等离子喷焊镍基合金碳化钨复合涂层.pdf

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等离子 镍基碳化钨 等离子喷焊 等离子焊 镍基合金 涂层喷 碳化钨 基合金 喷焊合金 碳化钨镍基 碳化钨合金
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第23卷第10期 重庆工学院学报(自然科学) 2009年lO月 V01.23 No.10 Journal of Chongqing Institute of Te(·hflt'l)科(Natural Scien(’e) 0f。I.2009 等离子喷焊镍基合金碳化钨复合涂层 龙军峰1’2a,孙智富2b,叶 靖h,邢 飞28,黄永顺28,陶 宁28 (1.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400045;2.重庆理工大学 a.材料科学与工程学院;b.汽车零部件制造及检测技术教育部重点实验室,重庆400050) 摘 要:采用等离子喷焊技术,在45钢表面制备了镍基合金碳化钨复合涂层,并对喷焊层的 微观结构、显微硬度及耐磨性进行研究.结果表明:喷焊层与基体之间的结合紧密,形成良好的冶 金结合,界面处出现细晶粒区.45钢经喷焊后具有明显优于普通碳钢的高硬度及耐磨性能,可用 于代替高合金热作模具钢. 关键词:等离子喷焊;镍基合金;冶金结合;显微硬度;耐磨性 中图分类号:TGl74.4 文献标识码:A 文章编号:1671—0924(2009)10—0046—04 Study on Plasma Spray Welding of Ni-Based Alloy WC Composite Coatings LONG Jun.fen91·h,SUN Zhi.fu拍,YE Jingh, XING Fein,HUANG Yong-shun功,TAO Nin928 (1.College of Materials Science and Engineering,Chongqing University,Chongqing 400045,China; 2.a.College of Materials Science and Engineering;b.Key Laboratory of Manufacture and Test Techniques for Automobile Parts,Ministry of Education,Chongqing University of Technology,Chongqing 400050。China) Abstract:The Ni—based alloy-WC composite coatings are sprayed on the surface of 45 steel by plasma spray welding.The analyses on microstructure,microhardness and wear resistance of the coatings are carried out.The results show that metallurgical bonding forms between the coatings and the substrate, and the refined crystal grains are obtained at the interface.The hardness and wear resistance of 45 steel after plasma spray welding are obviously better than that of plain carbon steels,which could become a substitute for high—alloy hot work die steel. Key words:plasma spray welding;Ni—based alloy;metallurgical bonding;microhardness;wear resistance 随着现代工业的不断发展,对模具的要求越 来越高,除了高精度以外,还有高效率、高寿命等. 优质的模具材料可以在满足要求的同时,大幅度 降低加工成本.但近年来由于原材料的供应短缺, ·收稿日期:2009—06—11 基金项目:萤庆市教育委员会科学技术研究项日(KJ080627). 作者简介:龙军峰(1979一),男,湖南株洲人,硕士研究生,助理研究员,主要从事模具没计及表面处理方面的 研究. 万方数据 龙军峰,等:等离子喷焊镍基合金碳化钨复合涂层 47 模具钢的价格大涨.因此,在合理选材的基础上, 比较理想的方法便是对普通材料进行表面改 性111.等离子弧热喷焊技术是20世纪60年代出 现的一种进行表面防护和强化的热喷焊技术,利 用等离子弧在普通材料表面喷焊高性能合金层, 具有合金材料消耗少、可喷焊各种合金粉末材料、 成本低、生产效率高、易于实现自动化等许多优 点,因而在机械、冶金、电力等诸多领域应用也越 来越,“泛,并取得显著的经济效型2。】.而镍基合 金粉末价格适中,熔点低,自熔成渣性及喷焊工艺 性好,涂层具有良好的耐腐蚀、耐磨和耐热性H J. 本课题中采用等离子弧热喷焊技术在成本低廉的 普通45钢基体表面制备镍基合金碳化钨复合涂 层,使其具有高硬度以及良好的耐热、耐磨损等性 能,可用于制造部分摆动碾压模具和一般热挤压 模具,以代替高合金热作模具钢. 1实验材料及方法 用80%~83%的镍基自熔合金粉与12%~ 15%的碳化钨粉及少量添加剂制成混合粉料,其 化学成分见表1.采用PQ—lSAlJA型喷枪进行等 离子喷焊,等离子弧电压为45~50V,等离子弧电 流为430—450A,离子气和送粉气采用工业纯氩 气,离子气流量为45 L/min,送粉气流量为2.5 L/min,枪距75~80 mm,喷枪移动速度为40 mm/ s.喷涂前对45钢基体表面进行去脂和喷砂处理, 涂层厚度约为400um. 表1 粉末原料的化学成分 名 称 成分/(%) 粒肜目 Ni基合金 Si:3.5—4.5,B:2.8~3.6, 140~320 Cr:12~16.5,Fe≤14,Ni:余量 碳化钨 WC:70~90,Ni:10~30 150 采用JSM一6460LV扫描电子显微镜对喷焊层 的组织、形貌及成分进行分析;用电热炉加热喷焊 试样,从400℃开始,每升高100℃保温10 rain, 水冷,以涂层与基体是否剥离为评定依据,进行热 震试验以检测喷焊试样的结合力;用HVS一100型 显微硬度计测试喷焊层截面从基材到喷焊层的硬 度;用MM200快速磨损试验机对喷焊层进行摩擦 磨损试验,外加载荷F=15 kg,转速凡= 600 r/min,线速度“=1.2 m/s,试验时间为1 h,润 滑剂为煤油,对磨材料为45钢,淬火后表面硬度 为HRC55. 2结果与分析 2.1 喷焊层的形貌及成分分析 结合镍基碳化钨喷焊层表面扫描及能谱图进 行分析,发现喷焊层中WC分布不均匀,存在未溶 解不规则的白亮块状组织WC,见图l中的 Spectruml,其能谱成分为:埘(W)90.80%,W(c) 7.52%,另有部分WC与周围合金中的元素发生 反应,形成块状的多元复相化合物,见图l中的 Spectrum2,其能谱成分为:埘(cr)17.66%,伽(Fe) 4.10%,埘(Ni)31.46%,伽(W)42.61%.此外由于· 喷焊层中残留气体上浮速度小于液态合金的结晶 速度,来不及逸出,使得喷焊层中有少量气孑L存在. 图1 镍基碳化物喷焊层表面SEU和能谱分析 , 从图2镍基碳化物喷焊层的截面SEM可知, 喷焊层组织较为均匀无分层现象,与基体之间的 结合紧密,熔合线曲折,并且发现在喷焊层与基体 界面处出现一个细晶粒区,原因可能是喷焊工艺 的预热速度很快,且预热层厚度很小,该热量不会 使基材的性能受到破坏,并且在喷焊应力的作用 下发生了再结晶现象,细化了晶粒”J.由图3截面 能谱分析可见,喷焊层与基体的Ni,Fe,cr元素已 经发生互相扩散,形成良好的冶金结合. 万方数据 48 重庆工学院学报 图2镍基碳化物喷焊层截面SEM形貌 图3镍基碳化物喷焊层截面能谱 2。2喷焊层与基体的结合 为了检测喷焊层与基体的结合力,对喷焊试 样进行了热震试验,结果见表2.由表2可知,经 700℃的热震实验,喷焊层仍致密,具有良好的耐 热性,且与基体形成良好的结合;经800℃的热震 后,喷焊层内部出现裂纹,与基体的交界处也由少 量裂纹产生,见图4. 表2喷焊试样热震试验结果 加热温 400±10 500 4-10 600±lO 700±lO 800±10黜(℃) 薯菱未变化未变化未变化鬣耋曩 (a)界面处裂纹 (b)喷焊层裂纹 图4 800℃热震后的SEM 2.3 喷焊层显微硬度分布 用HVS一100型显微硬度计对喷焊试样进行 显微硬度检测,结果见图5.由图5可知,从基体到 喷焊层的显微硬度总体呈上升分布趋势,在基体 与喷焊层的界面处,由于基体与喷焊层的元素相 互扩散,其显微硬度明显高于基体且低于喷焊层, 处于中间值.喷焊层的显微硬度较高,可达 HV800,究其原囚在于合金元素Cr等一方面溶解 进入固溶体起到强化作用,同时B,si与合金元素 生成的CrB,Ni,B,Ni,Si等硬质相弥散在固溶体中 起到了第二相强化作用,尤其碳化钨的加入,显著 增加了第二相的强化作用∞J. 万方数据 龙军峰,等:等离子喷焊镍基合金碳化钨复合涂层 49 》 罨 删 蹙f 慧 一 一160 —80 0 80 160 240 320 从基体到喷焊层,斗m 图5从基体到喷焊层的显微硬度分布 2.4喷焊层的耐磨性 用MM200环块磨损试验机对喷焊试样和45 钢淬火试样进行耐磨性试验,测试结果为:喷焊试 样的磨损体积为0.132 mm3,45钢淬火试样的磨 损体积为0.387 i1111“13.由此可见,45钢表面喷焊镍 基碳化钨复合涂层后,其耐磨性得到明显提高,是 45钢淬火的2.93倍. 3 结论 1)等离子喷焊镍基合金碳化钨复合涂层,喷 焊层与基体之间的结合紧密,形成良好的冶金结 合,界面处出现细晶粒区.喷焊层中WC分布不 均匀,存在未溶解不规则的白亮块状组织WC.经 700 oC的热震实验,喷焊层致密具有良好的耐热 性,且与基体形成良好的结合. 2)合金元素溶解进入固溶体起到强化作用, 同时硬质相弥散在固溶体中起到了第二相强化作 用,显著提高了喷焊层的硬度及耐磨性. 参考文献: [1]赵剑波,崔洪芝,孙海洋,等.模具表面等离子处理的 研究[J].模具制造,2005(9):49—51. [2]许雪,赵程.等离子弧热喷焊技术的发展与现状[J]. 冶金丛刊,2006(3):44—46. [3] 斯松华,袁晓敏,何宜柱.等离子弧喷焊镍基合金层 组织及耐磨性试验研究[J].焊接技术,2002,31 (3):13一14. [4] 詹长书.热喷焊技术工艺设计及其应用[J].森林工 程,2003,19(3):39—40. [5] 张叶成,孙健,王东亚,等.堆焊与喷焊修复模具的效 果对比研究[J】.东方模具,2008,12:60—62. [6] 卢顺,陈健,詹捷,等.模具表面等离子喷焊CoWC50 合金强化研究[J].材料导报,2007,21(5A):453 —454. [7] 杨启志,王俊英.wc添加量对Nj基复合涂层结构和 耐蚀性的影响[J].江苏大学学报:自然科学版, 2003,24(2):58—60. (责任编辑陈 ∞∞∞∞∞∞∞∞∞o 9 8 7西5 4 3 2 l 万方数据
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