铸钢表面Ni-Co/WC+G复合熔覆层的形成机制及性能研究

摘要

镍钴基合金已被广泛应用于零部件的表面改性，能够有效克服高温、摩擦磨损、重载荷和腐蚀介质等条件。而WC颗粒作为增强相加入后，能改善单一合金的耐磨性和抗氧化性，加入石墨（简称：G）可作为固体润滑剂，更能进一步降低复合材料的摩擦系数和磨损率。本文采用真空熔覆的方法在ZG45基体上制备了一系列Ni-Co基熔覆层，对组织和性能做了分析和研究。
　　Ni-Co/WC复合熔覆层成型良好、组织致密，WC颗粒在镍-钴基合金中呈三维网状分布，主要组成相有WC、Cr7C3、Cr23C6、Ni3Si、FeNi3和γ-Ni-Co固溶体。该熔覆试样截面的微观形貌分为母材区、过渡区和复合区，其中母材区和过渡区之间还存在宽约25μm的熔合区。添加石墨后，在熔覆层中产生大量孔径不一的“石墨孔洞”，而加入过量的石墨会降低熔覆材料的致密性和强度。Ni-Co基合金熔覆层中由于含有W元素，在靠近结合界面的区域容易与Fe、Cr、Ni等元素形成菱形或方形的M6C相。
　　对不同成分的Ni-Co熔覆试样进行了三点弯曲试验。研究发现Ni-40％Co合金熔覆层与ZG45基体的力学协调性能较好，当熔覆层侧朝上弯曲时，基体断口有大量的韧窝，基体侧发生韧性断裂，而熔覆层的断口具有准解理断裂和韧性断裂的双重特点；当熔覆层侧朝下弯曲时，基体侧的断裂方式属于解理断裂，熔覆层的断裂方式是沿晶断裂和穿晶断裂。Ni-Co/WC熔覆试样在进行三点弯曲试验时，通过分析Ni-Co/WC熔覆试样的断口形貌发现，基体侧发生韧性断裂；而熔覆层一侧的过渡区发生沿晶断裂，并伴随有Cr7C3等硬质相的穿晶断裂，复合区的断裂机理主要是微裂纹沿WC立体面延展的沿晶断裂。添加石墨的复合熔覆试样在弯曲过程中，熔覆层中石墨颗粒形成裂纹源，仍发生穿晶和沿晶断裂，基体侧同时具备解理和韧性断裂特征。
　　通过在金属表面制备Ni-Co基熔覆层能有效提高材料的耐腐蚀性能，Ni-Co基合金熔覆层的耐蚀性随钴基合金粉末比重的增加而逐渐增强。Ni-Co/WC熔覆层的耐蚀性随WC含量的增加呈逐渐增强又降低的趋势，Ni-Co/40%WC复合熔覆层的耐蚀性最优。Ni-Co/WC熔覆层中添加石墨后，耐蚀性随石墨含量的增加先增强后减弱，含6%G复合熔覆层的耐蚀性最优。
　　Ni基合金熔覆层中添加Co能改善摩擦学性能，Ni-Co基合金熔覆层的摩擦磨损机制主要为粘着磨损和疲劳磨损，成分Ni-30%Co基合金熔覆层的耐磨性能最优。添加WC后，复合熔覆层的摩擦磨损机制主要为氧化磨损，还伴有轻微的磨粒磨损和粘着磨损。Ni-Co/WC熔覆层中添加石墨后摩擦性能有所改善，4%~6%G的复合熔覆层摩擦磨损性能最优，8%G的复合熔覆层因过多的石墨产生大量孔洞，强度降低，摩擦过程中易发生疲劳磨损或产生微裂纹。

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第1章 绪 论

1.1 引言

1.2 表面工程技术及其分类

1.3 涂层的研究现状

1.4 课题研究意义及内容

第2章 试验方案设计

2.1 概述

2.2 试验选材

2.3 熔覆层制备流程

2.4 显微组织分析与性能测试

第3章 铸钢表面Ni-Co基熔覆层的制备工艺及显微组织

3.1 概述

3.2 熔覆工艺参数分析

3.3 熔覆层的显微组织形貌分析

3.4 熔覆层的形成机制

3.5 本章小结

第4章 铸钢表面Ni-Co基熔覆层的三点弯曲行为

4.1 概述

4.2 Ni-Co基合金熔覆层的三点弯曲行为

4.3 Ni-Co/WC复合熔覆层的三点弯曲行为

4.4 Ni-Co/WC+G复合熔覆层的三点弯曲行为

4.5 本章小结

第5章 铸钢表面Ni-Co基熔覆层的耐蚀性能

5.1 概述

5.2 Tafel曲线测试耐蚀性的原理

5.3 Ni-Co基合金熔覆层极化曲线分析

5.4 Ni-Co/WC复合熔覆层极化曲线分析

5.5 Ni-Co/WC+G复合熔覆层极化曲线分析

5.6 本章小结

第6章 铸钢表面Ni-Co基熔覆层摩擦磨损性能

6.1 概述

6.2 Ni-Co基合金熔覆层的摩擦磨损性能

6.3 Ni基与Ni-Co基熔覆层摩擦磨损性能对比

6.4 Ni-Co/WC复合熔覆层摩擦磨损性能

6.5 Ni-Co/WC+G复合熔覆层摩擦磨损性能

6.6 本章小结

结论

参考文献

致谢

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