含WC陶瓷相电弧喷涂层耐磨粒磨损性能的研究
贺定勇,傅斌友,蒋建敏,李晓延,王智慧,栗卓
摩擦学学报
每年工业领域50%的机械部件失效是由磨损引起的[1],解决其有效途径是在这些机器零部件表面制备一层抗固体粒子磨蚀涂层.WC粉末在室温及540℃以下具有优异的机械性能,如高的硬度、延展性及杨氏模量,采用Co或Ni等金属作为粘结相材料,经高温烧结或包覆处理形成硬质合金粉末,用以制造耐热性和耐磨性良好的硬质合金制品或耐磨涂层.热喷涂WC2Co、WC2Ni及纳米喂料WC2Co金属陶瓷涂层被广泛用于许多领域[2~10],特别是在耐磨粒磨损以及泥沙冲蚀磨损等领域.采用高速电弧喷涂含WC陶瓷粉末粉芯丝材制备涂层具有较高硬度和耐磨性[11, 12],可以在烟道风机叶片及泥浆泵等耐磨部件中使用.
目前国内外关于热喷涂制备WC金属陶瓷涂层的方法大多集中在超音速火焰喷涂(HVOF)、等离子喷涂及高速电弧喷涂方面,用普通电弧喷涂方法制备WC金属陶瓷涂层的研究还少有报道.本文作者在热喷涂粉芯丝材的粉芯中添加不同含量WC2CoNi等粉末,采用电弧喷涂方法制备含WC陶瓷相的金属陶瓷涂层,对涂层的显微组织和相组成进行分析,研究涂层的耐磨粒磨损性能并对其磨损机理进行初步探讨.
摘要:采用电弧喷涂含WC2CoNi金属陶瓷粉末的粉芯丝材,在低碳钢基体上制备铁基复合涂层,采用MLS2225型湿砂橡胶轮磨损试验机评价铁基复合涂层的耐磨粒磨损性能,利用光学显微镜、扫描电子显微镜和X射线衍射仪对涂层的显微组织结构、磨损表面及其相组成进行分析.结果表明:含WC陶瓷相涂层的耐磨粒磨损性能较好,相对Q235钢提高约9倍;当粉芯中WC质量分数低于25%时,随着WC含量增加,涂层的硬度和耐磨性增加;当粉芯中WC质量分数超过25%后,涂层的耐磨性有所下降;电弧喷涂含WC陶瓷相涂层的磨损机制主要为硬质相的脆性剥离和轻微的塑性切削,在磨粒磨损条件下硬度较低的金属基体先磨损,硬度较高的WC和Fe3B硬质相起到阻止石英砂磨损的作用,从而降低了涂层的磨损.
关键词:电弧喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/dianhupentu/20120831/379.html;粉芯丝材;碳化钨;磨粒磨损;热喷涂
1 实验部分
1.1 涂层试样制备
试验采用JZY2250型电弧喷涂设备制备涂层.喷涂材料为自制Fe基粉芯丝材,直径为2 mm.丝材外皮采用10. 0 mm×0. 3 mm的304L不锈钢带,其化学成分分别为(质量分数,全文同): 0. 027%C,0. 36% S,i 1. 65%Mn, 0. 027% P, 0. 001% S, 18. 18%Cr, 8. 06% N,i余量为Fe.丝材粉芯的主要成分见表1.粉芯中WC212CoNi复合粉末粒度为0. 038~0. 075 mm, Fe62铁基自熔性合金粉末粒度处于0. 045~0. 11 mm,其化学成分为: 4. 5%C, 40%Cr,1. 5% S,i 1. 8%B,Fe余量(均为北京矿冶研究总院产品).基体材料为Q235钢,尺寸为57 mm×25 mm×5 mm,表面经喷砂处理后喷涂厚1. 5 mm的涂层.电弧喷涂工艺参数为:电弧电压28~32 V,工作电流160~200 A,压缩空气压力0. 5~0. 6MPa,喷涂距离100~200 mm.
1.2 涂层性能测试
采用TH320型全洛氏硬度计测量试样表面的洛氏硬度,试样经打磨、抛光,涂层厚度约1 mm.根据GB8640288规定,采用N标尺(金刚石圆锥压头),总载荷441. 3N(HR45N),加载时间5 s,保荷时间3 s,每个试样连续测定5个点,取其算术平均值.两压痕中心距离或任一压痕中心距试样边缘的距离不小于3 mm.采用德国BRVKER/AXS公司产D8 ADVANCE型X射线衍射仪(XRD)对涂层成分和物相进行分析,衍射条件为CuKα靶, 40 kV和20 mA.试样尺寸10 mm×10 mm,涂层厚度1 mm.磨粒磨损试验采用MLS2225型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机,为典型的三体磨粒磨损,磨粒(石英砂)在橡胶轮和试件表面流动从而引起磨损.试验参数如下:橡胶轮转速240 r/min、橡胶轮硬度60(邵尔硬度)、载荷100 N、磨料为0. 212~0. 425 mm的石英砂、预磨1 000 r,磨损时间250 s,精磨2 000 r,磨损时间500 s.在试验前后,将试件放入盛有丙酮溶液的烧杯中,在超声波清洗仪中清洗3~5 min,干燥后用精度0. 1 mg的塞多利斯BS224S型电子天平称量磨损前后的质量损失,取3个试样的平均值,并以此衡量材料的耐磨性能.同时采用Q235钢作为对比,以对比件磨损质量损失与测量件磨损质量损失之比作为该配方的相对耐磨性.用光学显微镜和扫描电子显微镜(SEM)观察涂层表面及其磨痕表面形貌.
2 结果与讨论
2.1 涂层的组织和性能
图1所示为3#涂层横截面的显微组织形貌照片.可见涂层呈典型的层状组织结构.1#、2#和4#涂层的显微组织与3#涂层大致相同,1#涂层中含有较多细小孔隙, 2#和3#涂层组织相对致密,涂层中孔隙较少,而4#涂层的孔隙较多,致密程度有所下降. 1#~4#涂层的孔隙率分别为3. 63%、2. 72%、1. 63%和3. 22%.图2所示为3#涂层的XRD图谱.可见涂层主要由(Fe,Ni)、Ni2Cr2Fe、Fe3B和WC等物相构成,同时还含有少量Fe3O4,这是由于电弧喷涂过程中弧区温度较高、材料被氧化的结果. 1#、2#和4#涂层的XRD图谱与3#涂层大致相同.
表2为涂层的表面洛氏硬度及磨粒磨损测试结果.可见, 4种涂层的硬度随着涂层中WC含量增加而逐渐升高,在WC含量不超过25%时,涂层的耐磨性随WC含量增加而升高,当WC含量超过25%时,涂层的耐磨性降低.涂层的耐磨性主要取决于涂层的致密性和相结构,随着WC含量增加, FeCrNiB基体中出现大量块状WC颗粒,当WC加入量大于25%时,涂层中孔隙增多,硬质相与基体的锚固结合性能降低,在垂直于磨削方向出现微裂纹,不利于涂层耐磨性的提高.
图3所示为3#涂层组织形貌SEM照片及其局部能谱分析结果.结合XRD和EDS分析结果可见,SEM照片中的白色局部区域[图3(a)中A点]为涂层内部残留的WC硬质相,其成分为: 4. 68% C, 5.16%O, 1. 57%Cr, 0. 77%N,i 13. 64% Fe, 74. 18%W.黑色区域[图3(a)中B点]为涂层基体相,其成分为: 1. 98% C, 3. 75% O, 10. 69% Cr, 4. 23% N,i 63.21%Fe, 6. 16%W, 9. 98%B.
2.2 磨损表面分析
图4所示为1#和2#涂层及Q235钢磨损表面形貌SEM照片, 3#、4#涂层的磨损表面形貌与2#基本相同.可以看出,Q235钢和1#涂层在硬质磨粒的显微切削下,在磨粒运动方向形成了深浅不等、宽窄不一的犁沟,表现出典型的塑性切削特征.Q235钢基体硬度低、塑性好,很容易被石英砂切削剥落,因而涂层的磨损表面较为光滑. 1#涂层由于在丝材中添加的WC较少,涂层中只残留少量WC硬质相,并不能阻止石英砂磨粒对基体的切削,当磨粒以锐角切削喷涂层时,切削沟槽两侧的金属产生较大塑性变形,在其它磨粒反复作用下犁沟两侧皱状隆起的金属易形成碎片剥落,在喷涂层中形成大小不等的剥落坑.剥落主要发生在磨痕较严重的区域.同时基体在尺寸较大的硬质磨粒作用下产生较大的塑性变形,有利于在表层形成高密度的位错,在磨粒反复作用下,位错堆集生成空穴,空穴聚集形成平行表面的裂纹,裂纹扩展产生磨屑碎片而成为剥离片.2#、3#和4#涂层中WC含量逐渐增多,残留的WC硬质相也相应增多,且在喷涂过程中生成Fe3B硬质相,涂层的磨损机制主要为硬质相脆性剥落和轻微的塑性切削.在磨粒磨损条件下,一方面,由于涂层中硬度较低的金属基体先磨损,露出硬度较高的WC和Fe3B硬质相,基体对硬质相的锚固作用下降,使高硬度WC、Fe3B硬质相在石英砂切削下从基体剥离;另一方面,涂层中硬质颗粒周边由于存在显微孔隙及氧化区域,涂层内部相对疏松,磨损的孔隙中储存的水在载荷的作用下产生很高压力,使孔隙扩大、连接、最终使微孔周围的涂层颗粒剥落,从而造成磨损.
2#和3#涂层耐磨性较高的原因是: (1)涂层中锚固着许多WC和Fe3B硬质相,在磨粒磨损过程中能起到阻挡犁削扩展的作用,致使磨痕在硬质相处中断; (2)涂层基体FeCrNiB中弥散分布的WC和Fe3B硬质点使基体产生弥散强化,硬质相增多必然使涂层中的晶界增多,基体产生晶界强化,这些强化作用使涂层表面的洛氏硬度随WC和Fe3B硬质相含量增加而增大,从而提高了基体承受和抵抗硬质磨粒的显微切削作用及减小反复推挤的塑性变形.随着WC和Fe3B硬质点增多,磨损表面趋于光滑,只有硬质相剥落坑,未出现因塑性切削出现的犁沟.由于4#涂层中残留WC硬质相太多,孔隙率增大,基体的强韧性也因脆性相增加而降低.在硬质磨粒作用下,微裂纹在块状硬质相与基体锚固结合处产生和扩展,当微裂纹长度超过基体断裂强度的临界尺寸时形成磨屑碎片和剥落坑.此外,随着WC含量增加,喷涂过程中未熔的WC颗粒增多,受基体的锚固作用逐渐下降,在锐角硬质磨粒的反复推挤下容易产生破裂而脱离基体.
3 结论
a. 在磨粒磨损条件下,含WC陶瓷相涂层的耐磨粒磨损性能较好,相对Q235钢提高约9倍;在WC含量不超过25%时,随着WC含量增加,WC陶瓷涂层的耐磨性提高,当WC含量超过25%时,涂层的耐磨性降低.
b. 电弧喷涂含WC陶瓷相涂层中硬度较低的金属基体先磨损,硬度较高的WC和Fe3B硬质相起到阻止石英砂磨损的作用,从而降低涂层的磨损.
c. 在含WC陶瓷涂层中,基体中弥散分布的WC和Fe3B硬质点起到了强化基体的作用,使涂层表面的洛氏硬度随WC和Fe3B硬质相含量增加而增大,从而提高基体承受和抵抗硬质磨粒显微切削及反复推挤塑性变形的能力.
参考文献略
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