纳米碳化钨复合材料耐磨涂层的制备与性能

纳米碳化钨复合材料耐磨涂层的制备与性能

材料表面转化技术可以显著提高普通材料表面的耐腐蚀性和耐腐蚀性，扩大材料领域。因此，近年来，材料表面转化技术迅速发展。此外，堆垛、热喷涂和激光熔合层等表面加工技术在国内外引起了广泛关注。此外，堆焊、热喷涂和激光熔合层容易产生裂缝和热应力，并且工艺复杂，在推广应用方面受到一定限制。其中，自聚合自氧化物的耐腐蚀性可以得到很好的抗侵蚀性。在填充层中加入一定比例的纳米wc硬质粉末，可以进一步提高抗疲劳动性。近年来,纳米材料因其独特的性能而在材料表面改性技术领域得到了很好的应用.但由于纳米材料价格昂贵,纳米材料涂层的应用具有明显的局限性.为此,我们将微、纳米WC合金粉末引入镍基自熔性合金粉末中,期望提高镍基自熔合金涂层材料的耐磨性能和耐蚀性.本文报道采用感应加热熔敷工艺在Q235钢表面制备的微、纳米碳化钨增强镍基复合涂层的微观组织及摩擦磨损性能.1实验部分1.1涂层的制备及冷却试验用基体材料为热轧态Q235钢,熔敷涂层材料为Ni60A自熔性合金粉以及微米级和纳米级WC粉末.Ni60A自熔性合金粉的化学成分(以质量分数计,下同)为:15.0%～17.0%Cr,3.0%～3.5%B,4.5%～5.0%Si,0.8%～1.0%C,<13.0%Fe以及61.5%Ni,粒度为30～45μm.微米WC增强相粉末含钴12%,粒度为45～75μm;纳米WC增强相粉末粒度为50～100nm.将微米级WC粉末按30%的比例与Ni60A自熔合金粉末混合,添加20%的纳米WC粉末并充分混合均匀,然后加入一定量的粘结剂制成膏状物,涂敷于尺寸为10mm×10mm×20mm的Q235钢试样表面,得到厚度为0.8～1.5mm的预制涂层.将预制涂层置于RT3-15-9型电阻炉中加热烘干(升温速度2～3℃/min加热至200℃保温2h),随炉冷却至室温;随后将经热处理的预制涂层置于高频感应加热器中,通过调节输入功率使工件表面涂层发生熔化,取出工件并降至室温,即可得到厚度为0.8～1.2mm的待测涂层试样.在已制备的涂层表面进行重复熔覆可以制得更厚的涂层.1.2硬度和耐磨性能采用JXA-840型扫描电子显微镜(SEM)分析涂层组织形貌;用D/max-rb型X射线衍射仪(XRD)和NoranVantageDSI型能谱仪(EDS)分析涂层的物相组成;用MHV2000型显微硬度计测量涂层的硬度(载荷0.98N、保持时间10s).采用MM-200型摩擦磨损试验机评价熔敷层在滑动干摩擦的条件下的摩擦磨损性能,块试样尺寸为10mm×10mm×20mm,对摩环为淬火45#钢,直径50mm,硬度为54HRC.试验条件为:法向载荷20～100N,滑动线速度0.8m/s,滑动总行程3100m.用精度为0.1mg的SartoriusBS110型电子天平称量试样的磨损质量损失.根据摩擦力矩计算得到摩擦系数,用单位滑动距离下的磨损质量损失作为衡量涂层耐磨性能的指标.2结果与分析2.1微胶囊的形貌分析图1示出了感应熔覆微、纳米WC增强镍基复合涂层的截面形貌SEM照片,其中尺寸较大的白色颗粒为团聚状纳米颗粒,尺寸较小的白色颗粒为微米WC颗粒.可以看出,团聚状WC颗粒的大小及其分布均匀.这归结于纳米WC颗粒在加热时的团聚现象,是纳米材料的固有特性.在感应加热过程中,由于涂层与基体的材料成分不同,涂层内部的WC陶瓷颗粒阻碍涡流的运动,使得涂层的涡流强度降低,涂层与基体涡流最强的地方位于涂层与基体界面处,致使界面处最先熔化.在Ni60合金粉开始熔化的同时,纳米WC颗粒由于受到热的作用而开始团聚长大,成为团聚状大颗粒.图2所示为涂层中团聚状纳米WC颗粒形貌的SEM照片,其中点1位于尺寸较大的团聚状纳米WC颗粒内部,EDS分析结果表明其成分为3.34%Fe、1.78%Ni、94.50%W;点2位于白色微米WC颗粒内部,其化学成分为3.20Fe%、12.27%Cr、15.82%Ni、4.71%Co、64.02%W;点3位于微米WC颗粒边缘处,其成分为8.34%Fe、18.17%Cr、15.00%Ni、4.44%Co、54.00%W.就微米颗粒的形状来看,在感应加热过程中微米WC颗粒未发生氧化烧损现象,棱角边缘完整,未发生W2C析出现象.这使得WC颗粒的原始强度和硬度得以保留.图3示出了感应熔覆微米WC增强镍基复合涂层的截面形貌SEM照片.可见涂层中的微米WC分布均匀.图4示出了过渡层的组织形貌SEM照片,其中点4位于涂层和基体界面靠近基体一侧,点5位于涂层和基体界面靠近涂层一侧.相应的EDS分析结果表明点4的成分为61.92%Fe、2.37%Cr、16.42%Ni、5.13%Co、8.16%W;而点5的成分为87.32%Fe、5.66%Ni、2.33%Co、3.90%W.据此可知该涂层与基体之间发生了元素扩散,涂层与基体的结合为冶金结合.图5为感应熔敷微、纳米WC增强镍基复合涂层的XRD图谱,其中可见Cr23C6和Co6W6C的成分.2.2涂层胶凝剂的硬度图6示出了感应熔敷微、纳米和微米WC增强镍基复合涂层的显微硬度分布曲线.可见靠近熔覆层表面的显微硬度明显较高,沿涂层表面向下硬度逐渐降至与基体的硬度接近.其原因在于,熔化区存在的Ni、Cr及W等合金元素发生固溶强化、弥散强化及细晶强化作用,从而使得该区域的硬度显著提高.与此同时,在涂层与基体界面之间存在一定厚度的硬度较低软带,这是由于此区域Fe的稀释率较大,导致Ni和Cr等元素的相对含量降低、强化效应减弱所致.2.3微、纳米碳化镍基复合涂层的摩擦学行为图7示出了涂层摩擦系数随滑动距离变化的关系曲线.可以看出:微米碳化钨增强镍基复合涂层以及微、纳米碳化钨增强镍基复合涂层的摩擦系数均随滑动距离增加而略有增大;但微、纳米碳化钨增强镍基复合涂层的摩擦系数较低.图8示出了涂层的磨损率随载荷变化的关系曲线.可见在20～40N载荷范围内,微、纳米碳化钨增强镍基复合涂层和微米碳化钨增强镍基复合涂层的磨损率均随载荷增加而逐渐增大;在40～80N载荷范围内,微、纳米碳化钨增强镍基复合涂层的磨损率变化不大,而微米碳化钨增强镍基复合涂层的磨损率随载荷增加而逐渐增大.这同微、纳米碳化钨增强镍基复合涂层中合金元素较强的强化效应及团聚状纳米WC增强相的较强增强效应相对应.3微纳米碳化镍基复合材料涂层a.以Ni60A以及微、纳米碳化钨粉末为原料,利用感应熔敷技术在Q235钢表面制备了微纳米碳化钨复合材料耐磨涂层;复合材料涂层主要由团聚状纳米碳化钨颗粒、微米WC颗粒和γ-Ni固溶体组成,其组