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    310S不銹鋼管激光熔覆硬質合金復合涂層及其磨損性能研究

    來源:至德鋼業 日期:2020-11-18 00:14:20 人氣:798

    浙江至德鋼業有限公司以鎳粉和WC粉為原料,采用激光熔覆法在310S不銹鋼管表面制備了鎳基-WC復合涂層,研究了激光熔覆層的顯微形貌、物相組成和耐磨性能,并分析了復合涂層的作用機理。結果表明,激光熔覆層致密,無氣孔或者其它顯微缺陷,熔覆層與基材冶金結合良好;Ni基-20%WC激光熔覆層的物相為:Ni3Cr2、Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C、Mo6Ni6C、W3C和WC;不同添加量的激光熔覆層的磨損失重均小于不銹鋼基材,隨著WC含量的增加,熔覆層的磨損失重量呈現逐漸降低趨勢。

     

     隨著激光加工技術的快速發展,結合激光束與金屬材料的相互作用機理,將激光熱加工應用于材料表面改性以實現綜合性能的提高已成為金屬材料表面改性的重要方法。采用與基材材料物理和化學性質完全不同的材料為原料,在激光熔覆作用下形成了與基體有一定結合力的表面涂層,從而達到改善表面耐磨、耐腐蝕等特性的目的。目前,激光熔覆材料大多為自熔性合金粉末,如鎳基、鈷基和鐵基粉末等,主要應用在局部耐磨或者具有抗熱疲勞的構件。然而,隨著310S不銹鋼管材料服役要求的提高,單純的鎳基或者鈷基等涂層的使用性能已無法滿足耐磨性或熱震損傷等的要求。因此,浙江至德鋼業有限公司結合硬質合金涂層的特性,嘗試采用鎳基粉末和硬質合金粉末相結合的方法,采用激光熔覆在310S不銹鋼管表面制備了復合涂層,并研究了熔覆層的顯微形貌、物相組成和耐磨性能,以期為高性能的激光熔覆層的開發與應用提供參考。


    一、試驗材料與方法


     激光熔覆基體材料為310S不銹鋼管,規格為180mm×8mm,主要元素化學成分為:鎳:19.5%,鉻:25.4%,錳:1.2%,硅:0.47%,磷:0.010%,硫:0.003%,余量為鐵。


     熔覆層為鎳基粉末和不同含量的WC粉末復合而成,鎳基粉末的化學成分(%)為:鉻:21.2%、鐵:1.9%、鉬8.9%、鈮:3.4%、硼:4.5%、硅0.1%,余量為鎳;WC粉末的質量分數在5~50%之間,采用機械混合的方法攪拌均勻,然后烘干備用。激光熔覆前對不銹鋼板進行表面打磨和噴砂,然后進行超聲波清洗和干燥。采用DL-TM-CX15000型高功率CO2激光器和激光數控加工機進行熔覆試驗,激光輸出功率為3~7kW,光斑直徑為8mm,掃描速度為1000mm/min,激光熔覆過程中采用氬氣進行保護,然后空冷至室溫。


     熔覆層顯微組織觀察采用IT300掃描電子顯微鏡,并用附帶能譜儀對微區成分進行測量;物相分析采用X’PERTPOWDERX射線衍射儀;采用NDI-IS05輪式磨粒磨損試驗機進行摩擦磨損試驗,正壓力為30N,對磨材料為160目粒徑的碳化硅砂紙,轉速為166mm/轉,摩擦行程為145m;通過失重法評定激光熔覆層的耐磨性能。


    二、試驗結果與討論


     圖為激光熔覆涂層原料鎳基粉末和WC粉末的SEM形貌。鎳基粉末顆粒圓整度較高,粒徑主要分布在60~160μm,無形狀不規則顆粒;WC粉末顆粒的圓整度相對較差,粒度與鎳基粉末相當,個別稍大的顆粒尺寸可達200μm,顆粒之間并沒有發生粘結。


     圖為20%WC粉末含量的激光熔覆層橫截面顯微形貌。激光熔覆層橫截面整體形貌可見,熔覆層致密性較高,沒有發現氣孔或者其它顯微缺陷的存在;從激光熔覆層上部的顯微形貌可見,由于表層散熱較快以及較大的冷卻速度,上部區域主要為細小的樹枝晶;從激光熔覆層的中部顯微形貌可見,中部區域形成了較大的枝晶,且枝晶生長具有一定的方向性,這主要是由于這部分區域的冷卻速度較慢,枝晶發生了粗化和長大;激光熔覆層下部分區域,由于與基體材料相接近,在基材的激冷作用下,界面處的熔覆層形成了垂直于基材界面生長的特征。整體而言,激光熔覆層與基材形成了良好的冶金結合。


     圖為20%WC的激光熔覆層XRD分析結果,在激光熔覆的作用下,熔覆層相組成為:Ni3Cr2、Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C、Mo6Ni6C、W3C和WC,除此之外,無Ni相,且WC峰的強度也較弱。表面熔覆層中W3C的形成主要是由于W和C之間形成了金屬間化合物,而Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C等相形成主要與激光熔覆過程中WC顆粒的溶解有關。


     圖為20%WC的激光熔覆層SEM顯微形貌分析結果。截面形貌除了樹枝晶外,還可見灰白色的WC顆粒存在。對圖中的不同區域進行能譜分析,結果如表??梢?,枝晶中的白色區域主要含有鎳、鉻、鐵、鉬等元素,而鎢和碳的含量較少;B4區域中含有鎳、鉻、鐵、鉬等元素,但是W和C的含量相對較多;而C4、D4和E4區域也都主要含有鎳、鉻、鐵、鉬等元素,而鎢和碳的含量與A4區域相當。由此可見,在越靠近WC顆粒的區域內,鎳含量和鉻含量會相對較低,而鎢和碳含量會相對較高。除了局部區域存在未溶解的WC顆粒外,熔覆層中大部分區域的枝晶中形成了含鎢的金屬間化合物,如Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C等。


     對WC粉末含量分別為0、5%、10%、15%、20%和50%的激光熔覆層進行磨損失重測試,結果如圖,其中WC含量為0代表不銹鋼基材。由此可見,不同添加量的激光熔覆層的磨損失重都要小于不銹鋼基材,且隨著激光熔覆層中WC含量的增加,熔覆層的磨損失重量呈現逐漸降低的趨勢。


     圖為添加20%WC的激光熔覆層和310S不銹鋼管基材的磨損SEM形貌。對于Ni基-20%WC激光熔覆層而言,磨損表面可見較淺的犁溝,而灰白色的WC顆粒表面無明顯磨削痕跡;在相同的磨損條件下,對于不銹鋼基材而言,基材表面可見較深的磨削犁溝存在。從磨損形貌中對比分析可見,Ni基-20%WC激光熔覆層的耐磨性能優于不銹鋼基材,這與磨損失重的測試結果一致。這是由于熔覆層中WC顆粒的加入會對熔覆層起到強化作用。此外,激光熔覆過程中溶解在熔覆層中的W和C會與其它元素形成新的金屬間化合物強化相,在這兩方面的綜合作用下,激光熔覆層的耐磨性能得到明顯提高。


    三、結論


     1. Ni基-20%WC激光熔覆層致密均勻,無氣孔或者其它缺陷,熔覆層與310S不銹鋼管基體冶金結合良好。


     2. Ni基-20%WC激光熔覆層物相為:Ni3Cr2、Ni17W3、Cr4Ni15W、Fe6W6C、Mo6Ni6C、W3C和WC,而Ni17W3、Cr4Ni15W和Fe6W6C相的形成與激光熔覆過程中WC顆粒的溶解有關。


     3. 不同添加量的激光熔覆層的磨損失重均小于310S不銹鋼管基材,隨著WC含量的增加,熔覆層的磨損失重量呈現逐漸降低趨勢。


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