Ni35B―Co包WC电弧熔覆层性能研究

【摘 要】采用电弧熔覆技术，在45CrNi基体上制备Ni35B-Co包WC熔覆层，分析了Co包WC含量对熔覆层性能及组织成分的影响。研究结果表明，Ni35B-Co包WC熔覆层具有较高的硬度和耐磨性，且随Co包WC加入量的增加而增大。

【关键词】电弧熔覆；熔覆层性能；强化机制

工程材料的磨损和腐蚀等现象大多从表面开始，因此材料表面保护具有重要的工程应用价值。耐磨材料的研究在向提高材料整体耐磨性方向发展的同时，各种表面改性技术及工艺在耐磨材料中的应用也日益受到重视。电弧熔覆是材料表面熔融强化技术的一种新方法。它是利用高能密度的压缩电弧束将具有不同成分、性能的合金与基体表面快速熔化，在基体表面形成与基体具有完全不同的成分和性能的合金层（修复层）的快速凝固过程。作为熔覆材料，陶瓷及金属陶瓷（SiC、WC、TiC等）具有高脆性，熔覆成形性很差，单独形成熔覆层的可能性不大，一般都将其与具有良好强韧性的材料配合使用，目前应用较多的是镍基自熔合金。

本文以Ni35B-Co包WC作为熔覆材料，研究了Co包WC含量对熔覆层硬度、耐磨性、及微观组织的影响，从而分析熔覆层的强化机制。

1.实验方法

1.1 材料选择

以45CrNi钢板为基材，制成30×30×5mm3试块，表面磨光。熔覆材料：Ni35B-Co包WC。45CrNi和Ni35B的化学成分见表1。

1.2 实验内容

采用自制的送粉装置进行电弧熔覆，熔覆材料粉经200℃烘干4h在电弧热源下烧熔，电流125A、送粉率350～400mg/s，工件移动速度8.3-13.3mm/s，氩气流量10L/min，采用搭接熔覆，熔覆材料见表2。将上述熔覆获得的熔覆层分别在MM6卧式显微镜下进行显微组织分析；在HX-1000显微硬度计下进行熔覆层硬度及熔覆层与基体结合界面附近硬度梯度检测；在SKODA快速磨损试验机上进行熔覆层快速磨损实验，比较其耐磨性；采用Rigaku XJ1-2/50晶体结构分析仪进行熔覆层物相鉴定；采用JEM-2000EX进行物相形态观测和结构鉴定。

表2 熔覆材料配比 %

序号 1 2 3 4

Ni35B 90 80 70 60

Co-WC 10 20 30 40

2.实验结果

2.1 显微组织检测结果

将获得的熔覆试样沿垂直于熔覆层方向断开，对其横断面进行显微组织观察，其结果见图1。

a . Co-WC10% b . Co-WC20 %

c . Co-WC 30% d . Co-WC40%

图1 熔覆层及熔覆层与基体结合界面显微组织

5%HNO3+C2H5O腐蚀 250×

2.2 熔覆层及熔覆层与基体结合界面硬度检测结果

对上述显微组织分析试样分别进行熔覆层及熔覆层与基体结合界面硬度检测，其结果见图2。

图2 不同成分熔覆层硬度及熔覆层条件与基体结合界面硬度梯度

2.3 快速磨损实验结果

将熔覆获得的试样加工成：25×40mm2的快速磨损试样，熔覆层表面磨光，进行快速磨损实验。实验条件是：载荷15kg，行程3000转，转速675转/分，硬质合金磨轮直径30mm，宽度2.5mm。其结果见图3。

图3 不同Co-WC含量相同磨损下的磨损体积

3.分析与讨论

物相分析和电子显微分析结果表明，随着Co-WC的相对含量的增加，产生的物相种类也有较大的变化，总的趋势是：随Co-WC相对含量的增加合金化合物的种类增多，Co-WC相对含量为10%时，熔覆层中只有γ-Ni（Me）和M6C型的Fe3W3C-Fe4W2C、Co3W3C；Co-WC的相对含量为20%-30%时，又增加了α-Fe（Me）和Cr2Ni3B；Co-WC的相对含量大于30%时，又增加了WC相。

硬度检测和磨损实验结果表明，随着Co-WC相对含量的增加，熔覆层的硬度和耐磨性均有增大的趋势。这是因为：（1）由于Co-WC的加入，熔覆层中生成了大量的合金化合物，合金化合物数量的增多，提高了熔覆层的强度和硬度；（2）随Co-WC相对含量的进一步增加，熔覆层中相继生成Cr2Ni3B相和WC相，这些相均以高度弥散状态析出，与高度弥散的粒状M6C型合金化合物颗粒共同起到弥散强化的作用；（3）在熔覆层中形成了含铬较多的α-Fe（Me）固熔体，起到了固溶强化的作用；（4）由于C、Cr及B等合金元素溶入γ-Ni（Me）基体中而使其得到固溶强化。

4. 结论

（1）采用电弧熔覆Ni35B-Co包WC混合材料获得的熔覆层，具有较高的硬度。熔覆层的硬度和耐磨性随Co-WC的加入量的增加而增大。

（2）熔覆层的强化机制是：形成细小的合金化合物网架；高度弥散的粒状合金化合物颗粒和极细小Cr2Ni3B、WC颗粒的弥散强化；C、Cr及B等合金元素溶入γ-Ni（Me）基体中的固溶强化。

参考文献：

[1] 唐琳琳，罗辉，张元彬，材料热处理技术，2009，（38）：86.

[2] 徐滨士，刘世参.表面工程新技术.北京：国防工业出版社，2002.

[3] 吴子健等.热喷涂技术与应用.北京：机械工业出版社，2005.