熱處理對鎳基碳化鎢涂層的影響范文

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《中國表面工程雜志》2015年第六期

摘要：

為了進一步挖掘鎳基碳化鎢涂層的潛能，在40Cr基材上利用火焰噴涂制備Ni60＋35％WC復合涂層并對涂層進行感應重熔及熱處理，利用掃描電鏡（SEM）、顯微硬度計和摩擦磨損試驗機分析測定了涂層的顯微組織、顯微硬度及摩擦磨損性能。結果表明，感應重熔使涂層與基材形成良好的冶金結合，涂層致密，硬度、耐磨性顯著優于基材。經淬火及回火后，涂層硬度有所提高。850℃淬火，400℃回火的涂層硬度最高，達到866HV0．1，耐磨性也最好，磨損量僅為基材的43％。

關鍵詞：

火焰噴涂；感應重熔；鎳基涂層；耐磨性；顯微硬度

鎳基自熔性合金由于其良好的耐磨耐蝕性、抗氧化性和優良的工藝性，被廣泛地應用于材料表面防護和強化領域［12］。WC由于其耐磨性好、硬度高、塑性好并與鎳基合金相互潤濕，結合強度好，被廣泛用作熱噴涂鎳基合金的增強相，目前常在鎳基自熔性合金中加入微米級的碳化鎢粉末，以獲得耐磨效果較為理想的金屬陶瓷復合涂層［35］。火焰噴涂制得的涂層因孔洞多、與基材結合強度低等缺點，常需進行重熔。感應重熔易控制、加熱頻率高、涂層能迅速熔化，且對基材熱影響小，得到廣泛的應用［67］。但感應重熔是典型的高溫快冷過程，類似于淬火，涂層的組織、應力狀態等是不穩定的。熱處理能夠改善熱噴涂涂層的組織和性能，張發云等［8］人采用電弧噴涂技術在低碳鋼Q235基體上制備了鐵基TiC復合涂層并進行熱處理，得出500～700℃熱處理能夠改善涂層的耐磨性；王立生等［9］的試驗表明熱處理提高了鎳基合金涂層的硬度和界面結合強度；洪永昌等［10］的試驗則顯示熱處理使得鎳基合金噴焊層硬度得到了提高。目前對熱噴涂鎳基碳化鎢涂層進行熱處理的研究較少，且重點在于對重熔后的涂層直接進行回火。文中對火焰噴涂在40Cr基體上制備的鎳基碳化鎢復合涂層進行感應重熔，又進行了淬火和回火處理，對涂層的組織和性能進行了初步的研究，以期為進一步的研究提供依據。

1材料與方法

1．1試驗材料試驗用基材為退火態40Cr，尺寸Φ30mm×10mm。涂層材料選用市售Ni60＋WC35粉末，粒度為80～106μm（－150～＋320目），其中Ni60質量分數為65％，WC質量分數為35％。

1．2試驗方法40Cr基材試樣經凈化和噴砂處理后，采用上海大豪瑞法噴涂機械有限公司生產的粉末火焰噴涂槍進行噴涂。氧氣壓力0．4～0．5MPa，乙炔壓力0．07～0．08MPa，噴嘴距試樣表面約200mm，噴涂槍與試樣的角度約90°，試樣預熱溫度100～200℃。噴涂過程中盡量保持試樣表面涂層厚度均勻，獲得涂層厚度0．7～1．0mm。利用JQ25KW型高頻感應爐對噴涂完畢的試樣進行感應重熔，設備功率為25kW，輸入電壓380V，頻率50～60Hz，感應線圈為3匝，直徑40mm。隨后部分試樣進行淬火并回火，淬火溫度850℃，保溫10min后油冷，回火溫度分別為200、400、600℃，保溫2h。試樣利用線切割制備成小塊金相試樣和磨損試樣，經鑲嵌、預磨和拋光后，進行組織觀察和性能測試：利用HXS1000A型顯微硬度計測量涂層到基體的截面硬度，載荷100g，保壓15s；利用帶有OXFORD能譜儀的Quanta250型環境掃描電鏡進行涂層截面組織形貌觀察及元素線分布分析；利用HSR2M型高速往復摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，對磨球材料為GCr15，直徑10mm，硬度約61HRC，加載載荷50N，運行速度200cycle／min，試驗時間30min。磨損前后，試樣用丙酮、乙醇清洗吹干，用精度為0．1mg的天平進行稱量，采用失重法并觀察磨損形貌評價涂層的耐磨性。

2結果與分析

2．1涂層的顯微硬度圖1為涂層試樣從表面到基體的顯微硬度分布圖，圖中折線每個節點均為相同層深5個測試點的平均值。由圖可見，涂層截面的硬度隨距表面距離的增大先上升后下降，僅經感應重熔的涂層截面硬度最低，其平均值為806HV0．1，感應重熔后又經淬火，200、400、600℃回火的涂層截面硬度平均值分別為825、866、843HV0．1，400℃回火的涂層截面硬度平均值最大，較熱處理前提高約60HV0．1。分析認為涂層粉末中存在C、Cr、B、Si等元素及WC，重熔時溫度較高，合金元素一方面溶解進入固溶體起到強化作用，形成以γNi固溶體為基體，WC顆粒為增強相的復合噴焊層；另一方面在冷卻過程中C、Cr、B等合金元素形成一些細小的硬質相，如Cr3C2、B4C、Cr7C3等，這些硬質相彌散在固溶體間起到強化作用，因此Ni基WC復合涂層有較高的硬度［1112］。涂層表面因質量較差，組織疏松而硬度較低。在淬火和回火過程中，合金元素充分擴散，大量碳化物、硼化物析出，并有新的硬質相產生，同時由于涂層合金中Cr、Si、C等元素含量較高，促使涂層產生了二次硬化現象，涂層得到了進一步的強化，因而熱處理后涂層的硬度又得到了提高［13］。而溫度過高則會發生涂層晶粒的長大和硬質粒子的聚集、長大，使得涂層硬度下降。

2．2涂層的組織形貌圖2是涂層經感應重熔及淬火并400℃回火后截面的掃描電鏡（SEM）照片。從圖2（a）可見，涂層經感應重熔后，組織致密，其中的孔洞、雜質較少，涂層和基體界面處無機械嵌合而產生了過渡帶，形成了冶金結合，涂層中出現了呈多邊形的白亮顆粒。圖2（b）顯示經過850℃淬火及400℃、2h回火后，涂層變得更加致密平整，孔洞更少，涂層與基體間的過渡帶平滑且變寬，部分白亮顆粒在原來的塊狀周圍出現了須狀。圖3是感應重熔的涂層與基體界面處的元素線分布。由圖可見，感應重熔使涂層和基材界面處發生了元素互擴散，即基材中的Fe、C元素向涂層擴散，而涂層中的Ni、Cr、W元素向基材擴散，互擴散使界面處形成了冶金結合，還形成了富碳區，降低了界面兩側材料的性能差異，提高了涂層與基體的結合強度［12］。由元素線分布特征結合粉末成分可知感應重熔涂層中存在的白亮塊狀物為WC，WC顆粒與涂層形成良好的結合且在局部分布較多。這是由于鎳基自熔性合金熔點較低，在重熔過程中，涂層及基體表面淺層熔化，液態合金和40Cr基體相互滲透、擴散，凝固后涂層形成致密組織且與基體形成冶金結合。WC顆粒因熔點高而未熔，僅少量發生分解與氧化，故保持原有的形狀。同時可能由于WC比重大、易團聚以及噴涂粉末不均勻造成涂層局部WC較多的現象。由于高溫過程促進元素擴散和WC的分解，因而經過淬火和回火的熱處理后，涂層與基體之間元素的互擴散距離有所增大。部分WC發生了分解、氧化或與鎳基合金中的元素發生了反應，故呈現須狀。

2．3涂層的摩擦磨損性能對40Cr基體、重熔的涂層和重熔后淬火并400℃回火的涂層進行摩擦磨損對比。帶涂層的試樣先預磨10min，以減少表面疏松層對結果的影響。經兩次摩擦磨損試驗后，3種試樣的平均磨損量見圖4。由圖4可見，40Cr試樣的磨損量最大，感應重熔涂層的磨損量為40Cr的54％，熱處理后的涂層磨損量僅為40Cr的43％，有涂層的試樣耐磨性大幅提高。圖5為試樣磨損后的表面形貌。從中可以更直觀地看出試樣表面摩擦磨損性能的優劣。圖5（a）中，40Cr表面的劃痕深且寬，平直而連續，表面有明顯被外物擠壓的痕跡。圖5（b）（c）中，涂層表面疏松層磨掉后，致密部分的劃痕淺、窄而不連續，表面無外物明顯壓入的痕跡。這是由于40Cr硬度低，外來磨粒容易壓入表面，對其進行擠壓，留下深的犁溝。而鎳基WC復合涂層中WC和其他硬質相的彌散強化和元素的固溶強化作用，使得涂層具有較高的硬度，磨粒嵌入表面的深度小，部分磨粒在涂層表面滾動，不能對涂層進行犁削，總體減弱了犁溝效應，減少了對涂層的磨損。即使有部分磨粒切入涂層基體，犁削作用也會在WC等硬質顆粒處中斷，同時部分磨粒在犁削過程中被壓碎或磨損，大大減弱其對涂層的犁削能力，進而減弱了對涂層的磨損［5，14］。涂層中鎳基合金起基體和支撐作用，其中分布的WC和其他硬質相成為承載磨損的主體，這些硬質相能夠有效地阻礙磨粒對涂層的犁削作用，大大提高涂層的耐磨性。圖5（c）中涂層的劃痕較圖5（b）中劃痕淺而窄，劃痕的連續性更差。分析認為，經淬火和400℃回火后，一方面涂層組織得到改善，殘余應力減少，利于涂層抵抗疲勞破壞；另一方面涂層中析出了更多的碳化物和硼化物，且在涂層中均勻分布，同時產生二次硬化，提高了涂層的硬度，抵抗擠壓和微觀切削的能力增強，利于磨損失重的下降［13］。熱處理后，涂層中硬質相的增多且分布均勻，提高了涂層的硬度及硬度均勻性，在摩擦磨損過程中，硬質點更有效地阻止了對涂層的犁削作用，進而使得涂層具有更好的耐磨性。

3結論

（1）火焰噴涂WC增強Ni60復合涂層經感應重熔，涂層組織致密，與基體形成良好的冶金結合。由于合金元素的固溶強化及WC等硬質相的彌散強化作用，涂層具有較高的硬度和良好的耐磨性。（2）感應重熔的涂層經850℃淬火和回火后，硬質相增多，涂層硬度提高，且經400℃、2h回火的涂層硬度最高，其耐磨性也優于感應重熔后的涂層。

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作者：張生欣 狄平 徐夢廓 朱世根 單位：東華大學 機械工程學院 紡織裝備教育部工程研究中心