WC含量對鐵基復(fù)合涂層組織與磨損性能的研究

朱繼祥,雷 聲,2,李帥,吳彥博,朱銀鋒,任悅,劉亞峰,許海麗

(1.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)(2.安徽省工程機(jī)械智能制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,安徽 合肥 230601)(3.北京理工大學(xué)材料學(xué)院,北京 100081)

導(dǎo)輥?zhàn)鳛檐堜擃I(lǐng)域?qū)l(wèi)裝置設(shè)備中主要的零部件,具有優(yōu)良的耐磨性、抗熱疲勞性、抗氧化性和較高的抗沖擊韌性等[1-2]. 導(dǎo)輥在較為惡劣的工作環(huán)境中承受著較大交變熱應(yīng)力,而表面磨損破壞和裂紋剝落是導(dǎo)致導(dǎo)輥部件失效的主要原因[3]. 激光熔覆技術(shù)因其熱量集中、加熱冷卻快、熱影響區(qū)小等特點(diǎn)受到廣泛關(guān)注[4-5].

目前在零部件表面制備金屬基復(fù)合涂層,碳化物、氮化物和氧化物陶瓷顆粒的加入可以有效提高涂層表面硬度和耐磨損特性. 其中WC顆粒因其具備硬度高、潤濕性好、熱膨脹系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn),可改善合金的微觀組織結(jié)構(gòu),獲得更好的機(jī)械性能和廣泛應(yīng)用[6]. 余暢等[7]采用激光熔覆技術(shù)在45鋼上制備了WC+Cr3C2硬質(zhì)相的鐵基復(fù)合涂層,發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層具有較高的硬度、良好的耐磨性. Chen等[8]采用激光增材技術(shù)制備高強(qiáng)度高韌性WC增強(qiáng)鐵基復(fù)合材料,鐵基復(fù)合材料具有良好的抗壓強(qiáng)度,約為2 833 MPa,斷裂應(yīng)變約為32%. 王黎明等[9]對不同含量的WC增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)隨著WC含量的增加涂層硬度及致密度呈現(xiàn)增大到減小的趨勢,質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% WC的涂層孔隙率最低. Chen[10]在碳鋼表面制備了新型致密度高的NiAl/WC復(fù)合涂層,但存在嚴(yán)重的裂紋缺陷問題. 與此對比,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%Fe可以減少NiAl/WC涂層的裂紋,獲得低摩擦系數(shù)和最小磨損率的熔覆涂層. 由于熔覆合金與WC硬化相熱膨脹系數(shù)不同,以及激光熔覆的快速熔凝容易導(dǎo)致涂層中裂紋的產(chǎn)生. 通過合理設(shè)計(jì)增強(qiáng)相WC含量,制備出無裂紋、無孔隙的高質(zhì)量熔覆層,對于WC顆粒增強(qiáng)Fe基復(fù)合材料關(guān)鍵技術(shù)的研究,是目前需要解決的問題之一.

針對導(dǎo)輥零部件主要磨損失效問題,原有鐵基熔覆材料已不能滿足導(dǎo)輥所需高耐磨性. 以GCR15軸承鋼為基體,采用同軸送粉激光熔覆技術(shù),通過添加不同含量WC球形顆粒增強(qiáng)相,制備了WC鐵基復(fù)合材料涂層. 開展不同WC含量鐵基復(fù)合涂層內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)變化與耐磨性能之間影響機(jī)理的研究. 確定最佳含量的WC鐵基復(fù)合合金涂層,以獲得致密性高耐磨性好的優(yōu)良機(jī)械性能,可以為導(dǎo)輥零部件表面強(qiáng)化的廣泛工業(yè)應(yīng)用提供新技術(shù)理論支持.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及涂層制備

實(shí)驗(yàn)選用GCR15軸承鋼為基材,尺寸為(Φ50 mm×Φ40 mm×15 mm),選擇經(jīng)濟(jì)性適中、機(jī)械性能優(yōu)越的鐵基合金作為激光熔覆材料,導(dǎo)輥原熔覆鐵基合金材料成分如表1所示. WC球形顆粒粉末分別以質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%、30%、40%、50%的含量添加到鐵基合金粉末中,經(jīng)充分機(jī)械研磨混合均勻后真空干燥. 激光熔覆實(shí)驗(yàn)采用型號LDM-4000激光器和型號為DPSF-2送粉器,選擇氬氣保護(hù),熔覆工藝參數(shù)見表2,熔覆厚度約為1 mm.

表1 鐵基合金元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 The main chemical composition of the alloy(wt.%)

表2 激光熔覆工藝參數(shù)Table 2 Parameters of laser cladding process

1.2 熔覆涂層性能表征

將試樣沿著垂直于激光器掃描方向線切割成尺寸為10 mm×15 mm×20 mm的塊狀樣品. 通過日立SU8230型高新場發(fā)射掃描電子顯微鏡,觀察熔覆層微觀組織形貌,并分析樣品熔覆層截面區(qū)域元素分布;通過 Smart Lab X型射線衍射儀和Jade-6.5軟件分析熔覆層的物相成分;通過HLN-11A型顯微硬度計(jì)在切割面從熔覆層表面向基體處每隔0.1 mm取點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測量;通過MMW-1型磨損試驗(yàn)機(jī)對不同WC含量的熔覆層進(jìn)行磨損失重量測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層微觀組織分析

熔覆層中微量元素Ni、B、Si具有脫氧造渣特性,有助于提高合金組織潤濕性和避免涂層開裂[11]. 圖1為不同WC含量熔覆層與基體微觀組織形貌,可以看出在基材與熔覆層交界線處出現(xiàn)一條明顯細(xì)窄結(jié)合帶,涂層的稀釋率較低并形成了良好的冶金結(jié)合,涂層組織致密性較高,未發(fā)現(xiàn)氣孔或其它組織缺陷存在. 熔覆層中球形亮白色為WC顆粒彌散分布鐵基合金涂層中,部分WC發(fā)生了分解. 由于 WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大,導(dǎo)致熔覆層底部存在小部分WC顆粒.

圖1 不同WC含量下熔覆層的SEM圖Fig.1 SEM microstructure of laser cladding with different content of WC

圖2分別為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% WC含量的熔覆層不同區(qū)域SEM微觀組織形貌圖. 激光熔池中合金溫度梯度G和凝固速度R的比值G/R決定著熔覆層組織形態(tài)[12-14],熔覆層組織形態(tài)對涂層機(jī)械性能有較大影響. 圖2(a)熔覆層底部與基材靠近區(qū)域,在基材快速冷卻作用下發(fā)生激冷反應(yīng),晶粒組織生長伴隨著外延特性并形成了垂直于基材界面的柱狀樹枝晶組織[15]. 圖2(c)熔覆層中部因?yàn)槔鋮s速度較慢,散熱較差導(dǎo)致枝晶發(fā)生了粗化和長大,形成了具有一定方向性的等軸樹枝晶、分散存在少量枝晶間與枝晶共晶組織;圖2(d)熔覆涂層表面與空氣接觸散熱較快,在涂層頂層區(qū)域存在樹枝晶和胞狀晶組織.

圖2 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和50%的WC熔覆層不同區(qū)域SEM微觀組織形貌圖Fig.2 SEM microstructure of different areas of WC cladding layer with 30 wt.% and 50 wt.% content

圖2(e)、(f)分別為WC含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%熔覆層底部WC顆粒周邊微觀形貌,對圖中不同區(qū)域成分分析如表3所示. 在高能激光束下WC顆粒發(fā)生了部分溶解,球面邊界外衍生出亮白色魚骨狀析出物(1,5處),根據(jù)表3能譜分析析出物主要元素成分由Fe、W、Cr組成. 1和5處Fe和W元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為38.69%、57.54%;46.10%、46.64%,并存在少量的Cr元素. 可見析出物元素Fe、W含量比較高,結(jié)合圖3 XRD圖譜可知,魚骨狀析出物主要為富鎢化物Fe3W3C和Fe2W2C,存在少量Fe-Cr化合物. 圖2(f)WC顆粒中心區(qū)域3處存在燒損裂紋,由能譜分析顯示該處Fe質(zhì)量分?jǐn)?shù)為21.52%和W質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35.96%,以及較高含量的O 41.30%,表明氧極易在裂紋處富集和Fe元素滲入到WC顆粒內(nèi)部. 主要因?yàn)閃C自身熱膨脹系數(shù)低、脆性大,且熔覆熔池的冷卻過程中合金組織內(nèi)部積聚大量熱應(yīng)力. 當(dāng)熱應(yīng)力值超過WC自身強(qiáng)度時(shí)表面將產(chǎn)生裂紋,從WC核中心向邊緣擴(kuò)散[9].

結(jié)合表3能譜分析發(fā)現(xiàn):圖2(e)同一熔覆層內(nèi)2處枝晶區(qū)域較1處枝晶間元素Fe含量增加較多,而元素W含量大幅度減少,表明少部分的WC溶解擴(kuò)散在鐵基合金里,距離WC顆粒越遠(yuǎn)W含量越少. 在熔覆過程中WC顆粒在熔池中部分溶解并彌散分布于熔覆層中,與基體合金元素形成高強(qiáng)度Fe-W-Cr類化合物. 熔池冷卻過程中高強(qiáng)度Fe-W-Cr類化合物固溶于枝晶及枝晶間,起到固溶強(qiáng)化的作用. 枝晶間區(qū)域6和共晶組織區(qū)域4成分均含有Fe、Cr、W元素,枝晶間相比共晶組織區(qū)域元素Fe含量略微減少,元素W含量近乎不變,而元素Cr含量略微提高,說明在魚骨狀析出物周邊各元素成分含量均勻,無偏析現(xiàn)象. 結(jié)合圖3的XRD分析,推斷出枝晶間析出主要為Fe2W強(qiáng)化相和Fe-Cr化合物. 隨著WC含量的增加在涂層內(nèi)部的A區(qū)域等軸晶狀組織分布更加均勻,共晶組織變的更為細(xì)小,且組織細(xì)化程度越高[16]. 當(dāng)WC含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(shí),涂層組織中由于WC含量的增加提高了熔體的相對黏度,氣體未及時(shí)逸出導(dǎo)致一些孔洞缺陷存在,如圖2(c)、(d)所示. 綜合分析各點(diǎn)成分比差異較大的原因,主要因?yàn)樵谌鄹策^程中WC自身發(fā)生微溶. 一方面,由于WC顆粒自身破裂和合金中鐵元素滲入WC顆粒內(nèi)部造成的元素成分差異. 另一方面,溶解擴(kuò)散在鐵基合金中的W元素和C元素,與固溶于枝晶間鐵元素生成新的硬化相,帶來鐵基熔覆層元素成分變化.

表3 不同WC含量下熔覆層 EDS 成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 3 Analysis of EDS composition of laser cladding coating under different content of WC(wt.%)

2.2 涂層物相分析

圖3為在WC含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%、質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的熔覆層的XRD物相分析. 在WC含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的熔覆層XRD圖譜中衍射峰最多,主要包含F(xiàn)e3W3C、Fe2W2C、WC、W2C、Fe-Cr、Fe2W等;含質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的WC熔覆層主要包含物相Fe2W、Fe3W3C、WC、W2C、M7C3等;對比下發(fā)現(xiàn)熔覆層中隨著WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,衍生出的物相減少,并生成新硬化相M7C3(M為Fe、Cr)[17]. W2C的存在驗(yàn)證了添加物WC在高溫下的分解反應(yīng),并且熔覆層中鐵元素可與未分解的WC顆粒和新生的W2C硬質(zhì)相生成Fe3W3C[18]. 在熔池內(nèi)部中WC顆粒分解有助于W、C元素固溶到枝晶與枝晶間,由于W元素過飽和帶來的晶格畸變,抑制了位錯(cuò)運(yùn)動,阻礙晶界滑移,使得熔覆層合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加,起到固溶強(qiáng)化作用. 已溶解的W和C元素與鐵基合金其它元素發(fā)生反應(yīng)生成Fe3W3C、Fe2W2C和M7C3新硬質(zhì)相與未溶解的WC顆粒均勻地分布在熔覆層中,起到了很好的彌散強(qiáng)化作用,有助于提高熔覆層的力學(xué)性能.

2.3 涂層顯微硬度分析

圖4為不同WC含量下的涂層截面硬度變化曲線. 不同WC含量(20%、30%、40%、50%)涂層平均硬度分別為894.36 HV0.1、954.73 HV0.1、882.39 HV0.1、1 015.29 HV0.1,遠(yuǎn)高于基材平均硬度337.2 HV0.1. WC的添加明顯提高了涂層表面硬度,添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% WC的熔覆層表面硬度最高為1 063.9 HV0.1,約為基材的3倍. 而WC添加量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的熔覆層硬度最低為850.6 HV0.1. 在添加量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% WC的熔覆層硬度略微減小,其余WC含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%的熔覆層硬度值較為相近. 一方面,WC顆粒增強(qiáng)相彌散分布在鐵基飽和固溶體中起到了彌散強(qiáng)化作用,激光熔覆表面快速熔凝特性抑制了晶粒的長大產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化;另一方面,在高能激光束下,熔覆層 WC分解成具有高硬度的硬化相Fe3W3C、Fe2W2C、M7C3等,顯著提高了熔覆層硬度. 在熱影響區(qū)與熔覆層底部位置,硬度逐漸升高,因?yàn)槿鄢貎?nèi)部大量合金元素Fe、Cr、Ni等元素?cái)U(kuò)散起到稀釋效果[19],且熔覆層中未分解的WC顆粒沉聚在熔覆層底部,帶來熔覆層硬度的提升.

圖3 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和50% WC熔覆層XRD物相分析Fig.3 XRD of laser cladding coating under 30 wt.% and 50 wt.% of WC

圖4 不同WC含量下熔覆層截面硬度變化曲線Fig.4 Variation of cladding layer in microhardness under different content of WC

圖5 基材與不同WC含量熔覆層磨損量對比ΔG(mg)Fig.5 Comparison of wear mass loss between substrate and cladding layer with different content of WC ΔG(mg)

圖6 基體與不同含量WC熔覆層表面磨損形貌圖Fig.6 Surface wear morphology of substrate and cladding layer with different content of WC

2.4 熔覆層摩擦磨損性能分析

圖5為不同WC含量熔覆層磨損失重量對比,可以看出添加WC的熔覆層的磨損失重量較基材得到很大改善. 當(dāng)WC含量逐漸增加時(shí),熔覆層表面磨損失重量先減少后增大,其中含量質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% WC的熔覆層耐磨性能最好而磨損量僅為9.1 mg,較基材總磨損量少40.1 mg. 質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% WC的熔覆層耐磨性較差,磨損量為28.2 mg,相比基材總磨損量少20.9 mg. 熔覆層耐磨強(qiáng)化機(jī)理在于新生硬化相和富鉻碳化物二次硬化相的析出. 這是由于WC顆粒溶解在合金熔覆層產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用,熔覆層中諸如WC、Fe3W3C、Fe2W2C、 Fe2W等強(qiáng)化相和富鉻化合物Fe-Cr阻礙了晶粒的增長,提高了熔覆層耐磨性.

圖6為GCR15基材與不同WC含量熔覆層表面磨損形貌圖. 圖6(a)為GCR15基材表面磨損形貌,可見有較深的犁溝,金屬塊脫落形成的凹坑與周邊顆粒狀的金屬屑. 這是由于在摩擦磨損過程中表面發(fā)生了冷焊而形成黏著點(diǎn),在相對滑動中產(chǎn)生較大的應(yīng)力,疲勞剝落產(chǎn)生凹坑形貌. 基體磨損機(jī)理主要存在磨料磨損和剝落磨損. 圖6(b)～(e)為不同WC含量熔覆層表面磨損形貌圖,添加不同WC含量的熔覆層磨損失重量相比基體磨損表面存在較淺的犁溝和磨屑顆粒并出現(xiàn)片狀亮白色區(qū)域. 結(jié)合圖5磨損失重量可知熔覆層中添加不同含量的WC,可有效改善基材表面的磨損. 由于溶解的WC固溶于枝晶和枝晶間,形成高強(qiáng)度Fe-W-Cr類化合物或其它碳化物(M7C3、W2C),均能提高熔覆層的耐磨性. 其次未熔的硬質(zhì)相WC與涂層良好結(jié)合也有助于提高熔覆層的耐磨性.

隨著WC含量的增加,磨損表面犁溝形貌呈現(xiàn)出“深—淺—深”形貌. 圖6(b)為含質(zhì)量分?jǐn)?shù)20% WC熔覆層磨損表面,犁溝淺顯且數(shù)量大量減少,并出現(xiàn)磨屑顆粒和剝落現(xiàn)象. 對磨屑顆粒A點(diǎn)EDS分析各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Fe 70.00%、C 23.67%、O 6.33%. 銀白色區(qū)域B點(diǎn)的EDS分析各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為Fe 22.39%、Cr 1.16%、O 2.19%、W 53.65%、C 20.62%. 磨屑顆粒主要由Fe、C、O 3個(gè)元素組成,而亮白色區(qū)域主要存在W元素. 可知磨屑顆粒主要是鐵碳顆粒及氧化物,亮而白色區(qū)域主要是熔覆層表面的WC顆粒和富鎢碳化物及氧化層.

圖6(c)顯示含質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%的WC熔覆層中犁溝最為淺顯,趨近于光滑,且磨屑近乎消失. 由上文磨損量分析可知在質(zhì)量分?jǐn)?shù)30% WC的熔覆層磨損失重量最小,耐磨性最好. 熔覆層中新生硬質(zhì)相和未熔融WC均勻的分布,可以在一定程度上減緩磨環(huán)的磨粒對熔覆涂層表層的犁削作用[20],有效提高熔覆層表面耐磨性. 質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% WC的熔覆層磨損形貌具有深淺不一的犁溝,整體上相對平整,并存在少量的磨屑. 在硬度變化曲線中質(zhì)量分?jǐn)?shù)50% WC的涂層平均硬度最高,對應(yīng)的耐磨性反而較差,說明硬度的高低與耐磨性的好壞只是在一定條件下有所關(guān)聯(lián). 由涂層中添加過量的WC則導(dǎo)致合金涂層的組織分布不均及較差的致密性,而耐磨性也隨之變差. 綜合分析,添加不同WC含量的鐵基合金熔覆層表面磨損機(jī)理主要以磨粒磨損為主及少量氧化磨損.

3 結(jié)論

(1)在GCR15軸承鋼表面熔覆了不同WC含量鐵基復(fù)合涂層. 在基材與熔覆層交界線處存在一條細(xì)窄的結(jié)合帶,且涂層組織無明顯缺陷. 涂層組織從頂層到底部分別由胞狀晶、等軸晶樹枝晶和柱狀晶組成.

(2)WC含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%和質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%的鐵基復(fù)合涂層中增強(qiáng)相主要以Fe3W3C、Fe2W2C為主,隨著熔覆層WC含量的增加產(chǎn)生了新硬化相M7C3. 高硬度的硬化相Fe3W3C、Fe2W2C、M7C3等與WC顆粒彌散分布涂層中顯著提高了涂層硬度. 當(dāng)WC含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(shí),平均硬度(1 015.29 HV0.1)最高且約為基材的3倍. 不同WC含量的熔覆層平均硬度變化差別不大.

(3)WC含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)50%時(shí)的熔覆層由于涂層的WC顆粒分布不均及較差的致密性,導(dǎo)致耐磨性隨之變差. 在WC含量為質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%時(shí)的熔覆層耐磨性能最好,較基材磨損失重少40.1 mg,熔覆層磨損機(jī)理以磨料磨損為主和少量氧化磨損.