铸钢表面Ni-WC-GO复合熔覆层的形成机制及性能研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qiaobianhongyaogqw
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金属基合金粉末中添加不同的陶瓷颗粒以及自润滑材料形成的复合材料对于各种形式的磨损及腐蚀都有较好的抵抗能力,这主要是硬质颗粒与强韧基体优势相结合的作用。而添加WC增强颗粒的镍基复合材料被广泛应用于制备各种具有高耐磨耐蚀性的机械设备零部件,以提高其使用性能及寿命,如采矿设备、磨具和仪器仪表中。本文运用真空熔覆技术在45钢表面制备碳化钨和氧化石墨烯改性的镍基复合涂层,研究了其组织的微观形貌以及相组成和涂层的形成机理,并对不同成分的复合涂层进行了腐蚀磨损性能的测试。  实验结果表明:真空熔覆技术在45钢表面制备不同成分的Ni基复合涂层,其组织致密均匀,与基体间形成有效的冶金结合。涂层横截面主要为4mm的复合层(CZ),1mm的过渡层(TZ),20um的扩散熔合区(FZ)以及250um的扩散影响区(DZ)。复合区是由镍基固溶体、硬质相(Cr7C3、Cr23C6、W2C、C)、共晶相(Ni3Fe、Ni3Si、Ni3B)以及M7C3(M=Ni、Cr、W)的复杂六方点阵结构和M23C6(M=Cr、W、Ni)的复杂立方点阵结构相组成,过渡层由Cr7C3、Cr23C6、共晶相和镍基固溶体组成,扩散熔合区由靠近涂层一侧的镍基固溶体和靠近基体一侧的铁基固溶体组成,扩散影响区由珠光体组成。  真空熔覆过程主要有三个阶段:(a)熔融从表面开始,随温度升高,微熔加剧;(b)温度达到1020℃时,过渡层基本熔化,过渡层与基体之间元素扩散增多,形成一个新区,而复合层只能部分熔融;(c)温度达到1060℃并保温10min,此时元素大量扩散,形成一个大约20um的扩散熔合区。复合层完全熔融,硬质颗粒发生重排且部分溶解,并有富W复相碳化物析出,最终形成由WC以及析出的富W复相碳化物包围在Ni颗粒周围的复合涂层。  Ni基合金涂层中加入增强相WC颗粒和GO薄片,其耐蚀性能得到明显提升,其中Ni+20%WC+0.8%GO复合涂层耐蚀性最好,其自腐蚀电位较基体ZG45提高0.3677V,复合涂层腐蚀电流密度较基体降低了近两个数量级。这是由于WC颗粒硬度高,不易被腐蚀,则耐蚀性很强,一定量的WC可以有效改善复合涂层的耐蚀性能;氧化石墨烯薄片包裹在Ni颗粒、WC颗粒以及WC颗粒分解形成的复相碳化物颗粒表面,形成一层有效的保护膜,一定量的GO可提高涂层的耐蚀性。  在Ni基合金涂层中加入增强相WC颗粒和GO薄片,其耐磨性能明显提升,其中Ni+30%WC+0.8%GO复合涂层耐磨性最好,其平均摩擦系数较基体ZG45降低15%,复合涂层磨损率较基体ZG45降低85%。Ni基合金涂层中加入一定量的硬质颗粒WC,由于其硬度高,使复合涂层耐磨性增强;加入一定量的GO薄片,在摩擦过程中,氧化石墨烯薄片与磨屑在温度与压力的作用下在涂层磨痕上形成一种以Ni的氧化物为主的氧化石墨烯转移膜,同时在对偶件GCr15钢球磨痕面上形成以Fe的氧化物为主的氧化石墨烯转移膜,摩擦副之间的相对运动可代替为氧化石墨烯转移膜之间的相对滑动,很大程度的提高涂层的耐磨性。
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