热从而使熔覆层在此熔融强化。图1是电接触强化示意图；本实验所用的接触电流为12KA，接触压力800N，工件转速1r/min。图1 电接触强化示意图Fig1 Schematic diagrams of electrical contact strengthening用“

9、VHX-1000”型超景深光学显微镜对熔覆层及电接触强化层的显微组织进行分析；用“D/max-2550PC”型X射线衍射仪分析熔覆层及电接触强化层的相结构组成；采用“HXD-1000”型显微硬度计对感应熔覆层及电接触强化层进行显微硬度的测试。加载载荷为200g，加载时间为15s。在试样截面上从表面向心部每隔50m测试一个点，每个点上下各测试一个点。将同一距离处三个测试点的均值作为该处显微硬度值。最后，对制备的感应熔覆层和电接触强化层试样进行滚动疲劳接触磨损实验，依据YB/T5345-2006规定，其中对磨样品及试样尺寸如图2所示，表面粗糙度度为0.63m；对磨材料为淬火并低温回火后的GCr15

10、，硬度为HRc60。图2 对磨样品及试样尺寸图Fig2 Shapes and dimensions of roller specimens 2 结果分析2.1显微组织图3(a)(c)(e)为高频感应熔覆的显微组织；(b)(d)(f)是感应熔覆层经过电接触二次强化后的纤维组织图。可以看出高频感应熔覆技术能够制备与基体呈冶金结合的WC增强镍基合金熔覆层，但是由于预涂层的制备、颗粒粒度及熔覆过程不可避免的造成孔洞及夹生缺陷，如图3(a)、(e)所示。电接触强化后熔覆层中的孔洞大大减少，微小孔洞出现重新焊合，夹生层出现重熔合金化，强化层内部组织的结合强度增加，致密度增加，没有发现裂纹缺陷，如图3(b)

11、、(d)所示。这是因为电接触强化接触面积小，点状热源热量集中，在钨铜电极轮压力的作用下对熔融的涂层微区有一定的致密化。图3(e)为感应熔覆后热影响区的范围150180m，而3(f)为电接触二次强化后的热影响区80100m。可以看出，电接触后热影响区宽度要小于感应熔覆的热影响区。此外，电接触强化后靠近过渡区基体的晶粒细小，远小于感应熔覆后基体热影响区的晶粒大小。这是因为感应熔覆的集肤效应，环状多匝线圈透入式加热，加热范围较大，时间较长对基体的热影响较大；而电接触为点状热源加热，热量集中，加热速度快，喷水冷却，相当于对基体进行了二次淬火，细化了晶粒，缩小了对基体的热影响区。但是，通过显微硬度测试发

12、现靠近过渡区200m范围内基体的显微硬度并不高，这是因为接触电流在1019KA范围内，电接触强化的淬硬层深度只有0.3mm1mm；当接触电流为10KA时，接触热透热层较浅，因此缩小了对基体的热影响6。 (a)(c)(e)为干熔覆层的金相图；(b)(d)(f)为电接触二次强化层的金相图图3 电接触二次强化层与感应熔覆层的金相组织Fig3 The microstructure of the cladding layer and the electrical contact strengthening layer2.2熔覆层及电接触强化层的相结构分析通过X射线衍射仪对高频感应熔覆层及电接触强化层进行

13、分析，发现熔覆层与电接触强化层的相结构组成基本相同，如图4所示。熔覆层与电接触强化层主要是由镍基体和弥散分布在其上的强化相组成。主要的强化相有：WC、W2C、Cr23C6、Cr7C3、Ni3Fe、FeNi、FeWB及Cr5Si3等。对比合金粉末的成分，除去涂层粉末中原来存在的WC，熔覆层内部产生了W2C、Cr23C6、Cr7C、FeWB及Cr5Si3等新相。 图4 (a)感应熔覆层、(b)电接触强化层的X射线衍射图Fig4 (a)XRD spectrum of the WC-Ni60 alloy cladding coating and (b)electrical contact streng

14、thening layer基体与Ni60-WC预涂层经过高频感应熔覆后，基体与熔覆层间形成了一条宽度为1020m过渡区（如图5a所示）；基体与熔覆层实现了冶金结合。熔覆层经过电接触强化后仍是冶金结合，过渡区并未发生扩展（如图5b所示），这是由于电接触热量集中，加热及冷却速度快，过渡区不满足扩散的时间条件导致的。 图5 感应熔覆层及电接触二次强化层的过渡区Fig5 Transition region of the cladding layer and the electrical contact strengthening layer2.3熔覆层及电接触强化层的显微硬度图6是Ni60-35WC高

15、频感应熔覆层经过电接触强化后，显微硬度沿截面的分布曲线。其中上方的一条是电接触二次强化层显微硬度的分布曲线，下方的是感应熔覆层显微硬度分布曲线。可以看出沿截面300m内熔覆层显微硬度在600700HV0.2之间；而电接触二次强化层在200m内显微硬度分布在750900HV0.2之间，比感应熔覆层的硬度有了较大幅度的提高；靠近过渡区位置，电接触二次强化层的硬度在700750HV0.2之间，但是相对感应熔覆层而言其显微硬度仍有50HV0.2以上的提高。而在过渡区和基体热影响区内，电接触二次强化层与感应熔覆层的显微硬度相差不大。图6 Ni60-35WC熔覆层电接触强化后显微硬度分布曲线Fig6 Th

16、e micro-hardness distribution along the cross section of the cladding layer and strengthen layer2.4 熔覆层及电接触强化层的滚动疲劳磨损性能图7是在相同接触压力和相同磨损时间(4h)内滚动解除疲劳磨损后的淬火态45钢，感应熔覆层及电接触强化层的磨损形貌。不难看出，在相同的磨损条件下，淬火态的45钢出现了大块剥落，而感应熔覆层也出现了较小的块状剥落，而经过电接触二次强化后的涂层基本未发生明显的剥落。结果说明高频感应熔覆及电接触强化能够不同程度的提高涂层的耐磨性，电接触强化后试样表现出优异的耐磨损性能

17、，不仅与表面硬度的提高有关，也与强化层组织转变和表面残余应力的分布有关。 图7 不同处理状态下的表面磨损形貌图(a)淬火态；(b)感应熔覆；(c)电接触强化Fig7 Optical micrographs of the wear tracks for three materials variant (a)quenching; (b) induction cladding layer; (c) electrical contact strengthening layer3 结论(1).高频感应熔覆层经过电接触强化后，组织更加致密；孔洞减少，夹生层重新焊合；基体的热影响区减小；(2). X射线衍射

18、发现熔覆层与电接触强化层相结构组成相似，除了WC，W2C硬质相，还有Cr23C6、Cr7C3等新相生成；涂层与基体实现了冶金结合；(3).电接触二次强化层显微硬度分布范围是750900HV0.2,较熔覆层的显微硬度（600700HV0.2）有了较大提高； (4).电接触强化层抗疲劳磨损性能高，远远高于高频感应熔覆层及淬火态的45钢。参考文献1 孟成. 45号钢的概况及热处理方法, 中国新技术新产品J.2011.09:125-127.2 张嗣伟.我国摩擦学工业应用的节约潜力巨大J.中国表面工程.2008.21(2):50-52.3 T Gómez- del Río, M.A Garrido, J.E Fernández et al. Influence of the deposition techniques on the mechanical properties and microstructure of NiCrBSi Coatings J. Materials Processing Technology, 2008, 204(3):304- 312.4 贾红刚,程国