激光熔覆Ni基WC金屬陶瓷涂層組織與高溫磨損性能_百度文庫(kù)講解

1、激光熔覆Ni基WC金屬陶瓷涂層組織與高溫磨損性能 汪新衡，匡建新，黃開(kāi)有，陳豐峰（湖南工學(xué)院機(jī)械工程系，湖南衡陽(yáng) 421002摘要：在21-4-N耐熱鋼表面進(jìn)行添加 WC顆粒的鎳基自熔粉末激光熔覆處理，得 到了 Ni基WC合金涂層。對(duì)熔覆層進(jìn)行了顯微組織觀察和分析以及不同溫度下的 高溫干摩擦磨損試驗(yàn)。結(jié)果表明， Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層組織細(xì)小，高 溫干摩擦磨損性能最好。關(guān)鍵詞：激光熔覆；鎳基金屬陶瓷涂層；高溫干摩擦磨損Microstructure and Abrasive-wear Behavior Under High Temperature of Laser Clad

2、 Ni-based WC Ceramic CoatingWANG Xin-heng ,KUANG Jian-xin , HUANG Kai-you ，CHEN Feng-feng(Dept.of Mecha ni cal Engineenin g,H unan in stitute of Tech no logy. Hen gya ng Hu nan 421002,Chi naAbstract:The laser claddi ng which self-fused Ni-based ceramic powder of WC composite is used on the surface o

3、f 21-4-N heat-resisti ng steel, Ni-based WC coati ng can be formed. Observ ing and analying the microstructure of cross secti on, Check ing the abrsrssive-wear under high temperature of cross section in different temperature. The results showed that the microstructure of Ni21+20%Wc+0.5%CeO2 claddi n

4、g layer is small a nd it prese nts the best abrasive-wear behavior un der high temperature in these inv estigated coat in gs.Keywords:laser claddi ng ; Ni-based Metal-ceramics layers; abrasive-wear un der high temperature激光熔覆技術(shù)具有涂層與基體結(jié)合牢固、涂層稀釋率低、工件變形小等特點(diǎn)。它可 以在普通金屬材料上獲得高性能的表面合金層，賦予其特異的性能。陶瓷材料具有 高的硬度和

5、優(yōu)良的耐磨、耐蝕、耐熱和抗高溫氧化性能，但其脆性較大，難以加 工，故其應(yīng)用受到很大的限制。而用高能量密度的激光熔覆高硬度、高耐磨性的金 屬一陶瓷涂層則為陶瓷材料的應(yīng)用開(kāi)辟了一條新的途徑 1、2。在激光熔覆表面合 金化研究中，人們對(duì)熔覆合金層的單一性能一耐磨、耐蝕等性能進(jìn)行了大量的研究 工作3、4。但對(duì)于激光熔覆合金層的高溫性能及其相應(yīng)的組織結(jié)構(gòu)方面的研究卻 少有報(bào)道。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在航空航天、工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域利用的材料越來(lái)越 多，其工作條件及服役條件愈加苛刻，很多機(jī)械零件如汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣門(mén)長(zhǎng)期在高 溫、腐蝕氣氛中工作，其密封面常因腐蝕磨損造成密封不良。為了尋求這一問(wèn)題的 解決，本文研究了激

6、光熔覆鎳基金屬陶瓷涂層組織及其高溫干摩擦磨損性能。1試驗(yàn)材料及方法 針對(duì)汽車(chē)排氣門(mén)，選用耐熱鋼21-4-N為基底材料。熔覆材料選用自熔合金粉末， 化學(xué)成分見(jiàn)表1。在自熔合金粉末中添加20%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同的 WC顆粒，另外 再加入0.5%CeO2粉末。預(yù)處理為正火。表1基材和熔覆合金的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%Table 1 Composition of based material and claded alloy （wt%材料CBSiMnCrFeNNi21-4-N0.45 7.50v 0.2581020 22余量0.35 0.503.5 4.5Ni600.84.54.016.013.0余量Ni

7、210.65 -0.752.0 3.03.5 4.025 26.5v 5.0余量Ni250.121.53.58.0余量將基底材料加工成內(nèi)徑 50mm,外徑70mm,高10mm的圓環(huán)，然后噴砂、清 洗，將配好的熔覆合金粉末用適量酒精和有機(jī)粘結(jié)劑調(diào)成糊狀并均勻涂敷在基底表 面，涂層厚度為1.01.2mm,真空中烘干、固化，激光熔覆設(shè)備選用5KW HJ-4型橫流CO2激光器，單道掃描，用氮?dú)獗Ｗo(hù)熔池，光斑直徑34mm,激光功率2.02.2kW，掃描速度4.55.0mm/s；高溫干摩擦磨損試驗(yàn)在 MG-200型高速高溫磨 損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。采用環(huán) 一環(huán)對(duì)磨，下環(huán)材質(zhì)為耐熱鑄鐵，上環(huán)工作面為不同成分 的激

8、光熔覆層。為避免高溫磨損過(guò)程中上下試樣粘著造成機(jī)器卡死現(xiàn)象，試驗(yàn)中采 用到溫后先空轉(zhuǎn)1500轉(zhuǎn)左右。再加載對(duì)磨5000轉(zhuǎn)左右，由自動(dòng)記錄儀記下摩擦力 矩一時(shí)間曲線。具體試驗(yàn)條件如下：試驗(yàn)溫度為50C, 250C, 450C, 650E ；載荷砝碼30kg;轉(zhuǎn)速1500r/min ;空轉(zhuǎn)1min ;加載時(shí)間33.5min,試樣失重 w（g=w0（始重，mg-w（磨損后重，mg。2試驗(yàn)結(jié)果及分析2. 1激光熔覆層顯微組織觀察圖1為幾種不同成分的激光熔覆層在光學(xué)顯微鏡下的組織形貌。從圖中可以看出， 盡管熔覆成分不同，但熔覆層結(jié)構(gòu)大致相似，均分為3個(gè)區(qū)域。由表及里依次為熔化區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)?；w熱

9、影響區(qū)主要由相變板條馬氏體組成。緊靠基體， 厚度大約只有幾個(gè)微米的是結(jié)合區(qū)，呈平面晶狀態(tài)，冷卻時(shí)以柱狀晶形式有熱影響 區(qū)外延生長(zhǎng)，晶間為細(xì)小的共晶組織，平面晶的存在表明了熔覆層與基體之間形成 了良好的冶金結(jié)合5。其中，基體區(qū)與熱影響區(qū)的界線不清晰，說(shuō)明在整個(gè)激光熔覆處理過(guò)程中自涂層以下受熱影響較大且均勻，這對(duì)涂層材料性能的均勻化有 利。當(dāng)CeO2添加到熔覆層中后，陶瓷相碳化鎢顆粒的數(shù)量和形狀都要發(fā)生變化， CeO2的加入促使熔覆層中碳化鎢顆粒的數(shù)量減少，棱角鈍化，形狀趨于光滑。另 外，又能譜分析可推測(cè)出，不含 CeO2的激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合層中的針狀組織與 添加CeO2的激光熔覆金屬陶瓷復(fù)合層

10、中的針狀組織，是兩種不同的金屬間化合物 。從組織形貌比較來(lái)看，Ni25+2O%WC+O.5%CeO2熔覆層組織較粗大，枝晶明顯； Ni21+2O%WC+O.5%CeO2熔覆層組織細(xì)小，枝晶不明顯；而Ni6O+2O%WC+O.5%CeO2 熔覆層介于二者之間。這是由于 Ni25合金含碳量很低且不含鉻，因而在凝固過(guò)程中 形成的高熔點(diǎn)第二相質(zhì)點(diǎn)少，作為非自發(fā)形核的核心就少，阻止晶粒長(zhǎng)大作用就 弱，所以形成了較粗大、明顯的枝晶組織；而Ni60合金熔點(diǎn)較低，相應(yīng)的凝固時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)含鉻量 也比Ni21少，它在凝固過(guò)程中形成的高熔點(diǎn)化合物數(shù)量相對(duì)也少，因此形成的枝 晶要比Ni21+2O%WC+O.5%Ce

11、O2熔覆層稍微粗大些7(a) (b (c圖1幾種成分熔覆層的組織形貌x 3OO (aNi21+2O%WC+O.5%CeO2 (bNi25+2O%WC+O.5%CeO 2 (cNi6O+2O%WC+O.5%CeO2Fig.1 Microstructures of clad layer with various compositions 3OOx2. 2高溫干摩擦磨損性能圖2為不同成分熔覆層在相同試驗(yàn)條件下的高溫干摩擦磨損性能對(duì)比直方圖。由圖可看出，Ni21+2O%WC+O.5%CeO2熔覆層的磨損量最小，耐磨性最好，而Ni60+20%WC+0.5%Ce02熔覆層耐磨性最差。這和熔覆層硬度高低、組

12、織致密均 勻程度、熔點(diǎn)高低有著密切的關(guān)系。加入適量的CeO2，能加速碳化鎢顆粒的溶解和使碳化鎢顆粒的形狀變化，成為較 光滑的表面形狀，使局部應(yīng)力得以緩解。另外，CeO2的加入，促使涂層高溫氧化后獲得更為平整、致密的氧化層，它們?cè)谔沾上嗌系母街嬖诖蟠笤鰪?qiáng)了氧化層的 穩(wěn)定性。這些，都會(huì)減少激光熔覆層在氧化和摩擦過(guò)程中的脫落。12Clec圖2 利破論懈歎尼礎(chǔ)湖站冊(cè)it對(duì)比F 2- lill - nf llii* liih 1UFh*ifn i-tHrbwl lii* 斟! | h h 血i iKkri*! T 1. 5 m iM * l）LIM -0,f Cfi 工U （ + I r J. IVi

13、2l O4 M21 ft i 5r i2l 電官（；* krNi60+20%WC+0.5%Ce02熔覆層熔點(diǎn)較低，在高溫磨損情況下，易出現(xiàn)較嚴(yán)重的 粘著磨損甚至熱磨損現(xiàn)象，導(dǎo)致耐磨性較差。Ni25+20%WC+0.5%CeO2熔覆層由于含碳量低，其硬度比Ni60+20%WC+0.5%Ce02熔覆層的低，但基體塑韌性相對(duì) 較好，所以在摩擦磨損過(guò)程中易發(fā)生塑性變形，增大摩擦副的接觸面積，使接觸應(yīng) 力有所降低8，加之Ni25合金熔點(diǎn)較高，產(chǎn)生粘著磨損傾向相對(duì)較小，因而磨損 量小些。Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層組織致密細(xì)小，析出相硬質(zhì)點(diǎn)較多，硬 度高且隨溫度升高下降平緩，所以高溫耐磨性

14、最好。2. 3摩擦磨損形貌和磨損機(jī)理分析圖3是Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層經(jīng)不同溫度摩擦磨損后的表面形貌。從圖 中可看出：Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層在低溫（50C時(shí)細(xì)磨痕比較清晰，只有 少量的熔化粘著物（圖3a；當(dāng)溫度逐漸升高時(shí)，磨痕變得越來(lái)越模糊不清，熔化粘 著物越來(lái)越多（圖3b;且出現(xiàn)隆起棱邊被壓平的犁溝（圖3c；到650E高溫時(shí)，由于 粘著物的增多和犁溝棱邊的反復(fù)形成又被壓平，磨面比較平坦，只有細(xì)微的刮擦痕 跡（圖3d。出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因在于激光熔覆層的磨損機(jī)理隨溫度改變而發(fā)生了變 化：低溫時(shí)以磨粒磨損為主，隨著溫度升高逐漸轉(zhuǎn)向以粘著磨損和氧化磨損為主

15、9、10。(a) (b (c (d圖3 Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層不同溫度下摩擦磨損形貌X 500 (a 50C (b 250 C (c 450C (d 650 CFig. 3 Wear pattern of Ni21+20%WC+0.5%CeO2 clad layer under various temperature X5003結(jié)論(1幾種不同成分的激光熔覆金屬陶瓷涂涂層在光學(xué)顯微鏡下的組織形貌相似，Ni21+20%WC+0.5%CeO2熔覆層組織更為細(xì)小。(2高溫干摩擦試驗(yàn)表明，不同成分激光熔覆金屬陶瓷涂層的高溫耐磨性能以Ni21+20%WC+0.5%CeO2 為最好。

16、(3對(duì)激光熔覆金屬陶瓷涂層的磨損機(jī)理初步判定低溫時(shí)以磨粒磨損為主，溫度升 高逐漸轉(zhuǎn)向以粘著磨損和氧化磨損為主。參考文獻(xiàn)：1 Jasim K M. Rawli ng R D. West D R. Pulsed Laser Seali ng of Plasma-sprayed Layers of 8wt percent Y ttri-a Stabilized zirconia J. J Mater Sci. 1992,27:3903-3607.2 張光鈞，李軍，李文戈.激光表面改性的發(fā)展趨勢(shì)J.金屬熱處理，2006,36(11:1-73 劉秀波，王華明.TiAl合金激光熔覆復(fù)合材料涂層耐磨性研究J.材料熱處理學(xué)報(bào),2006,27(1:87-92.4 .趙高敏，王昆林，李傳剛.稀土對(duì)Fe基合金激光熔覆層抗磨性能的影響J摩擦學(xué)學(xué)報(bào)2004,24(4:318-341. 張大偉，張新平.激光熔覆Ni-Cr3C2涂層的微觀組織及磨損性能J.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2005,36(6:110-113 趙濤,蔡昇，王順興等.CeO2對(duì)鎳基金屬陶瓷復(fù)合層組織和耐腐蝕性能的影響J.金屬熱處理,2001,(2:1-3.7 李春華，徐愷悌，王順興