TiC 添加量對等離子熔覆Ni60–WC復(fù)合涂層性能的影響

秦利鋒

（中鐵工程裝備集團(tuán)盾構(gòu)制造有限公司，河南 鄭州 450000）

WC擁有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、耐熱沖擊性和熱強(qiáng)性，且WC擁有高硬度、高彈性模量、抗氧化性強(qiáng)、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)點。由于WC顆粒在高溫下能被Ni潤濕，因此在制備鎳基自熔合金時加入適量的WC顆粒可以形成含WC的彌散型超硬合金。在實際使用過程中為進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金材料的硬度和耐磨性，往往再添加TiC、TiB2等硬質(zhì)相。TiC的耐磨性和硬度比WC高[1-2]，WC?TiC?Ni硬質(zhì)合金中的TiWC2不但可以提高合金的強(qiáng)度和硬度，而且可以提高合金材料的耐磨性[3]。本試驗以WC/Ni為研究主體，考察了TiC粉末添加量對熔覆層耐磨性的影響。

1 實驗

1.1 材料

以45鋼為基材，噴涂前進(jìn)行表面噴砂處理，采用無水乙醇超聲波清洗后烘干。在按一定比例混合好的Ni60A與12Ni–WC合金粉末中添加一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)的200 ~ 325目TiC。

1.2 樣品制備

采取同步送粉式等離子束熔覆設(shè)備進(jìn)行熔覆層制備。工藝參數(shù)為：電流130 A，熔覆速率400 mm/min，送粉氣流速1.2 m3/h，離子氣流速0.3 ~ 0.5 m3/h，保護(hù)氣流速0.8 ~ 1.2 m3/h，熔覆距離140 mm。所得樣品的外觀如圖1所示。

圖1 不同TiC添加量的等離子熔覆層的原始形貌 Figure 1 Morphologies of plasma cladding layers with different dosages of TiC

1.3 試驗方法

采用線切割機(jī)取樣，使用NOVASEM 450型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(SEM)、日本理光D/MAX2500PC型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析。利用FM-700型顯微維氏硬度計對試樣進(jìn)行顯微硬度檢測，從合金表面開始每個檢測點間隔400 μm，均勻向內(nèi)部連續(xù)檢測15個點，試驗載荷200 g，加載時間10 s。使用 CETR UMT-3MO型多功能摩擦磨損試驗機(jī)對熔覆層表面進(jìn)行測試，對磨介質(zhì)為Al2O3球，載荷100 N，滑動速率10 mm/s，單次有效滑動距離6 mm，磨損時間2 h，使用TRIB分析軟件對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 物相分析

圖2顯示熔覆層組織均勻致密，熔覆層與基體材料之間為冶金結(jié)合，熔覆層表面無裂紋和氣孔，結(jié)合過渡區(qū)寬度為10 ~ 30 μm。

圖2 WC/Ni + 5% TiC熔覆層縱切面的顯微組織 Figure 2 Cross-sectional microstructure of WC/Ni + 5% TiC cladding layer

圖3顯示熔覆層中的Cr多以Cr4Ni5W、Cr2Ni3形式存在，Ti多以TiWC2形式存在。分析主要原因為：Ti元素的活性比Cr元素高，且生成TiWC2的吉布斯自由能比CrxCy低，因此Ti與C的親和力比Cr與C的親和力強(qiáng)[4-5]。

圖3 WC–TiC–Ni熔覆層的X射線衍射譜圖 Figure 3 XRD patterns of WC–TiC–Ni cladding layers

在熔覆過程中WC脫碳分解形成W2C和W，TiWC2是由TiC與W反應(yīng)生成，或是熔融狀態(tài)的WC和TiC相互融合所形成，又或是TiC粉末中的游離Ti與C和W反應(yīng)生成。TiWC2的高強(qiáng)度、高硬度、抗高溫等性能[6-7]令熔覆層的硬度和強(qiáng)度得到進(jìn)一步提高。

2.2 組織分析

圖4顯示熔覆層由黑色塊狀組織、白色魚骨狀結(jié)構(gòu)、灰色組織等3種組織組成。隨著TiC粉末的增加，合金組織中黑色塊狀組織增多，其形貌也發(fā)生改變，尖銳部位變圓滑。白色魚骨狀組織也隨著TiC的增加而增多、增大。這些魚骨狀結(jié)構(gòu)是由Cr的化合物和W的化合物增多后富集于晶界之間而生成的。當(dāng)TiC含量繼續(xù)增加至15%時，合金組織中的魚骨狀組織開始轉(zhuǎn)變?yōu)榈麪詈桶魻罱M織。

圖4 WC–TiC–Ni熔覆層的微觀組織 Figure 4 Microstructures of WC–TiC–Ni cladding layers

根據(jù)對圖5中熔覆層微觀組織3個不同區(qū)域的能譜分析結(jié)果(見表1)作進(jìn)一步分析。

表1 WC/Ni + 20% TiC熔覆層中不同區(qū)域的EDS分析結(jié)果 Table 1 WC/Ni + 20% TiC cladding layer area EDS analysis results

圖5 WC/Ni + 20% TiC熔覆層的局部形貌 Figure 5 Local morphology of WC/Ni + 20% TiC cladding layer

a區(qū)(黑色塊狀組織)：EDS分析數(shù)據(jù)顯示該區(qū)域只含Ti和C元素，認(rèn)為黑色塊狀組織是未參與組織轉(zhuǎn)變的TiC粉末。TiC均勻分散在熔覆層合金中可以有效提高合金組織的耐磨性和強(qiáng)度。

b區(qū)(白色魚骨狀組織)：該區(qū)域為W元素富集區(qū)，結(jié)合EDS結(jié)果分析可知該區(qū)域存在適量的Ni和Ti元素，由于Ti的活性比Ni、Cr元素高，因此推測該區(qū)域組織是在熔覆過程中Ti與C反應(yīng)而生成的TiWC2、Cr4Ni15W等硬質(zhì)相。

c區(qū)(灰色組織)：該區(qū)域為Fe和Ni的聚集區(qū)域，Cr、C、W相對較少。XRD分析數(shù)據(jù)表明該區(qū)域的組織成分以Fe3Ni2、Fe3Ni2、Cr4Ni15W、Cr2Ni3等化合物為主。

2.3 顯微硬度分析

顯微硬度測試前必須對試樣進(jìn)行拋光處理，且保證試樣上下面的平行度，涂層顯微硬度的測試結(jié)果如圖6所示。檢測結(jié)果表明隨著TiC含量的遞增，熔覆層的顯微硬度增大。當(dāng)TiC含量為20%時，復(fù)合涂層的顯微硬度最高，達(dá)到 了1 072.5 HV，而WC/Ni合金的顯微硬度只是944.27 HV。分析主要原因是：TiC粉末無論是強(qiáng)度還是硬度均高于WC[8]，其次TiC的細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用令熔覆層進(jìn)一步強(qiáng)化。Ti、W、C元素相互反應(yīng)生成TiWC2等硬質(zhì)相彌散分布在合金中對熔覆層強(qiáng)度和硬度的進(jìn)一步加強(qiáng)是最主要原因。

圖6 WC–TiC–Ni熔覆層的顯微硬度分布 Figure 6 Microhardness distribution of WC–TiC–Ni cladding layer

2.4 滑動摩擦磨損分析

摩擦磨損測試結(jié)果表明，滑動摩擦因數(shù)(μ)隨著TiC含量的遞增而變大，如圖7所示。這是因為熔覆層中的硬質(zhì)相隨TiC增加而增多，粘結(jié)相對減少。

圖7 WC–TiC–Ni熔覆層的滑動摩擦因數(shù) Figure 7 Sliding friction coefficient of WC–TiC–Ni cladding layer

使用ZETA-20三維形貌檢測儀對熔覆層滑動磨損深度、寬度、體積進(jìn)行分析，結(jié)果表明熔覆層的體積損失量和磨損寬度隨著TiC含量的增加而逐漸減小，當(dāng)TiC含量增至20%時，它們均為最小，如圖8所示。因此，增加TiC含量可以大幅提高熔覆層的耐磨性。

圖8 WC–TiC–Ni熔覆層的滑動磨損量 Figure 8 Sliding wear loss of WC–TiC–Ni cladding layer

由圖9分析可知：復(fù)合熔覆層在磨損表面沒有明顯的犁溝生成。隨著TiC含量的遞增，熔覆層磨損形貌中的層狀臺階和脫落現(xiàn)象逐漸減輕。當(dāng)TiC含量由5%提升至15%、20%時，熔覆層表面滑動磨損形貌較為平滑，幾乎看不出“切削”的痕跡。

圖9 不同TiC添加量的熔覆層在滑動摩擦磨損后劃痕的宏觀形貌 Figure 9 Macroscopic morphologies of sliding wear scratches on cladding layers with different dosages of TiC

圖10顯示熔覆層的磨損形貌較平滑，沒有明顯的犁溝。熔覆層合金的磨損方式主要為磨粒磨損，由于在滑動磨損過程中粘結(jié)相被反復(fù)擠壓和切削，硬質(zhì)相在Al2O3球的反復(fù)擠壓和撞擊下產(chǎn)生疲勞裂紋。隨著滑動磨損過程的持續(xù)，疲勞裂紋擴(kuò)展，組織脫落。

圖10 不同TiC添加量的熔覆層滑動摩擦磨損后劃痕的微觀形貌 Figure 10 Microscopic morphologies of sliding wear scratches on cladding layers with different dosages of TiC

3 結(jié)論

(1) WC?TiC?Ni熔覆層與基體材料之間為冶金結(jié)合，熔覆層表面無裂紋和氣孔。

(2) TiWC2的形成及彌散分布使得熔覆層的顯微硬度和耐磨性進(jìn)一步提高。

(3) WC?TiC?Ni熔覆層中的Cr多以Cr4Ni5W、Cr2Ni3存在，Ti主要以TiWC2形式存在。

(4) 隨著TiC粉末的增加，熔覆層中黑色塊狀組織增多，其形貌也發(fā)生改變，尖銳部位變圓滑。熔覆層中的白色魚骨狀組織也隨著TiC的增加而增多、增大。

(5) WC/Ni合金中TiC含量增加至20%時，熔覆層的平均顯微硬度最高達(dá)1 072.5 HV，此時其耐磨性最好。