杜圣恩,林 晨,姚永強,申井義

(青島理工大學機械與汽車工程學院,青島 ２６６５２０)

    摘 要:采用機械振動輔助高頻感應熔覆技術在４５鋼表面熔覆制備添加質量分數２０％WC的Ni６０A 合金熔覆層,研究了機械振動對熔覆層顯微組織、硬度和摩擦磨損性能的影響.結果表明:

    機械振動的施加使熔覆層具有良好的熔覆質量,內部氣孔減少且組織更均勻;和未施加機械振動熔覆層相比,施加機械振動熔覆層的表面硬度更大,摩擦因數和磨痕面積更小,耐磨性能更好.

關鍵詞:高頻感應熔覆;機械振動;硬度;耐磨性能

中圖分類號:TG１４６．１ 文獻標志碼:A 文章編號:１０００Ｇ３７３８(２０１９)０７Ｇ００３８Ｇ０４

０ 引 言

    在實際生產中,機械零件的損壞,包括腐蝕、磨損和接觸疲勞等[１],一般發(fā)生在表面,因此常采用表面形變、氣相沉積、激光熔覆、熱噴涂等[２]方法對零件表面進行防護,以提高其使用壽命.熔覆技術是常用的表面處理方法,通過加熱使熔覆材料與基體形成冶金結合來實現對基體的防護.目前,用激光熔覆技術得到的熔覆層的開裂敏感性較高,不易實現大面積熔覆.高頻感應熔覆技術不僅可以實現大面積熔覆,還具有加熱速度快、材料利用率高等優(yōu)點[３],但所得熔覆層常因與基體熱膨脹系數不匹配而開裂,同時手工涂敷也會使熔覆層表面凹凸不平、內部存在氣孔縮松等缺陷.因此,制備高性能、低成

本的熔覆層材料具有重要意義.

    表面熔覆用合金粉末主要包括鐵基合金粉末、鎳基合金粉末和鈷基合金粉末,其中鐵基合金熔覆層的耐腐蝕性較差,鈷基合金粉末價格較高,而鎳基合金粉末可制備得到耐磨性和耐腐蝕性好的熔覆層,具有較高的性價比.在熔覆過程中施加機械振動,可改善合金凝固時的溫度梯度、加速熔體內元素對流,從而細化晶粒、改善氣孔缺陷,提高合金熔覆層的性能.目前,機械振動在熔覆層制備方面的應用研究較少.為此,作者在真空環(huán)境下采用機械振動輔助高頻感應熔覆技術制備了 WC 增強 Ni６０A合金熔覆層,研究了機械振動對熔覆層顯微組織、硬度和摩擦磨損性能的影響.

１ 試樣制備與試驗方法

１．１ 試樣制備

    試驗原料為 Ni６０A 自熔性合金粉,粒徑為１０~８０μm,由中國冶金研究院提供,化學成分(質量分數/％)為４．０Fe,４．３Si,３．１B,０．６５C,０．１Mo,０．１Mn,余 Ni;WC粉,粒徑為１０~１４μm,由中國冶金研究院提供.基體材料為４５鋼,尺寸?４０mm×１５mm,由青島鋼鐵股份有限公司提供.按照 WC質量分數為２０％稱取 Ni６０A合金粉和WC粉,使用 YXQM 型行星式球磨機進行球磨混料,球磨時間２h,轉速為３００r??min－１.用砂紙打磨４５鋼基體表面以除去氧化皮和毛刺,再用無水乙醇清洗除去油污.采用膏劑法在４５鋼表面預制熔覆層,厚度為１．０~１．５mm,黏結劑為松香與松節(jié)油的飽和溶液,烘干溫度１８０℃,烘干時間８h,隨爐冷卻。

    在 LHＧ６０型高頻感應加熱設備中對預覆熔覆層的４５鋼試樣進行真空高頻感應熔覆,真空度小于５０Pa,在 熔 覆 過 程 中 施 加 機 械 振 動,振 動 源 為ASLONGFFＧ１３０型振動馬達,振幅為 ０．５ mm,頻率為５０Hz.高頻感應熔覆過程如圖１所示.為避免熔覆層與基體因熱膨脹系數不匹配產生熱應力而出現翹曲和崩裂現象[４],在開始熔覆前先進行預熱處理,電流４００A,預熱時間１０s;試樣主要通過熱傳導加熱[５],為避免其內外溫差過大,采用階梯狀上升電流進行加熱,具體工藝見表１.在相同條件下,未施加機械振動制備了熔覆層。

１．２ 試驗方法

    采用 電 火 花 線 切 割 法 橫 向 截 取 截 面 尺 寸 為１０mm×１０mm 的試樣,經打磨、拋光、清洗后,用FMＧ７００型顯微硬度計測截面硬度,載荷０．４９N,保載時間為１０s.從基體向熔覆層,每隔０．２mm 取點測試,在同一深度測３個點取平均值,得到縱向硬度分布曲 線;在 熔 覆 層 中 距 基 體 與 熔 覆 層 交 界 處０．８mm的同一深度水平方向,每隔０．２mm 取點測試,同一橫向距離測３個點取平均值,得到橫向硬度分布曲線。

    將試樣在體積比１∶５∶５的 FeCl２、HCl、H２O 腐蝕溶液中腐蝕２０s后,采用日立SＧ３５００N 型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察微觀形貌,利用附帶的能譜儀(EDS)進行微區(qū)成分分析。

     在 UMTＧ３型多功能摩擦磨損試驗機上進行干摩擦磨損試驗,對偶件采用?９mm 的 YG６碳化鎢硬質合金鋼球,對磨時間 ２０ min,做行程為 ６ mm的往復直線運動,頻率為２Hz,載荷為１０N.使用SJＧ２１０型粗糙度儀測得磨痕輪廓曲線。

２ 試驗結果與討論

２．１ 宏觀形貌

    從圖２可以看出:未施加機械振動時,熔覆層表面有 一 條 很 深 的 裂 紋,長 度 約 １４ mm,深 度 約１mm;施加機械振動后,熔覆層表面比較光滑,裂紋深度僅０．２mm.熔覆層表面裂紋產生的原因主要包括:在加熱過程中由于基體與熔覆層熱膨脹系數不匹配導致熔覆層開裂;在 Ni６０A 合金粉中添加的WC粉的潤濕性較差而形成裂紋[６];試驗環(huán)境未達到完全真空,熔覆層表面發(fā)生氧化和碳化生成反應膜,阻礙了裂紋的愈合.在施加機械振動后,合金液中的氣泡加速排出,組織變得均勻,鎳基合金補充到裂縫中,從而形成較光滑的平面組織。

２．２ 顯微組織

    圖３可以看出:未施加機械振動時,基體與熔覆層交界處空隙較多;施加機械振動后,基體與熔覆層交界處空隙較少.基體與熔覆層交界處空隙是由未熔化的 WC 顆粒分布不均導致的.由于 WC 顆粒與鎳基合金液間的浸潤性較差,鎳基合金液不能完全包覆 WC顆粒,因此合金凝固后在 WC聚集區(qū)形成了微小的空隙.在高溫熔覆過程中,基體中的鐵、碳等元素向熔覆層中擴散,熔覆層中的鎳、鉻等元素向基體擴散[８－９],施加機械振動后基體與熔覆層間元素擴散加速,WC顆粒不易聚集在界面處,因此與未施加機械振動的相比,交界處組織更均勻致密,空隙更少。

    對比圖３、圖４和圖５可以看到:未施加機械振動時,熔覆層不同區(qū)域均出現了顆粒聚集現象,且其中部區(qū)域出現了較大的孔洞,其原因推測是在手工涂敷過程中粉末沒壓實或是在烘干過程中黏結劑揮發(fā)后氣體未能及時排出導致的;施加機械振動后,熔覆層各區(qū)域組織均勻,未出現顆粒聚集現象,且空隙較少。

    從圖５還可以看到:未施加機械振動時,熔覆層頂部區(qū)域出現明顯的白色顆粒聚集現象且有較多空隙;施加機械振動后,熔覆層頂部區(qū)域的顆粒分布更均勻.結合表３可以看出,白色顆粒含有較多的鎢元素,為 WC 顆粒.從表３還可以看出,施加機械振動后,熔覆層頂部區(qū)域的鉻元素與鎢元素含量比未施加機械振動的明顯增加。

    從上述分析可知,施加機械振動后熔覆層中的空隙較少、WC聚集現象減少,頂部區(qū)域鉻元素與鎢元素含量明顯增加,其原因主要包括:一是機械振動對液態(tài)熔池產生攪拌作用,使熔池內 WC、鉻等顆粒加速上浮到熔覆層表面,減少了 WC在熔覆層中的聚集;二是在凝固過程中,機械振動對枝晶產生剪切作用抑制枝晶的伸長和長大,破碎的枝晶臂充當新生晶核起到細化晶粒的作用;三是施加機械振動可增強熔體對流,從而使熔覆層內氣孔減少且合金元素分布更加均勻。

２．３ 顯微硬度

由圖６可以看出:無論是否施加機械振動,試樣的顯微硬度均隨從基體到熔覆層距離的增加呈增大趨勢,這是因為在熔覆過程中,隨著溫度的升高,熔點低的元素最先熔化,而熔點高的鉻、WC等顆粒會逐漸上浮至表面,使表面硬度增大[９];在近基體未施加機械振動熔覆層的硬度較大,而近熔覆層最外層,施加機械振動熔覆層硬度較大;未施加和施加機械振動熔覆層表面的最大硬度分別為１００８,１１８８HV,施加機械振動后的顯微硬度有了顯著的提升,這是因為機械振動加速了 WC等硬質顆粒的上浮、減少了熔覆層內的氣孔缺陷。

    由圖７可以看出,在同一深度處,未施加機械振動熔覆層的硬度變化較大,而施加機械振動后則變化較小.這是因為機械振動使熔覆層內部的顆粒分布更加均勻,組織更加細小,氣孔數量更少,熔覆層同一深度的硬度分布更均勻。

２．４ 摩擦磨損性能

    未施加機械振動和施加機械振動熔覆層的平均摩擦因數分別為０．４９,０．４１,施加機械振動后的摩擦因數略低.由圖８可以看出,施加機械振動熔覆層表面的磨痕較未施加機械振動的淺.對磨痕曲線進行積分運算,得到施加和未施加機械振動的磨痕面積分別為０．１８×１０－３,０．２４×１０－３ mm２。

    施加機械振動熔覆層表面的磨痕深度和磨痕面積均小于未施加機械振動熔覆層的,這主要是因為機械振動的施加提高了熔覆層的致密性和表面硬度,降低了外力對熔覆層的磨削作用,提高了耐磨性[１１]。

３ 結 論

(１)施加機械振動改善了 WC 增強 Ni６０A 合金熔覆層表面的不平整,使其內部氣孔減少且組織更加均勻.

(２)施加機械振動后熔覆層的表面硬度比未施加機械振動的更大,達到１１８８ HV,摩擦因數由未施加機械振動的０．４９降低到０．４１,磨痕面積降低了０．０６×１０－３ mm２,耐磨性能更好。

１d時,涂層試樣表面均沒有出現腐蝕現象;在蒸餾水中浸泡１００d時,涂層試樣表面也沒有出現明顯腐蝕痕跡,浸泡２００d后,界面腐蝕開始發(fā)生,表面出現銹斑,但是腐蝕程度相對比較輕微;在 １．０％ ~８．５％NaCl溶液中浸 泡 １００d 時,涂 層 表 面 就 出 現 了 銹斑,浸泡２００d時,表面銹蝕程度加重,說明界面腐蝕嚴重,此時涂層進入失效后期;隨著溶液中 NaCl質量分數的增加,銹斑面積增大,腐蝕加重.推測是由于在較大氯離子含量下,涂層的濕附著力明顯下降,其剝離程度較為嚴重,導致涂層與基體界面處出現大片的腐蝕區(qū)域。

綜上所述,隨著溶液中氯離子含量的增加,在滲透壓的作用下會有更多的氯離子進入到涂層與基體的界面處,為腐蝕反應源源不斷地提供氯離子;氯離子越多,運載的電流分數越大,電極電位越低,越容易發(fā)生電化學反應[１５].這在宏觀上即表現為涂層試樣的腐蝕隨溶液中氯離子含量的增加而加重。

３ 結 論

(１)隨著溶液中氯離子含量的增加,環(huán)氧粉末涂層的飽和吸水量減少,達到飽和吸水量的時間縮短.

(２)溶液中的氯離子加速了環(huán)氧粉末涂層的失效,且氯離子含量越高,界面腐蝕越早發(fā)生,涂層的失效越快,金屬基體的腐蝕越嚴重.在含氯離子環(huán)境中服役時,應提高環(huán)氧粉末涂層等級,并隨時監(jiān)測涂層含水量等信息,防止涂層過早失效,避免金屬基體過度腐蝕。

（文章來源：材料與測試網-機械工程材料 > 2019年 > 7期 > pp.38）