不同碳化鎢含量對(duì)激光熔覆鎳基碳化鎢涂層性能的影響

不同碳化鎢含量對(duì)激光熔覆鎳基碳化鎢涂層性能的影響

眾所周知，碳化鎢具有高耐腐蝕性、高硬度、高熔點(diǎn)、可焊性好、一定的塑性變形、與鎳基合金之間的潤(rùn)濕性較好等性能。在鎳基自熔性粉末中添加碳化鎢顆粒制成的涂層具有較高的硬度、較好的耐磨性和耐腐蝕性能，是制備石油、化工、工程機(jī)械等領(lǐng)域的零部件涂層的最佳選擇材料。本文采用粉末等離子弧熔覆技術(shù)在Q345鋼表面制備鎳基碳化鎢涂層，研究不同碳化鎢含量在等離子弧作用下對(duì)鎳基碳化鎢涂層微觀組織及性能的影響。

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

基材：Q345鋼

熔覆材料：N60鎳基自熔性合金粉末，48-116μm

添加材料及添加量：WC（15wt%,35wt%,50wt%），100-147μm

熔覆前準(zhǔn)備：200℃干燥2h

不同組別鎳基碳化鎢成分（wt%）

等離子弧熔覆技術(shù)工藝參數(shù)

涂層微觀組織分析

熔覆涂層金相圖如下：

等離子弧熔覆鎳基碳化鎢涂層微觀組織形貌： （a,d）Ni60WC15；（b,e）Ni60WC35；（c,f）Ni60WC50

鎳基碳化鎢粉末中碳化鎢含量為15％～50％時(shí)，等離子弧熔覆所制備的涂層與Q345鋼基體界面結(jié)合良好，無冶金缺陷，涂層表面無氣孔缺陷；當(dāng)碳化鎢含量為５０％時(shí)，涂層表面有微量細(xì)小裂紋。

當(dāng)粉末中碳化鎢含量為15％時(shí)，熔覆涂層中碳化鎢顆粒主要沉積在涂層底部，碳化鎢顆粒含量占整個(gè)組織的76％ （見圖ａ）。 隨著粉末中碳化鎢含量增 加至35％ ，熔覆涂層中碳化鎢顆粒數(shù)量迅速增多，逐漸由涂層底部向涂層表面分布（見圖ｂ）。當(dāng)粉末中碳化鎢含量為50％ 時(shí)，熔覆涂層中碳化鎢顆粒數(shù)量最多，占整個(gè)組織的21.9％，碳化鎢顆粒幾乎布滿整個(gè)熔覆涂層（見圖ｃ）。

熔覆涂層的XRD結(jié)果： （a）Ni60WC15；（b）Ni60WC35；（c）Ni60WC50

由此可知，等離子弧熔覆鎳基碳化鎢涂層主要由碳化鎢顆粒、枝狀晶和枝狀晶間的固溶體構(gòu)成，碳化鎢顆粒主要是WC，邊緣有少量的W₂C。 枝狀晶主要含Cr₂₃C₆、SiC、Ni3Si，還 可能含Cr、Si、Fe、W的硼化物，枝狀晶間的固溶體是γ?Ni。隨著粉末中碳化鎢含量的增加，熔覆涂層組織中碳化鎢顆粒所占比例增加，并從涂層底部逐漸彌散分布于整個(gè)涂層。

涂層硬度分析

不同碳化鎢含量下熔覆涂層硬度分布

從涂層與基體的界面到涂層表面，不同含量碳化鎢含量所得的等離子弧熔覆涂層的硬度值均逐漸增大后略有減小，且熔覆涂層的最大硬度值處于不同位置。

當(dāng)粉末中 碳化鎢含量為15％ 時(shí)，由于碳化鎢密度（W₂C為 17.2ｇ/cm³， WC為15.7ｇ/cm³）大于鎳基合金密度（約為8.4ｇ/cm³）， 熔覆涂層中碳化鎢顆粒主要沉積在底部，在距離界面約0.5mm處熔覆涂層硬度達(dá)到最大值，為859HV₁₀。當(dāng)粉末中 碳化鎢含量增加至35％ 時(shí)，熔覆涂層中碳化鎢顆粒數(shù)量顯著增加且主要分布于距離熔合線1.0-3.5ｍｍ 處，此時(shí)熔覆涂 層硬度達(dá)到最大值，為927 HV₁₀。當(dāng)粉末中碳化鎢含量為 ５０％時(shí)，熔覆涂層中碳化鎢顆粒數(shù)量多且彌散分布于整個(gè)涂層， 涂層表面硬度達(dá)到最大值，為1024HV₁₀。

在等離子弧作用下，一方面，粉末中未溶解的碳化鎢作為硬質(zhì)相在熔覆涂層中彌散分布，對(duì)鎳基合金起到彌散強(qiáng)化作用；另一方面，鎳基合金中Cr、Si、Fe、W等元素固溶于Ni中，形成γ?Ni固溶體，對(duì)熔覆涂層起到固溶強(qiáng)化的作用。同時(shí)，粉末中Ni、Cr、Si、Fe、W和B、C元素在等離子弧作用下形 成碳化物和硼化物硬質(zhì)相，對(duì)熔覆涂層起到析出強(qiáng)化作用。這些共同作用使鎳基碳化鎢熔覆涂層具有較高的硬度。隨著粉末中碳化鎢含量從15％ 增加至50％，熔覆涂層的平均硬度值也相應(yīng)增加。這主要是因?yàn)殡S著粉末中碳化鎢添加量的增加，涂層中碳化鎢顆粒數(shù)量、碳化物和硼化物數(shù)量也增加。

涂層耐磨性分析

不同碳化鎢含量下熔覆涂層摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

不同碳化鎢含量下熔覆涂層的磨損率

隨著粉末中碳化鎢含量的增加，熔覆涂層中碳化鎢顆粒數(shù)量增多且逐漸彌散分布，熔覆涂層中其他碳化物、硼化物等硬質(zhì)相的數(shù)量也相應(yīng)增加，且熔覆涂層的耐磨性能增強(qiáng)。當(dāng)粉末中碳化鎢含量為50％ 時(shí)，熔覆涂層的耐磨性最好。一般認(rèn)為材料的硬度與其耐磨性有一定的線性關(guān)系，即材料的硬度越高，其磨損率越小。

結(jié)論

（1）在所選工藝參數(shù)條件下，等離子弧熔覆鎳基碳化鎢涂層均無氣孔，當(dāng)碳化鎢含量為50%時(shí)，熔覆涂層中有微量細(xì)小裂紋存在。

（２）等離子弧熔覆鎳基碳化鎢涂層主要由碳化鎢、枝狀晶和枝狀晶間的固溶體構(gòu)成。碳化鎢顆粒主要由WC和邊緣處少量W₂C組成，枝狀晶主要含有 Cr₂₃C₆、SiC、Ni3Si，可能 含有Cr、Si、Fe、W的硼化物，枝狀晶間的固溶體是γ?Ni。

（３）隨著粉末中碳化鎢含量的增加，熔覆涂層中碳化鎢顆粒所占比例增加。當(dāng)粉末中碳化鎢含量為50％ 時(shí)，熔覆涂層中碳化鎢顆粒數(shù)量最多且彌散分布于整個(gè)涂層，此時(shí)熔覆涂層的硬度達(dá)到最大值，為1024HV₁₀ ,熔覆涂層的耐磨性也達(dá)到最佳。

參考文獻(xiàn)：

《不同碳化鎢含量對(duì)等離子弧熔覆鎳基碳化鎢涂層組織及性能的影響》，吳磊，浦娟，江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州機(jī)械研究所新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

我司研發(fā)的鎳基碳化鎢粉末，具有高硬度，高耐磨性和耐腐蝕的特點(diǎn)，適用于超硬材料工具的表面激光熔覆。應(yīng)用場(chǎng)面包括礦山開采，隧道挖掘，熱軋鋼輥表面增強(qiáng)等。詳情點(diǎn)擊下圖