H13模具鋼等離子熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層研究

彭竹琴， 李俊魁， 齊振東， 盧金斌， 席艷君

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

H13模具鋼等離子熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層研究

彭竹琴， 李俊魁， 齊振東， 盧金斌， 席艷君

(中原工學(xué)院， 鄭州 450007)

以Ni60+35%WC合金粉末為原料，采用等離子熔覆技術(shù)，在H13模具鋼基體上熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層。借助SEM、XRD分析涂層的顯微組織；利用顯微硬度計測試涂層的顯微硬度；通過環(huán)-塊磨損實(shí)驗(yàn)在MM-200磨損試驗(yàn)機(jī)上評估涂層的耐磨性能；采用線性極化法研究涂層在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性能。結(jié)果表明：涂層組織均勻細(xì)小，主要由γ-(Ni,Fe)樹枝晶以及枝晶間的γ-(Ni,Fe)與Cr23C6、Fe3W3C形成的共晶結(jié)構(gòu)組成，在涂層底部分布有WC增強(qiáng)相；涂層的顯微硬度可達(dá)590～650 HV0.3；在室溫干滑動磨損條件下，涂層的耐滑動磨損性與基體相比提高了1倍以上。在3.5% NaCl溶液中，涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于H13鋼基體。H13鋼經(jīng)等離子熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層后耐磨性能、耐蝕性能得到提高，可用于H13鋼制模具的表面磨損修復(fù)。

等離子熔覆；H13模具鋼；顯微組織；耐磨性；耐蝕性

H13鋼(4Cr5MoSiV1)是一種具有較好的熱強(qiáng)性和紅硬性、較高的韌性和抗熱疲勞性能的空冷硬化模具鋼，常用于制造鋁合金的熱擠壓模和壓鑄模以及塑料模、壓力機(jī)鍛模等[1-2]。熱作模具在使用過程中因承受高應(yīng)力、熱作用和侵蝕等，模具表面經(jīng)常出現(xiàn)磨損或疲勞裂紋等缺陷，而模具制造成本較高，因此對缺陷模具進(jìn)行修復(fù)可以降低成本。對貴重以及形狀復(fù)雜的模具進(jìn)行失效修復(fù)，激光熔覆具有較大的優(yōu)勢[3-5]。范氏紅娥等[6]在H13鋼表面激光熔覆制備了TiC/Co 基合金修復(fù)層，并研究了其顯微組織與力學(xué)性能；張偉等[7]在H13鋼表面激光熔覆了WC顆粒增強(qiáng)的Ni基合金涂層，大幅提高了模具的壽命；姚爽等[8]在H13鋼表面激光熔覆了原位自生TiC的增強(qiáng)復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)Ti含量對涂層耐磨性有較大的影響。徐衛(wèi)仙等[9]在H13鋼表面激光熔覆了WC增強(qiáng)的Co基合金涂層，大幅提高了顯微硬度和高溫磨損性能。但激光設(shè)備價格昂貴、維護(hù)成本高，限制了在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣應(yīng)用，而等離子設(shè)備價格低廉、處理成本低，使用起來更靈活方便，在實(shí)際生產(chǎn)中可得到廣泛應(yīng)用。費(fèi)麗爽、盧金斌、趙龍等[10-12]采用等離子技術(shù)分別在718H模具鋼、Q235鋼和Q345鋼表面熔覆了鐵基合金，制備了冶金結(jié)合涂層，提高了表面硬度；潘成剛等[13]在W6Mo5Cr4V2模具鋼表面采用等離子技術(shù)熔覆了添加不同SiC比例的Ni基合金涂層，通過優(yōu)化SiC含量，提高了顯微硬度。但有關(guān)在H13鋼表面采用等離子技術(shù)熔覆添加WC的鎳基合金涂層研究的較少。本文利用等離子熔覆技術(shù)在H13模具鋼表面制備WC/Ni基復(fù)合涂層，并對涂層的組織結(jié)構(gòu)、耐磨性能和耐蝕性能進(jìn)行綜合評價，為其在模具表面修復(fù)中的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和實(shí)踐指導(dǎo)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)基材為H13(4Cr5MoSiV1)熱作模具鋼，經(jīng)淬火及回火處理，其組織為回火索氏體，硬度為320～340 HV0.3。熔覆粉末采用北京礦冶研究總院的Ni60+35%WC合金粉末，其化學(xué)成分如表1所示，粒度為140～320目。用自制黏結(jié)劑將粉末調(diào)成糊狀，預(yù)置于試樣表面，150 ℃烘干待用。

采用自制的等離子設(shè)備進(jìn)行熔覆試驗(yàn)，試樣作為陽極，等離子體炬作為陰極。單道熔覆，工藝參數(shù)為：工作電流130 A，掃描速度135 mm/min，用氬氣作為保護(hù)氣體及電離氣體，保護(hù)氣體流量1.0 m3/h，電離氣體流量0.8 m3/h，噴嘴距工件表面距離10 mm。

垂直于涂層截取試樣，在JSM-5610LV掃描電鏡上觀察分析涂層的組織。采用Philip PW1730/10 X射線衍射儀分析涂層中的物相組成。采用MH-6型顯微硬度計測試涂層橫截面的硬度，載荷2.94 N。在MM200 磨損試驗(yàn)機(jī)上對涂層和基體試樣進(jìn)行環(huán)塊磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為20 mm×20 mm×5 mm，對磨試樣為W18Cr4V，硬度為60～62 HRC。試驗(yàn)條件為：主軸轉(zhuǎn)速200 r/min，載荷98 N，干摩擦?xí)r間6 h。用失重測量法評測耐磨性。

從涂層和基體上分別切取5 mm×5mm×10mm的試樣，將5 mm × 5mm待測面打磨到5#金相砂紙，非工作面用環(huán)氧樹脂封裝。利用CHI660C電化學(xué)工作站進(jìn)行線性極化測試，采用三電極體系進(jìn)行測試，以飽和甘汞電極作為參比電極，鉑電極作為輔助電極。預(yù)先測定樣品在介質(zhì)中的自腐蝕電位，待體系穩(wěn)定后測定電化學(xué)曲線，掃描速度為1 mV/s。腐蝕介質(zhì)為3.5% NaCl溶液，在室溫下進(jìn)行測量。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層顯微組織

采用上述工藝參數(shù)在H13模具鋼基體上制備了Ni60+35%WC復(fù)合涂層，涂層結(jié)構(gòu)良好，無宏觀氣孔和裂紋等缺陷。從涂層的X射線衍射物相分析結(jié)果(見圖1)可知，涂層主要由γ-(Ni，F(xiàn)e)、Cr23C6、Fe3W3C等組成。同時可以看到，在2θ為44.38°、51.2°處的衍射峰寬化現(xiàn)象明顯。分析認(rèn)為，在等離子熔覆過程中，熔池快速冷卻，γ-(Ni，F(xiàn)e)中固溶了大量的Fe、W、C、Cr、Si等合金元素形成過飽和固溶體，導(dǎo)致晶格畸變，此外，熔池快速冷卻，使涂層中存在較大的殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致衍射峰變寬。

圖1 涂層的X射線衍射圖

涂層的SEM組織如圖2-圖5所示。圖2為涂層底部組織，涂層與基體界面附近分布有白色顆粒物(如A點(diǎn))。從EDS分析結(jié)果可知，A點(diǎn)處為殘留的WC顆粒，如表2所示。分析認(rèn)為，WC因密度(15.63 g/cm3)較大，熔覆過程中沉積在涂層底部，并在其周圍發(fā)生了元素互擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，甚至部分發(fā)生分解。從基體和涂層界面上方的灰白色樹枝晶區(qū)(圖2中B點(diǎn))的EDS結(jié)果可知，此處為Fe3W3C，它是由于WC發(fā)生分解，W原子與熔池中的Fe、C等元素發(fā)生了反應(yīng)形成的，這與X射線衍射分析結(jié)果一致。對涂層界面進(jìn)行放大觀察，界面處形成了平面晶及少量胞狀晶，如圖3所示。經(jīng)EDS分析可知，圖中C點(diǎn) 的Fe含量為40.25 wt%，明顯高于熔覆粉末，這說明涂層與基體元素發(fā)生了擴(kuò)散，二者形成了良好的冶金結(jié)合。C點(diǎn)的W含量為31.52 wt%，表面WC分解后進(jìn)入了樹枝晶，形成了固溶大量W、Si、Cr的γ-(Ni,Fe)。圖4為涂層中部組織，可以看出涂層組織均勻、細(xì)小，主要呈枝晶生長特征。圖5為放大后的組織，黑色的樹枝晶為γ-(Ni,Fe)固溶體，在枝晶間分布有白色化合物(如D點(diǎn)所示)，結(jié)合成分分析(表2)，這可能為γ-(Ni,Fe)與Fe3W3C形成的非規(guī)則共晶組織。圖5中枝晶間E點(diǎn)處的成分見表2，初步判斷為Cr的碳化物Cr23C6、Fe3W3C及少量未分解的WC等與γ-(Ni,Fe)固溶體形成的共晶組織。

圖2 涂層底部組織

圖3 涂層與基體界面組織

圖4 涂層中部組織

圖5 樹枝晶及枝晶間組織

表2 涂層不同位置的EDS分析結(jié)果 wt%

2.2 涂層耐磨性

涂層截面顯微硬度分布曲線如圖6所示。涂層硬度高達(dá)590～650 HV0.3，明顯高于基體的硬度320～340 HV0.3，在界面處呈梯度分布，為涂層的耐磨性奠定了基礎(chǔ)。涂層和基體試樣的室溫干滑動磨損試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，涂層試樣的失重約是基體的41.4%，表明涂層的耐滑動磨損性能與基體相比提高1倍以上。

Ni60+35%WC復(fù)合涂層的耐磨性優(yōu)于基體，主要是由于熔池快速冷卻產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化作用，使涂層具有良好的強(qiáng)韌性。在磨損過程中，固溶和細(xì)晶對涂層中的高硬度相Cr23C6、WC起到了強(qiáng)有力的支撐和連接作用。界面處H13鋼馬氏體與涂層起到了很好的過渡作用，使界面處硬度呈梯度下降，緩和了涂層和基體之間的應(yīng)力。

圖6 熔覆層顯微硬度分布曲線

表3 磨損試驗(yàn)結(jié)果 g

2.3 涂層的耐蝕性

在3.5%NaCl溶液腐蝕介質(zhì)中將H13鋼基體和涂層試樣進(jìn)行極化，其塔菲爾曲線如圖7所示。在評價活性溶解材料的耐蝕能力時，首要的參數(shù)是腐蝕電流(icorr)。腐蝕電流越小，材料的耐蝕性能越好，這是因?yàn)楦g電流是由材料的溶解所造成的。只有當(dāng)兩種材料的腐蝕電流大體相同時，腐蝕電位才是一個需要考慮的參數(shù)，腐蝕電位越高，材料的耐蝕性能越好。從基體和涂層試樣的極化曲線可以看出：兩者的腐蝕電流大體相同，涂層的腐蝕電位由原來基體的-0.50 V正移至-0.38 V，正移了約120 mV，從腐蝕電位考慮，涂層的耐蝕性優(yōu)于基體。陽極極化曲線顯示，涂層和基體的擊破電位分別約為-0.17 V和-0.30 V，涂層的擊破電位高于基體，說明涂層的鈍化狀態(tài)比基體相對穩(wěn)定，耐蝕性要好一些。過鈍化曲線表明，隨著極化電位的正移，基體的陽極溶解電流高于涂層，即涂層的耐蝕性比基體好。上述情況說明，在該腐蝕體系下H13鋼表面等離子熔覆WC/Ni基復(fù)合涂層的耐蝕性能優(yōu)于基體。其主要原因是γ-Ni固溶體中固溶了大量的Cr、Si元素，提高了涂層中固溶體的電極電位。

圖7 基體和熔覆層塔菲爾曲線

3 結(jié) 語

(1)利用等離子熔覆技術(shù)，選擇優(yōu)化后的工藝參數(shù)，在H13模具鋼基體上熔覆WC/Ni基合金粉末制備耐磨耐蝕復(fù)合涂層，涂層結(jié)構(gòu)良好，無裂紋、氣孔等缺陷。

(2)涂層組織均勻細(xì)小，基本呈枝晶生長特征，主要由固溶Cr、Si元素的γ-(Ni,Fe)樹枝晶、枝晶間的Cr23C6、Fe3W3C及少量沉積在涂層底部的WC組成。

(3)涂層的顯微硬度為590～650HV0.3，明顯高于H13鋼基體的硬度320～340 HV0.3。在室溫干滑動磨損條件下，涂層的失重僅為基體的41.4%，涂層的耐滑動磨損性能提高1倍以上。在3.5%NaCl溶液中，涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于H13鋼基體。

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(責(zé)任編輯：席艷君)

Study on Microstructure and Properties of WC/Ni Composite Coating Prepared by Plasma Cladding on H13 Die Steel

PENG Zhu-qin, LI Jun-kui, QI Zhen-dong, LU Jin-bin, XI Yan-jun

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China )

To study the microstructure and properties of WC/Ni composite coating, by plasma cladding technology, a WC/Ni composite coating is prepared on H13 die steel. The microstructure of the composite coating is analyzed by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD).The microhardness, are resistance performance, and corrosion resistance of the coating is tested by microhardness tester,a MM-200 block-on-wheel sliding wear tester, and by linear polarization respectively. The experimental results indicate that the microstructure of the coating is mainly consisted of γ-(Ni,Fe), Cr23C6, Fe3W3C. The microhardness of the coating varies from 590 to 650HV0.3,and the wear resistance of the coating is increased more than 1 times compared with substrate. The corrosion resistance test demonstrates that the corrosion resistance of the coating is better than substrate in 3.5% NaCl solution. The wear resistance and the corrosion resistance of WC/Ni composite coating is enhanced greatly and it would be used to repair the surface of H13 steel die.

plasma cladding； H13 die steel； microstructure； wear resistance； corrosion resistance

2015-09-06

河南省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目(122102210504)；鄭州市科技攻關(guān)項(xiàng)目(131PPTGG416-2)

彭竹琴(1964-)，女，河南靈寶人，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)榻饘俨牧霞氨砻婀こ獭?/p>

1671-6906(2015)06-0048-05

TG178

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.011