激光熔覆Ni基微_纳米WC金属陶瓷涂层组织及干滑动磨损性能

材料热处理技术

Material &Heat Treatment 下半月出版《热加工工艺》2010年第39卷第2期颗粒增强型复合材料近年来得到迅速发展，利用激光熔覆技术制备金属基复合材料涂层，成为目前国内外研究的热点[1-3]。激光表面熔覆可以在低成本基材表面制备高性能涂层，尤其适用于一些在极端恶劣条件下服役的关键部件的表面强化。其中，激光熔覆Co 包WC 增强Ni 基合金复合涂层显示出较多优点：较好的界面结合，高的硬度，优良的耐腐蚀性，与金属副对磨时较低的磨损量，相对低廉的成本[4-5]。但这些研究中所用WC 粉末基本上为微米晶WC 晶粒，极少见有采用纳米晶WC 的报道，而在采用了纳米晶WC 粉末的热喷涂和粉末烧结的报道中，多数认为材料的耐磨性得到改善[6-7]。为了了

解纳米晶WC 的加入对激光熔覆涂层组织结构和耐磨性能的影响，本文制备了微米和纳米Co-WC 增强Ni 基合金复合涂层，与硬质合金磨轮进行了室温干滑动磨损试验，研究了熔覆复合涂层组织形貌、显微硬度和干摩擦磨损性能，探讨了微-纳米WC 复合涂层的磨损失效机制，为其推广应用提供理论指导。

1实验材料和方法

实验基材为50mm ×20mm ×10mm 的45钢板；

涂层金属合金为镍基合金(Ni60)，粒度50～105μm ，其化学成分见表1。微米晶为12%Co-WC ，颗粒尺寸为10～50μm ；纳米晶为12%Co-WC ，粉末晶粒度(平均)50～500nm ，团聚粉末粒度5～55μm 。涂层成分配比见表2。

激光熔覆Ni 基微－纳米WC 金属陶瓷涂层

组织及干滑动磨损性能

匡建新,汪新衡,黄开有

(湖南工学院机械工程系,湖南衡阳421002)

摘

要：在45钢表面进行添加微-纳米WC 颗粒的镍基自熔粉末激光熔覆处理，得到不同Ni 基WC 合金涂层。对

熔覆层进行显微组织观察、硬度测定以及室温干摩擦磨损试验。结果表明，纳米晶WC 的加入能改善涂层的耐磨性能，在本试验条件下，当添加的纳米级WC 和微米级WC 各为15%时，涂层耐磨性能最佳；但纯纳米晶WC 增强涂层耐磨性不佳，其主要磨损破坏方式随涂层中WC 晶粒尺寸变化而有所变化。

关键词：激光熔覆；微-纳米WC ；复合涂层；干滑动磨损中图分类号：TG156.99

文献标识码：A

文章编号：1001-3814-(2010)02-0047-03

Microstructure and Wear Properties Under Dry Sliding for Micro -nano

WC Composite Coatings Prepared by Laser Cladding

KUANG Jianxin,WANG Xinheng,HUANG Kaiyou

(Department of Mechanical Engineering,Hunan Institute of Technology,Hengyang 421002,China )

Abstract ：The laser cladding was carried out on the surface of 45steel using self-fused Ni-based ceramic powder with micro-nano WC particle.Different Ni-based WC composite coatings were formed.The microstructure of cross section was observed,the microhardness was measured,the wear properties under dry sliding and room temperature were checked.The results show that the wear resistance of coating is improved for the affiliation of nanostructure-WC.Under the experimental conditions,the coating with 15wt%nanostructure-WCl5wt%microstructure-WC can get the best wear performance,but the wear resistance of the coating only with nanostructure-WC is not perfect.And the main wear mechanism of the coating can alter as the difference of WC crystal size.

Key words ：laser cladding;micro-nano WC;composite coating;dry sliding wear

收稿日期:2009-04-20

基金项目:湖南省科技计划资助项目(05JT1017);湖南工学院重点科

研项目(HGZ0601)

作者简介:匡建新(1973-),男,湖南祁东人,副教授,硕士,主要从事金

属材料及加工工艺的教学和科研工作;电话:0734-*******;E-mail:kjx73@https://www.wendangku.net/doc/bb10695838.html,

表1镍基合金(Ni60)的化学成分(质量分数，%)

Tab.1The chemical composition of Ni60alloy (wt,%)

C Cr Si B Fe Ni 0.7～0.8

12～16

3.5～

4.0

4.2～4.5

≤15

rest

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材料热处理技术Material &Heat Treatment

2010年1月

Hot Working Technology 2010,Vol.39,No.2

基材经净化和喷砂处理后，将涂层材料充分研磨均匀，用缩丁醛酒精溶液做粘接剂调成糊状涂敷在试块表面，厚1.5～2.0mm ，70～80℃烘干固化后将涂层磨至1mm 待用。激光熔覆试验采用5kW 的

TJ-HL5000型横流CO 2激光器，激光功率P =2kW ，

扫描速度v =6mm/s ，光斑直径D =5mm ，激光熔覆过程中采用高纯氩气侧吹法对熔池进行保护。

采用CSM950型扫描电子显微镜观察熔覆层微观组织形貌；用MT-3型显微硬度计进行显微硬度测定；在D/max-rB X 射线衍射仪上分析熔覆层的物相结构；室温干滑动磨损试验在MM -200型摩擦磨损试验机上进行，对磨磨轮为20%Co-WC 硬质合金，硬度≥80HRA 。试验过程中试样固定，磨轮以

400r/min 的速度转动，线速度为0.95rn/s ，所加法向载

荷为390N ，磨损时间为60min ，磨损试验不采用任何润滑剂，进行干磨损，磨损质量损失采用TG328A 型分析天平测定。

2实验结果与分析

2.1涂层的显微组织与硬度

图1为不同成分的激光熔覆复合涂层的组织形

貌(经铁氰化钾溶液腐蚀后)。可以看出，熔覆层为典型的快速凝固形成的胞状亚稳态组织，还可以观察到WC 加入产生的共晶状产物。显然，在激光熔覆过程中，经团聚处理的纳米WC 颗粒和微米WC 颗粒都有部分没有被激光热冲击和熔池对流所打散而在涂层中保留下来。图1(a)中涂层A 组织为原始添加的大块状白色WC 颗粒、黑色Ni 基固溶体和灰白色板块状组织，电子显微分析和X 射线衍射分析表明为Cr 、Fe 、Ni 、W 的碳硼化物M 7C 3、M 23C 6、M 3C 2等，其中有部分C 被B 替代。图1(b)则显示在只添加团聚纳米WC 的C 涂层中，仅有少量小尺寸原始添加的团聚纳米晶WC 颗粒保留下来，并且没有出现大块状组织，而以花瓣状树枝晶为主。

各涂层的截面平均硬度见图2。可看出，涂层

A 、

B 、

C 的截面平均硬度依次升高，但增幅不大。这

是由于激光熔覆过程中，团聚纳米晶WC 颗粒更容易被激光热冲击打散，对基体起到弥散强化作用。同时，由于纳米WC 颗粒比微米晶WC 颗粒相对表面积更大，所以更多WC 溶解到Ni 基固溶体中产生固溶强化，从而使激光熔覆复合涂层的强度和硬度得到提升。

2.2涂层的磨损性能

图3为各涂层的平均磨损质量损失情况。可以看出，在同样的磨损条件下，涂层A 、B 、C 的磨损质量损失分别为27.8、25.6和38.2mg 。显然，涂层B 最耐磨，涂层A 次之，涂层C 的磨损质量损失最大，几乎比涂层A 、B 增加了近1/3。

图4为各涂层的磨损形貌。从图4(a)可以看出，只含微米晶WC 的涂层A 的磨损面呈峰峦起伏状，突峰为原始加入的WC 颗粒，凹区为Ni 基固溶体

表2涂层成分配比(质量分数，%)

Tab.2The component of coating (wt,%)

涂层

微米晶WC

纳米晶WC

Ni60A 30070B 151570C 030

70

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材料热处理技术

Material &Heat Treatment 下半月出版

《热加工工艺》2010年第39卷第2期区。这表明在与硬质合金磨轮对磨时，磨轮上的WC 突峰嵌入了涂层中相对较软的Ni 基固溶体区，并将其犁削；而面对涂层中硬度相仿的WC 颗粒，则只有少量的破裂剥落，最后就形成磨痕处尽是WC 颗粒骨架的形态。图4(b)则显示涂层B 磨痕区较平整，但含有两种犁削形态，一种为粗大的划痕，中断

于大颗粒WC 上；同时在灰黑色的Ni 基固溶区有少量细小的犁沟。这是因为涂层B 中既有微米级

WC 又有纳米级WC ，磨轮中WC 突峰犁削涂层时，

会遇上硬度相仿的微米级WC ，从而犁削中止，形成了第一种划痕；同时由于纳米晶WC 对涂层有弥散强化和固溶强化作用，涂层中Ni 基体区硬度增高，磨损时磨轮WC 突峰嵌入度降低，而且由于WC 颗粒与基体的结合非常牢固，能够阻挡磨损划痕的扩张，减缓并降低了涂层磨损的程度，使犁沟变小变浅，形成第二种犁沟。图4(c)显示涂层C 的磨损面中全是细密的犁沟，这是因为纳米WC 对涂层所起的弥散强化和固溶强化作用使涂层的硬度增高，磨轮WC 突峰嵌入深度比较低，形成细密犁沟，并且磨轮中大颗粒状的WC 突峰在犁削涂层中Ni 基体时能够同时把镶嵌其上的纳米晶WC 颗粒一起剪下；由于缺乏大的WC 颗粒阻碍，使得这种犁削持续不断，导致涂层的失重明显增大。显然，硬质合金磨轮就是特殊的切削刀具，尽管是滑动磨损，但实质上是两体磨粒磨损。

3结论

(1)纳米晶WC 颗粒的加入，使激光熔覆复合

涂层中形成较多的枝晶；并且由于弥散强化和固溶强化作用，涂层显微硬度升高。

(2)与硬质合金磨轮对磨时，微-纳米WC 复合

涂层的耐磨性最好，其次为微米WC 复合涂层，纳米WC 复合涂层最不耐磨。

(3)本试验条件下各涂层基本上为磨粒磨损，

涂层中纳米级WC 的加入可以降低磨粒对涂层的嵌入度，减少犁削程度，但涂层中纳米WC 颗粒抵抗大磨粒磨损能力低。参考文献：

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A B C 40302010

图3不同涂层磨损质量损失

Fig.3The wear mass loss of coating

磨损质量损失/m

g

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