简介概要

激光熔覆Ni60+35WC-Ni涂层的微观组织和摩擦磨损特性

来源期刊：稀有金属2015年第5期

论文作者：臧春城王延忠张以都李金华曾红张德强

文章页码：385 - 391

关键词：金属陶瓷材料;Ni60+35WC-Ni涂层;激光熔覆;耐磨性;微观组织;

摘要：采用激光熔覆技术,在20Cr基体上熔覆了硬度较高的Ni60+35WC-Ni耐磨涂层,并与Ni60涂层进行比较。采用扫描电子显微镜（SEM）、能谱分析仪（EDS）和X射线衍射分析仪（XRD）对涂层的微观组织、元素成分和物相进行了表征分析,测试了涂层沿深度方向上的显微硬度,在20和300℃条件下进行了点接触干滑动摩擦磨损试验,并利用SEM和EDS对磨损表面进行微观组织和元素成分分析。结果表明:Ni60+35WC-Ni涂层所含物相主要包括Fe-Ni,Cr7C3和WC,硬质相WC和Cr7C3有利于提高涂层的硬度和耐磨性。Ni60+35WC-Ni涂层的平均显微硬度约为基体平均硬度的3倍。与Ni60涂层相比,Ni60+35WC-Ni涂层的平均硬度较高,且其中含有硬质相WC,磨损量较小。在相同温度条件下,Ni60+35WC-Ni和Ni60两种涂层的摩擦系数相差不大。对于同一涂层而言,300℃时涂层的摩擦系数明显低于20℃下的摩擦系数,但磨损量随温度增加而增加。

网络首发时间: 2015-04-07 09:27

稀有金属 2015,39(05),385-391 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2015.05.001

激光熔覆Ni60+35WC-Ni涂层的微观组织和摩擦磨损特性

臧春城王延忠张以都李金华曾红张德强

北京航空航天大学机械工程及自动化学院

中国科学院电工研究所

辽宁工业大学机械工程与自动化学院

摘要：

采用激光熔覆技术,在20Cr基体上熔覆了硬度较高的Ni60+35WC-Ni耐磨涂层,并与Ni60涂层进行比较。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱分析仪(EDS)和X射线衍射分析仪(XRD)对涂层的微观组织、元素成分和物相进行了表征分析,测试了涂层沿深度方向上的显微硬度,在20和300℃条件下进行了点接触干滑动摩擦磨损试验,并利用SEM和EDS对磨损表面进行微观组织和元素成分分析。结果表明:Ni60+35WC-Ni涂层所含物相主要包括Fe-Ni,Cr7C3和WC,硬质相WC和Cr7C3有利于提高涂层的硬度和耐磨性。Ni60+35WC-Ni涂层的平均显微硬度约为基体平均硬度的3倍。与Ni60涂层相比,Ni60+35WC-Ni涂层的平均硬度较高,且其中含有硬质相WC,磨损量较小。在相同温度条件下,Ni60+35WC-Ni和Ni60两种涂层的摩擦系数相差不大。对于同一涂层而言,300℃时涂层的摩擦系数明显低于20℃下的摩擦系数,但磨损量随温度增加而增加。

关键词：

金属陶瓷材料;Ni60+35WC-Ni涂层;激光熔覆;耐磨性;微观组织;

中图分类号： TG174.4

收稿日期：2015-01-22

Microstructure and Tribological Behavior of Ni60 + 35WC-Ni Coating Produced by Laser Cladding

Zang Chuncheng Wang Yanzhong Zhang Yidu Li Jinhua Zeng Hong Zhang Deqiang

School of Mechanical Engineering and Automation,Beihang University

Institute of Electrical Engineering,Chinese Academy of Sciences

School of Mechanical Engineering and Automation,Liaoning University of Technology

Abstract：

Ni60 + 35WC-Ni self-fluxing alloy coating with high hardness and wear resistance was prepared on 20 Cr substrate by laser cladding and compared with Ni60 coating. The microstructure,elemental composition and phase constitution of the coatings were observed and analyzed through scanning electron microscope( SEM),energy dispersive spectroscopy( EDS) and X-ray diffraction( XRD). Microhardness distribution from substrate to coating was tested,and ball-on-disc dry sliding wear test on the coatings was performed at 20 and 300° C. The morphology and composition of the worn surface were observed through SEM and EDS. The results showed that Ni60 + 35WC-Ni coating mainly contained phases of Fe-Ni,Cr7C3 and WC. The hard phases of WC and Cr7C3 were beneficial to the hardness and wear resistance of the coating. The average microhardness of Ni60 + 35WC-Ni coating was about three times that of 20 Cr substrate. Compared with Ni60 coating,the average microhardness of Ni60 + 35WC-Ni coating was higher and contained hard phase of WC which contributed to the lower wear loss. At the same temperature,the friction coefficients of Ni60 + 35WC-Ni and Ni60 coatings were close. For both coatings,the friction coefficients at 300 ℃ were obviously lower than those at 20 ℃,but the wear losses increased with the temperature increasing.

Keyword：

metallic and ceramic materials; Ni60 + 35WC-Ni coating; laser cladding; wear resistance; microstructure;

Received： 2015-01-22

激光熔覆是利用激光的高能量作用,将涂层材料熔覆在基体表面,改变表面层的组织和成分,显著提高基体表面的耐磨和耐腐蚀等性能。WC是硬度很高的陶瓷材料,是制造硬质合金和耐磨涂层的主要原料^[1,2,3,4]。镍基自熔性合金对WC有良好的润湿性,因此,在镍基合金中加入一定比例的WC制成混合粉末,利用激光熔覆技术,制备耐高温和耐腐蚀的WC-Ni复合涂层,得到了越来越广泛的应用。国内外很多学者对激光熔覆WC-Ni复合涂层的性能进行了研究。吴萍等^[5,6]很早就开展了对WC /Ni涂层的研究,研究结果表明,合理的激光功率以及WC陶瓷颗粒在涂层及其表面的均匀分布可以提高涂层的硬度,硬度和韧性的相互匹配是提高材料耐磨性的有效方法。Paul等^[7]在不锈钢基体上熔覆了WC-Ni复合涂层,结果表明WC颗粒能显著提高涂层的硬度和耐腐蚀性。Cheng等^[8]在NAK80基体上熔覆WC /Ni涂层,经过物相分析和摩擦试验,证明硬质相Cr₂₃C₆,WC和W₂C提高了涂层的耐磨性。路程^[9]在不锈钢板上制备了Ni基球形WC颗粒增强的Ni Co Cr Al Y和Inconel625基激光熔覆复合涂层,通过工艺优化得到的复合涂层组织均匀致密,并具有良好的抗高温耐磨损性能。WC含量对所制备的涂层组织和性能具有重要影响^[10,11],目前已成为热门的研究课题。例如,Guo等^[12]在不锈钢基体上熔覆了不同WC-Ni含量的Ni Cr BSi / WC-Ni复合涂层, 发现WC-Ni颗粒经过激光熔覆作用生成了硬质相WC,使得涂层的硬度和耐磨性显著提高。Xu等^[13]在镍基合金粉末中分别加入0%~ 80% WC ( 质量分数)颗粒,对制成的涂层进行摩擦试验,结果表明,当WC含量为40% 时,涂层的磨损量最低。Xu等^[14]还进一步进行了WC /Ni涂层的接触疲劳试验,指出WC在涂层中的分布影响磨损的深度。樊增彬^[15]利用激光熔覆技术在45钢基体上制备了10% 和20% 两种配比的WC / Ni合金涂层,研究了材料成分和元素含量以及激光工艺参数对涂层性能的影响,得到的涂层硬度远高于基体硬度,涂层与基体之间形成了良好的冶金结合。

为了制备耐磨性良好的涂层,本文在镍基合金Ni60粉末中加入35% WC-Ni( 质量分数) 制成混合粉末,在20Cr基体上进行激光熔覆,对熔覆后的涂层进行显微组织和硬度分析,并对涂层进行干滑动摩擦磨损实验,分析涂层的耐磨性。

1 实验

1. 1 材料

基体材料为20Cr,尺寸为40 mm×100 mm×10 mm,试验前对基体表面用砂纸进行打磨,并用无水乙醇清洗。实验所用的熔覆层粉末材料为Ni60和Ni60 + 35WC-Ni,Ni60 + 35WC-Ni粉末是在自熔性合金粉末Ni60中添加35% WC-Ni( 质量分数) 制成的混合粉末,粉末颗粒尺寸为45 ~100μm,化学成分含量如表1所示。

1. 2 方法

激光熔覆设备为IPG YLS-3000高功率光纤激光器,激光功率输出范围0 ~ 3000 W。送粉器为国产FHPF-20型,送粉率范围为6 ~ 25 g·min^{- 1}。熔覆过程中采用同轴送粉方式,光斑尺寸直径2 mm,正离焦量15 mm,使用氮气保护,载气流量为600 L·h^{- 1}。激光熔覆后的试件经过线切割、打磨、抛光后,采用JSM-6510A扫描电子显微镜( SEM)观察涂层横截面微观组织形貌,并用SEM自带的能谱分析仪( EDS) 检测和分析微区组织的化学成分。采用布鲁克D8 Advance X射线衍射仪( XRD)对熔覆层进行物相分析。LEICA VMHT30M型显微硬度计用来测定沿涂层深度方向的显微硬度,载荷0. 98 N,加载时间15 s。采用SRV4高温摩擦磨损试验机分别在20和300℃下对涂层进行干滑动摩擦磨损实验,摩擦实验参数如表2所示。对磨损后的试件利用SEM和EDS分析磨痕微观形貌和摩擦表面元素成分。

表 1 镍基碳化钨粉末 Ni60 +35WC-Ni 的化学成分Table 1Chemical compositions of Ni60 + 35WC-Ni pow-der ( %,mass fraction)

表 2 摩擦磨损实验参数Table 2 Experimental parameters of wear test

2 结果与讨论

2. 1 涂层的微观组织

图1所示为Ni60 + 35WC-Ni涂层横截面的微观组织与形貌示意图。从图1( a) 可以看出,涂层内不均匀地分布着尺寸较大的白色块状晶体,通过线扫描分析发现,该块状晶体处元素W的含量突然增加,而Cr,Fe和Ni成分含量显著降低,如图1( b) 所示。图1( a) 中的M微区域和N微区域经过放大后的微观结构分别如图1( c,d) 所示,晶体形状主要为枝晶状和块状。对图1( c,d) 标注的各微区A1 ~ A3和B1 ~ B5进行EDS分析,所得各元素的质量分数如表3所示。B1和B2所代表的大尺寸白色块体含W的质量分数约为90% ,其次C的质量分数约为10% ,基本可以初步判断白色块状物为晶体W或碳化钨。在白色块状物周围包覆的B3晶体的W含量降低,而Fe,Ni和Cr成分明显增加,C含量基本保持不变。A1与B3成分相类似。在A3和B4区域,Fe,Ni和Cr成分进一步增加,W含量显著降低,C含量仍然变化不大。在A2和B5区域,主要成分为Fe和Ni,其中Fe的质量分数更高。

2. 2 涂层的物相分析

图2所示为Ni60 + 35WC-Ni涂层的X射线衍射( XRD) 谱。主要物相包括Fe-Ni,Cr₇C₃,WC和Cr₃Si。其中Fe_{0. 64}Ni_{0. 36}和Fe Ni的衍射峰比较清晰明锐,成分Ni能在一定程度上增强涂层的韧性。涂层中除了WC外,还有Cr₇C₃生成,这说明涂层粉末材料中所含的成分C和Cr在激光熔覆过程中发生了化学反应。WC和Cr₇C₃均为硬质相,有利于提高涂层的整体硬度和耐磨损性能。Cr₃Si的存在说明激光熔覆过程中Cr和Si元素也发生了化学反应。

(a)Coating and substrate;(b)Variation trends of element composition;(c)Magnification of Zone M;(d)Magnification of Zone N

图 1 Ni60 + 35WC-Ni 涂层横截面微观组织与形貌Fig. 1 OM images of cross-section of Ni60 + 35WC-Ni coating

表 3 Ni60 +35WC-Ni 涂层微区元素成分Table 3Components of micro zones of Ni60 + 35WC-Nicoating ( %,mass fraction)

图 2 Ni60 + 35WC-Ni 涂层 XRD 谱Fig. 2 XRD pattern of Ni60 + 35WC-Ni coating

2. 3 涂层的显微硬度

图3为激光熔覆Ni60 + 35WC-Ni和Ni60涂层的显微硬度,横坐标零点为涂层与基体的界面,横坐标正值表示接近涂层表面的方向。在涂层Ni60+ 35WC-Ni测点A处出现明显的峰值,从显微组织上看,A点处于图1( a) 中所示的白色块状物上,从表3可以看出,该物质硬质相WC或W含量非常高,因此测点A处硬度明显偏高。Ni60 + 35WC-Ni涂层平均硬度约为HV_{0. 1}761,约为20Cr基体硬度HV_{0. 1}269的3倍。Ni60涂层的平均硬度约为HV_{0. 1}607,低于Ni60 + 35WC-Ni涂层的硬度。Ni60 +35WC-Ni涂层硬度比Ni60涂层较高的主要原因是涂层中含有硬质相WC,Cr₇C₃和W。

图 3 涂层显微硬度Fig. 3 Microhardness of cladding coatings

2. 4 涂层的摩擦磨损特性

图4所示为Ni60 + 35WC-Ni和Ni60涂层在20和300℃条件下的摩擦系数变化趋势。从图4可以看出,随着温度的升高,两种涂层的摩擦系数都明显降低,但同一温度条件下,两种涂层的摩擦系数大小相近,变化趋势也基本一致。20℃条件下,Ni60 + 35WC-Ni和Ni60涂层的平均摩擦系数分别为0. 64和0. 65,而300℃时平均摩擦系数分别降低为0. 51和0. 52。20℃时两种涂层的摩擦系数变化幅度都较大,而300℃时摩擦系数变化相对比较稳定。

图 4 涂层的摩擦系数Fig. 4 Friction coefficients of coatings

图 5 涂层的磨损量Fig. 5 Wear loss of coatings

图5所示为Ni60 + 35WC-Ni和Ni60涂层的磨损量随温度的变化,显然,随着温度的升高,二者的磨损量均增加,但Ni60 + 35WC-Ni涂层的磨损量低于Ni60涂层的磨损量,这说明在Ni60粉末中添加WC成分后制备的涂层具有较好的耐磨性。

图6所示为Ni60 + 35WC-Ni和Ni60涂层在20和300℃时干滑动摩擦后的磨损表面形貌。从微观形貌分析可知,在20和300℃条件下,两种涂层的磨损表面均有犁削痕迹,均为磨粒磨损,并没有发生粘着磨损。从图6可以看出,在同一温度条件下,Ni60 + 35WC-Ni涂层比Ni60涂层磨损面积稍小。这是因为硬质相碳化钨使Ni60 + 35WC-Ni涂层硬度高于Ni60,因而能更有效地抵制对磨球压入,从而降低磨损量。同一涂层在不同温度条件下的磨损变化较大,与20℃时的磨损相比,300℃时两种涂层的磨损面积都明显增加,而且从放大后的微观形貌可知,在300℃磨损时,涂层磨损表面覆盖着更多的磨屑状物。

图7所示为Ni60 +35WC-Ni涂层在20和300℃磨损的微观形貌对比。对不同的组织成分进行了EDS分析,表4所示为不同元素成分的原子分数。A1和B1区域均为磨屑状物,其成分主要为O和Fe,从原子分数分析可得,A1区的氧化物可能为Fe₂O₃,B1区的氧化物可能为Fe₃O₄。A2和B2区为白色块状物,元素成分主要为C和W,从原子分数可推测该物质为W₂C。A3和B3区的主要成分为Fe和Ni,该区域为没有被磨屑状物覆盖上的涂层。从图7( a) 和( b) 可知,与20℃相比,在300℃摩擦时有更多的氧化物质附着在涂层表面,形成氧化物薄膜,有效地减少了涂层与对磨球之间的直接接触,起到了减摩的作用,因此,300℃时的摩擦系数比20℃时的摩擦系数明显降低。

(a)Ni60 coating,20℃;(b)Ni60 coating,300℃;(c)Ni60+35WC-Ni coating,20℃;(d)Ni60+35WC-Ni coating,300℃

图 6 Ni60 + 35WC-Ni 与 Ni60 涂层在不同温度下的磨痕 SEM 图像Fig. 6 SEM images of worn surfaces of Ni60 + 35WC-Ni and Ni60 coatings at different temperatures

图 7 Ni60 + 35WC-Ni 涂层在 20 和 300 ℃ 下磨损的表面微观形貌Fig. 7 SEM images of worn surface of Ni60 + 35WC-Ni coatings at 20 ℃ ( a) and 300 ℃ ( b)

表 4 Ni60 +35WC-Ni 涂层磨损表面元素成分Table 4Components of worn surface of Ni60 + 35WC-Nicoating ( %,atom fraction)