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45鋼表面粉末燒結制備硬質合金覆層的研究

2017年08月24日 09:05  來源:中國粉末冶金網  人氣:1602

  表面處理技術是改善表面性能,提高機械零部件使用壽命的一種有效措施,得到了廣泛的應用。制備表面覆層或涂層主要的工藝有:化學氣相沉積法、物理氣相沉積法、激光熔覆技術、熱噴涂技術、溶膠-凝膠法、自蔓延高溫合成法等。這些方法各有特點,它們存在的主要不足是覆層或涂層的厚度較薄,與基材的界面結合不穩定,結合強度偏低,設備投資大,工藝復雜。粉末冶金法制備表面硬質合金覆層可以在一定程度上解決這些問題。

  硬質合金具有很高的硬度、耐磨性、彈性模量、抗壓強度和穩定的化學性能,特別是較篼的高溫強度,使得它在現代工具材料、耐磨材料、耐高溫和耐腐蝕材料等方面占據了重要地位,應用也越來越廣泛。作者采用粉末燒結的方法,在普通45鋼表面上燒結硬質合金覆層,并分析了表面硬質合金覆層的工藝及組織結構特點。

  2硬質合金覆層材料的選擇對硬質合金覆層材料的要求是要和基體材料形成具有較高結合強度的界面。Kerans等W將界面分為突變形、化合物型和擴散型三種,就WC硬質合金而言,它和45鋼基體之間只可能產生擴散型的界面,如果覆層材料含有鐵,將與45鋼之間相互擴散,形成冶金界面結合。因此,選擇以鐵為主要成分的FeCNi合金作為粘結劑。

  鐵、鈷、鎳都是第1族元素,單獨用作硬質合金粘結劑時鈷最好,鎳次之,鐵最差,主要是鐵易于形成如W3Fe3C類的脆性化合物,使合金的脆性增加,強度降低,還妨礙合金的燒結和粘結。但是,鐵可以通過添加適當的合金化元素鈷和鎳來改善性能,改善后的粘結劑可通過馬氏體相變、沉淀硬化和無序-有序轉變得到強化。對于WC-Fe/Ni/Co系硬質合金而言,當鐵與鎳+鈷的質量比大于1時,材料的硬度最高,粘結相是馬氏體或馬氏體+殘余奧氏體組織。采用FVONi為粘結劑能完全潤濕硬質相WC,具有較低的熔點,易于在比WC熔點低得多的溫度下燒結,同時,WC在其中有一定的溶解度,不易于形成脆性的第三相,能夠得到馬氏體組織,當粘結相的質纛分數(下同)達到20%時,其各項力學性能和WC-Co硬質合金相當。

  3試樣制備與試驗方法試驗用硬質合金粉末的組成為:82%WC,18%FeQrNi合金(65伽,20%0,15%燦);基體材料為45鋼。粉末經KQM-X4球磨機球磨混合30h后,用水玻璃調制,涂覆在試樣的表面,經過80°C真空干燥處理。IVNi-CW-C系硬質合金中粘結相含量為10%,鈷鎳質量比為1:1時,共晶溫度約為1300°C,據此選擇在12001400X:不同的溫度下進行真空燒結,燒結時間為30min.用D/max-3A型X射線衍射儀分析覆層的相組成,用CXA-733型電子探針分析覆層中的元素分布,用HVSIOOO型顯微硬度計測定覆層斷面的硬度分布。

  4試驗結果及討論4.1燒結溫度對覆層組織的影響280X:時,覆層產生龜裂,和基體間不能生成牢固的界面,容易剝落。燒結溫度超過1350°C時,燒結過程中覆層中液相數量增多,會使覆層發生流失,使得硬質相在覆層中不能均勻分布,硬質相聚集較嚴重,不能形成完整的覆層。

  2801300°C燒結時,覆層的組織都由三部分組成,即覆層區、過渡區和基體。覆層內硬質點相WC均勻分布,硬質相之間由粘結相緊密相連,覆層通過過渡層和基體牢固地結合在一起,整個覆層組織結構致密,晶粒細小,沒有發現氣孔、裂紋等缺陷。

  320C時,覆層的表面形成碳化物,碳化物的形態見,清楚可見粘結相為針狀馬氏體。

  280C燒結時,覆層中主要有粘結相a-Fe/Co/Ni、硬質相WC和析出相Co3W3C. 1320°C燒結時,覆層中主要組成相比前者增加了碳化物相(FtNiG.碳化物的產生會增加材料的脆性,對覆層的耐磨性產生不利影響。因此,燒結溫度的選擇應該避免覆層中產生碳化物相。

  4.2覆層的顯微硬度覆層的顯微硬度達到850HV左右,過渡區內顯微硬度呈梯度逐漸降低。在覆層中大量的WC硬質點具有高的硬度,在燒結過程中,粘結相形成液相,WC顆粒在液相表面張力的推動下發生位移,覆層開始致密化,顆粒相表面的原子逐漸溶解于液相,由于移動,顆粒之間開始靠攏、接觸,形成堅固的固相骨架,剩余液相填充于骨架之間的間隙和空洞中。顆粒相表面的原子逐漸溶解于液相,使粘結相中的鎢含量顯著提高,同時,部分溶解的WC又以第二相的形式在覆層中彌散析出,這顯然提高了粘結相的顯微硬度,此外,在覆層中析出的彌散分布的碳化物相Co3W3C也會使粘結相的硬度增加。過渡區是覆層和基體之間元素的擴散滲透形成的,由于WC的擴散能力有限,在過渡區內向基體方向含量逐漸減少,電子探針分析結果見。

  覆層斷面上的顯微硬度分布5結論金覆層組織致密,結構分布均勻,與基體間擴散滲透,結合牢固,無氣孔、裂紋缺陷。

  覆層中硬質點相和成分分布均,覆層中存在顆粒相的溶解和擴散、新相的產生。粘結相的組織為馬氏體。

(完)

 
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