分享：机械振动对高频感应熔覆 WC增强 Ni６０A合金层 显微组织与耐磨性能的影响
杜圣恩,林 晨,姚永强,申井义
(青岛理工大学机械与汽车工程学院,青岛 ２６６５２０)
摘 要:采用机械振动辅助高频感应熔覆技术在４５钢表面熔覆制备添加质量分数２０％WC的Ni６０A 合金熔覆层,研究了机械振动对熔覆层显微组织、硬度和摩擦磨损性能的影响.结果表明:
机械振动的施加使熔覆层具有良好的熔覆质量,内部气孔减少且组织更均匀;和未施加机械振动熔覆层相比,施加机械振动熔覆层的表面硬度更大,摩擦因数和磨痕面积更小,耐磨性能更好.
关键词:高频感应熔覆;机械振动;硬度;耐磨性能
中图分类号:TG１４６．１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００３８Ｇ０４
０ 引 言
在实际生产中,机械零件的损坏,包括腐蚀、磨损和接触疲劳等[１],一般发生在表面,因此常采用表面形变、气相沉积、激光熔覆、热喷涂等[２]方法对零件表面进行防护,以提高其使用寿命.熔覆技术是常用的表面处理方法,通过加热使熔覆材料与基体形成冶金结合来实现对基体的防护.目前,用激光熔覆技术得到的熔覆层的开裂敏感性较高,不易实现大面积熔覆.高频感应熔覆技术不仅可以实现大面积熔覆,还具有加热速度快、材料利用率高等优点[３],但所得熔覆层常因与基体热膨胀系数不匹配而开裂,同时手工涂敷也会使熔覆层表面凹凸不平、内部存在气孔缩松等缺陷.因此,制备高性能、低成
本的熔覆层材料具有重要意义.
表面熔覆用合金粉末主要包括铁基合金粉末、镍基合金粉末和钴基合金粉末,其中铁基合金熔覆层的耐腐蚀性较差,钴基合金粉末价格较高,而镍基合金粉末可制备得到耐磨性和耐腐蚀性好的熔覆层,具有较高的性价比.在熔覆过程中施加机械振动,可改善合金凝固时的温度梯度、加速熔体内元素对流,从而细化晶粒、改善气孔缺陷,提高合金熔覆层的性能.目前,机械振动在熔覆层制备方面的应用研究较少.为此,作者在真空环境下采用机械振动辅助高频感应熔覆技术制备了 WC 增强 Ni６０A合金熔覆层,研究了机械振动对熔覆层显微组织、硬度和摩擦磨损性能的影响.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验原料为 Ni６０A 自熔性合金粉,粒径为１０~８０μm,由中国冶金研究院提供,化学成分(质量分数/％)为４．０Fe,４．３Si,３．１B,０．６５C,０．１Mo,０．１Mn,余 Ni;WC粉,粒径为１０~１４μm,由中国冶金研究院提供.基体材料为４５钢,尺寸?４０mm×１５mm,由青岛钢铁股份有限公司提供.按照 WC质量分数为２０％称取 Ni６０A合金粉和WC粉,使用 YXQM 型行星式球磨机进行球磨混料,球磨时间２h,转速为３００r??min－１.用砂纸打磨４５钢基体表面以除去氧化皮和毛刺,再用无水乙醇清洗除去油污.采用膏剂法在４５钢表面预制熔覆层,厚度为１．０~１．５mm,黏结剂为松香与松节油的饱和溶液,烘干温度１８０℃,烘干时间８h,随炉冷却。
在 LHＧ６０型高频感应加热设备中对预覆熔覆层的４５钢试样进行真空高频感应熔覆,真空度小于５０Pa,在 熔 覆 过 程 中 施 加 机 械 振 动,振 动 源 为ASLONGFFＧ１３０型振动马达,振幅为 ０．５ mm,频率为５０Hz.高频感应熔覆过程如图１所示.为避免熔覆层与基体因热膨胀系数不匹配产生热应力而出现翘曲和崩裂现象[４],在开始熔覆前先进行预热处理,电流４００A,预热时间１０s;试样主要通过热传导加热[５],为避免其内外温差过大,采用阶梯状上升电流进行加热,具体工艺见表１.在相同条件下,未施加机械振动制备了熔覆层。
１．２ 试验方法
采用 电 火 花 线 切 割 法 横 向 截 取 截 面 尺 寸 为１０mm×１０mm 的试样,经打磨、抛光、清洗后,用FMＧ７００型显微硬度计测截面硬度,载荷０．４９N,保载时间为１０s.从基体向熔覆层,每隔０．２mm 取点测试,在同一深度测３个点取平均值,得到纵向硬度分布曲 线;在 熔 覆 层 中 距 基 体 与 熔 覆 层 交 界 处０．８mm的同一深度水平方向,每隔０．２mm 取点测试,同一横向距离测３个点取平均值,得到横向硬度分布曲线。
将试样在体积比１∶５∶５的 FeCl２、HCl、H２O 腐蚀溶液中腐蚀２０s后,采用日立SＧ３５００N 型扫描电子显微镜(SEM)观察微观形貌,利用附带的能谱仪(EDS)进行微区成分分析。
在 UMTＧ３型多功能摩擦磨损试验机上进行干摩擦磨损试验,对偶件采用?９mm 的 YG６碳化钨硬质合金钢球,对磨时间 ２０ min,做行程为 ６ mm的往复直线运动,频率为２Hz,载荷为１０N.使用SJＧ２１０型粗糙度仪测得磨痕轮廓曲线。
２ 试验结果与讨论
２．１ 宏观形貌
从图２可以看出:未施加机械振动时,熔覆层表面有 一 条 很 深 的 裂 纹,长 度 约 １４ mm,深 度 约１mm;施加机械振动后,熔覆层表面比较光滑,裂纹深度仅０．２mm.熔覆层表面裂纹产生的原因主要包括:在加热过程中由于基体与熔覆层热膨胀系数不匹配导致熔覆层开裂;在 Ni６０A 合金粉中添加的WC粉的润湿性较差而形成裂纹[６];试验环境未达到完全真空,熔覆层表面发生氧化和碳化生成反应膜,阻碍了裂纹的愈合.在施加机械振动后,合金液中的气泡加速排出,组织变得均匀,镍基合金补充到裂缝中,从而形成较光滑的平面组织。
２．２ 显微组织
图３可以看出:未施加机械振动时,基体与熔覆层交界处空隙较多;施加机械振动后,基体与熔覆层交界处空隙较少.基体与熔覆层交界处空隙是由未熔化的 WC 颗粒分布不均导致的.由于 WC 颗粒与镍基合金液间的浸润性较差,镍基合金液不能完全包覆 WC颗粒,因此合金凝固后在 WC聚集区形成了微小的空隙.在高温熔覆过程中,基体中的铁、碳等元素向熔覆层中扩散,熔覆层中的镍、铬等元素向基体扩散[８－９],施加机械振动后基体与熔覆层间元素扩散加速,WC颗粒不易聚集在界面处,因此与未施加机械振动的相比,交界处组织更均匀致密,空隙更少。
对比图３、图４和图５可以看到:未施加机械振动时,熔覆层不同区域均出现了颗粒聚集现象,且其中部区域出现了较大的孔洞,其原因推测是在手工涂敷过程中粉末没压实或是在烘干过程中黏结剂挥发后气体未能及时排出导致的;施加机械振动后,熔覆层各区域组织均匀,未出现颗粒聚集现象,且空隙较少。
从图５还可以看到:未施加机械振动时,熔覆层顶部区域出现明显的白色颗粒聚集现象且有较多空隙;施加机械振动后,熔覆层顶部区域的颗粒分布更均匀.结合表３可以看出,白色颗粒含有较多的钨元素,为 WC 颗粒.从表３还可以看出,施加机械振动后,熔覆层顶部区域的铬元素与钨元素含量比未施加机械振动的明显增加。
从上述分析可知,施加机械振动后熔覆层中的空隙较少、WC聚集现象减少,顶部区域铬元素与钨元素含量明显增加,其原因主要包括:一是机械振动对液态熔池产生搅拌作用,使熔池内 WC、铬等颗粒加速上浮到熔覆层表面,减少了 WC在熔覆层中的聚集;二是在凝固过程中,机械振动对枝晶产生剪切作用抑制枝晶的伸长和长大,破碎的枝晶臂充当新生晶核起到细化晶粒的作用;三是施加机械振动可增强熔体对流,从而使熔覆层内气孔减少且合金元素分布更加均匀。
２．３ 显微硬度
由图６可以看出:无论是否施加机械振动,试样的显微硬度均随从基体到熔覆层距离的增加呈增大趋势,这是因为在熔覆过程中,随着温度的升高,熔点低的元素最先熔化,而熔点高的铬、WC等颗粒会逐渐上浮至表面,使表面硬度增大[９];在近基体未施加机械振动熔覆层的硬度较大,而近熔覆层最外层,施加机械振动熔覆层硬度较大;未施加和施加机械振动熔覆层表面的最大硬度分别为１００８,１１８８HV,施加机械振动后的显微硬度有了显著的提升,这是因为机械振动加速了 WC等硬质颗粒的上浮、减少了熔覆层内的气孔缺陷。
由图７可以看出,在同一深度处,未施加机械振动熔覆层的硬度变化较大,而施加机械振动后则变化较小.这是因为机械振动使熔覆层内部的颗粒分布更加均匀,组织更加细小,气孔数量更少,熔覆层同一深度的硬度分布更均匀。
２．４ 摩擦磨损性能
未施加机械振动和施加机械振动熔覆层的平均摩擦因数分别为０．４９,０．４１,施加机械振动后的摩擦因数略低.由图８可以看出,施加机械振动熔覆层表面的磨痕较未施加机械振动的浅.对磨痕曲线进行积分运算,得到施加和未施加机械振动的磨痕面积分别为０．１８×１０－３,０．２４×１０－３ mm２。
施加机械振动熔覆层表面的磨痕深度和磨痕面积均小于未施加机械振动熔覆层的,这主要是因为机械振动的施加提高了熔覆层的致密性和表面硬度,降低了外力对熔覆层的磨削作用,提高了耐磨性[１１]。
３ 结 论
(１)施加机械振动改善了 WC 增强 Ni６０A 合金熔覆层表面的不平整,使其内部气孔减少且组织更加均匀.
(２)施加机械振动后熔覆层的表面硬度比未施加机械振动的更大,达到１１８８ HV,摩擦因数由未施加机械振动的０．４９降低到０．４１,磨痕面积降低了０．０６×１０－３ mm２,耐磨性能更好。
１d时,涂层试样表面均没有出现腐蚀现象;在蒸馏水中浸泡１００d时,涂层试样表面也没有出现明显腐蚀痕迹,浸泡２００d后,界面腐蚀开始发生,表面出现锈斑,但是腐蚀程度相对比较轻微;在 １．０％ ~８．５％NaCl溶液中浸 泡 １００d 时,涂 层 表 面 就 出 现 了 锈斑,浸泡２００d时,表面锈蚀程度加重,说明界面腐蚀严重,此时涂层进入失效后期;随着溶液中 NaCl质量分数的增加,锈斑面积增大,腐蚀加重.推测是由于在较大氯离子含量下,涂层的湿附着力明显下降,其剥离程度较为严重,导致涂层与基体界面处出现大片的腐蚀区域。
综上所述,随着溶液中氯离子含量的增加,在渗透压的作用下会有更多的氯离子进入到涂层与基体的界面处,为腐蚀反应源源不断地提供氯离子;氯离子越多,运载的电流分数越大,电极电位越低,越容易发生电化学反应[１５].这在宏观上即表现为涂层试样的腐蚀随溶液中氯离子含量的增加而加重。
３ 结 论
(１)随着溶液中氯离子含量的增加,环氧粉末涂层的饱和吸水量减少,达到饱和吸水量的时间缩短.
(２)溶液中的氯离子加速了环氧粉末涂层的失效,且氯离子含量越高,界面腐蚀越早发生,涂层的失效越快,金属基体的腐蚀越严重.在含氯离子环境中服役时,应提高环氧粉末涂层等级,并随时监测涂层含水量等信息,防止涂层过早失效,避免金属基体过度腐蚀。
