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紫铜上激光熔覆镍基自熔合金组织和性能研究

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有色金属(冶炼部分)2010年4期

近年来,国内外学者通过预置粉末的方式改善了铜表面反光率大的问题[3叫]。但针对铜表面热喷涂和激光熔覆镍基自熔合金添加WC增强颗粒的组织与耐磨性能分析的较少。本文采用镍基自熔合金粉末添加一定量的WC强化颗粒,通过超音速火焰喷涂方式和激光熔覆涂层,对比分析喷涂层和熔覆层组织形貌、物相以及硬度对耐磨性能的影响,在铜基体上制作出低磨擦系数、高耐磨性的强化层,强化层与铜基体形成冶金结合,对拓展铜及其合金在工业的应用起到一定的作用。

1试验方法

试验选用紫铜作为基材,试样尺寸为100mm×100mmX10mm。涂层材料为NiCrBSi自熔合金粉末与碳化钨的混合粉,NiCrBSi自熔合金粉末粒度为0.043"~0.105mm,主要成分(%):C0.6~0.7、Si2.8~3.0、B2.0~2.1、Cr14.1~14.2、Fe3.1"-3.2、Ni余量。混合粉末中,WC质量百分比为30%。对比的HVAF喷涂试样基体经超声除油、喷砂预处理后,采用UniqueCoat超音速火焰喷涂(HVAF)系统制备NiCrBSi—WC自熔合金涂层,涂层厚度为0.3~0.5mm。激光熔覆采用lokw横流Co。激光系统进行,工艺参数为:激光功率5kW、离焦量+15mm、扫描速度500mm/min、搭接率20%。

分析采用JLSM5910型扫描电子显微镜(SEM)分析涂层显微组织;RigakuD/max2550型全自动X射线衍射仪(XRD)进行物相分析;JCXA-733EPMA一1600型电子探针(EPMA)分析微区成分;MH一5D型显微硬度计测定涂层的显微硬度,载荷200g,加载时间15s,测量5次取平均值。

室温千滑动磨损试验在MMW-1A型销一盘摩损试验机上进行,试样尺寸Q31.7mmX10mm,对磨件为458钢,硬度HRC35~40,测试载荷20N,线速度0.075m/s,磨损时间10min,测量5次取平均值。

2结果与讨论

2.1涂层显微组织与结构表征

图1分别为热喷涂NiCrBSi-WC自熔合金涂层和激光熔覆层横截面的SEM照片。从图1可以看出,热喷涂涂层呈层状结构,层间结合不致密,涂层中有部分未熔颗粒、并有少量孔洞及裂纹,涂层与基体之间有比较明显的分界面。激光熔覆层组织细小均匀,无裂纹、孔洞等缺陷,熔覆与基体为冶金结合。

图1热喷涂涂层(a)和激光熔敷层(b)断面组织形貌

Fig.1Microstructureofthermalsprayingcoating(a)andlasercladdinglayer(b)

更进一步的观察(图2)表明:激光熔敷层的典型组织为表面涂层熔覆区、热影响区及铜合金基体三个区域。熔覆区呈枝晶形貌,熔覆层的内部组织(图2a)为等轴晶和细小枝晶和树枝晶组织、界面区域(图2b)形貌近似为胞状晶、及较粗大树枝晶组

织,同时在熔覆层与基体之间存在合金元素交互扩散形成的结合带,宽约10~30/.tm,电子探针(EP—MA)分析表明,结合带区域主要富含Cu及Ni元-素,说明NiCrBSi—WC激光熔覆层与铜合金表面形

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成了良好的冶金结合。

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图2激光熔敷层内部(a)与界面(b)组织形貌

Fig.2Microstructureofinterior(a)andinterface(b)ofthelasercladdinglayer

图3是激光熔覆层NiCrBSi—WC界面处的X射线衍射图谱。可以看出,熔覆层组织主要由Ni、NiCu、Cu固溶体相及少量的强化相WC、W:C、Ni。B组成。Ni、Cu都属于面心立方晶体结构,二者可以无限互溶,在高功率激光束作用下形成(Ni,Cu)固溶体。激光束使Cu扩散到熔覆层中,因此有Cu固溶体相存在。熔覆过程中,涂层中原始的WC分解,并重新生成WC、W2C硬质相,而Ni、B则生成了Ni。B硬质相。

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20/(。)

图3激光熔覆层x射线衍射图谱Fig.3XRDpatternoflasercladdinglayer

2.2显微硬度和磨损性能

热喷涂NiCrBSi—WC涂层和激光熔覆NiCrBSi-WC层的显微硬度(HV0.2,15s)和磨损失重量测试数据表明:热喷涂涂层硬度为726HV,失重量18mg,激光熔覆层硬度587HV,失重量10mg,而铜基材硬度最低,仅为80HV,失重量达到了80mg,热喷涂NiCrBSi—WC涂层是基体耐磨性能的4.4倍,而激光熔敷层耐磨性能是基体的8倍;热喷涂层磨擦系数为0.7,而激光熔敷层摩擦系数为0.5,激光熔覆层表现出更好的耐磨性。

热喷涂和激光熔覆两种工艺相比,热喷涂时粒子冷却速度更快,甚至存在非晶态组织,虽然采用的是自熔合金粉末,但喷涂过程中并没有发生有效的合金化;而激光熔覆处理后,自熔合金的发生明显的合金化,因此硬度有一定的降低。但同时使W、Fe、Si等原子熔入Ni固溶体中,产生晶格畸变,固溶强化作用凸现;此外,激光熔覆层中生成的WC、W。C、Ni。B硬质相不仅本身具有较高的硬度,还可以弥散强化基体;这些因素的综合作用有效提高熔覆层的耐磨性,使激光熔敷层具有比喷涂层更高的耐磨性。2.3磨损性能

图4是对热喷涂层(A。、A。)和激光熔覆层(B。、B2)磨损表面的光学(A。和B.)和电镜照片(A。和琏)。由SEM图可以看出,激光熔覆层表面仅受到轻微磨损,只有较浅的犁削沟槽,磨损面没有出现大量剥落、黏附现象,为典型的磨粒磨损;热喷涂涂层在磨损过程中存在结合层剥落的现象,犁沟内有大量疲劳磨损面,裂纹较多,磨痕明显,这是由于喷涂粒子之间为结合力弱的机械结合,呈层状结构,而激光熔覆层完全熔化形成了合金,结合力强,热喷涂粒子更容易脱落,因此热喷涂涂层磨擦系数较高,而熔覆层仅出现极少的剥落,摩擦系数降低,从而熔覆层的耐磨性较高。同时,在激光熔覆过程中,原有硬质相WC分解,重新形成WC、W。C、Ni。B等高耐磨硬质相,同时由于激光作用使熔覆层组织细化、固溶强化结果,在这些效果共同作用下发生磨损时,在磨损初期由于W、Fe、Si等原子对镍基固溶体的固溶强化,组织细化及熔覆层冶金结合,使得镍固溶体的强度、硬度提高,具有一定的磨损抗力;当镍基固溶体磨损到一定程度时,熔覆层中的WC、Ni。B等硬质相凸显,承担着主要的磨损抗力,因此激光熔覆镍基自熔合金呈现出很好的耐磨擦磨损性能。

3结论

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(1)激光熔覆NiCrBSi—WC合金层具有比超音

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图4热喷涂涂层(A1和A2)和激光熔覆层

(Bl和B2)磨损后表面形貌

Fig.4Surfaceprofilesofthermalsprayingcoating(A)andlasercladdinglayer

afterabrasion(B)

速火焰喷涂涂层更好的熔覆组织,熔覆层无层状组织、孔洞、裂纹等缺陷,与铜合金基体呈冶金结合。

(2)激光熔覆层由表及里依次为等轴晶、树枝晶及胞状晶形貌,同时具有WC、W。C、Ni。B等硬质颗粒,熔覆层平均显微硬度为587HV,显著提高了铜合金的表面硬度。

(3)激光熔覆层具有更加致密的组织,硬度较高,同时具有高硬度耐磨相WC、W。C、Ni。B组织,在室温干滑动磨损条件下激光熔覆层具有小的磨擦系数和优异的耐磨性能。

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紫铜上激光熔覆镍基自熔合金组织和性能研究

紫铜上激光熔覆镍基自熔合金组织和性能研究

作者:李福海, 邝子奇, 马文有, 刘敏, 陈兴驰, 陈志坤, LI Fu-hai, KUANG Zi-qi,MA Wen-you, LIU Min, CHEN Xing-chi, CHEN Zhi-kun

作者单位:广州有色金属研究院,广州,510651

刊名:

紫铜上激光熔覆镍基自熔合金组织和性能研究

有色金属(冶炼部分)

英文刊名:NONFERROUS METALS(EXTRACTIVE METALLURGY)

年,卷(期):2010(4)

参考文献(7条)

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本文链接:http://www.doczj.com/doc/ea493de9f8c75fbfc77db258.html/Periodical_ysjs-yl201004012.aspx