激光熔覆WC/Co-Cr合金涂层的制备及其滑动磨损性能研究

摘要

近年来，随着工业技术的不断发展，要求机械设备能够在高参数(如高温、高压、高速)、高度自动化和恶劣的工况条件下保持良好的工作性能，这就对材料的硬度、耐磨性，特别是耐高温磨损性能提出了更高的要求，以确保机械设备长时间有效稳定的运转，因此，单纯的Co基合金涂层已不能满足上述工况的要求。近年来的研究和实践表明，在Ni基合金涂层中添加WC等硬质相可以强化涂层的耐磨性能，而对Co基合金涂层中添加WC的研究不够充分，特别是WC/Co-Cr的研究更为鲜见。本文采用激光熔覆方法制备WC/Co-Cr合金涂层，并对涂层的制备工艺及组织、结构、磨损等性能进行了研究。主要研究内容包括：
　　 ⑴采用YAG固体激光器在45#钢表面熔覆制备WC/Co-Cr合金涂层，探讨了激光电流和扫描速度工艺参数对涂层宏观组织的影响，筛选出较优的熔覆工艺参数。用扫描电子显微镜(SEM)观察了涂层的组织形貌，用X射线衍射仪(XRD)分析了涂层的相结构，用能谱仪(EDS)分析了涂层及其界面的成分。结果表明：涂层主要由Co、WC、CrCo、Co7W6等相组成，还有少量的碳化物Cr23C6、Cr7C3等硬质相呈网状分布于Co、CrCo相四周。随着熔覆粉末中WC含量的增加，基体中Fe元素的扩散到WC/Co-Cr合金涂层中，Co、Cr、W等元素从涂层到基体逐步减少，呈梯度分布，涂层与基体呈冶金结合；特别是当涂层中WC加入量达到15wt％时，涂层组织明显细化，硬度提高(达1000HV以上)；而当复合粉末WC含量达20wt％时，则涂层中出现大量未熔WC颗粒。
　　 ⑵对不同成分的涂层进行常温磨损试验，结果表明：随着涂层中WC含量的增加，涂层的摩擦因数不断减小，涂层硬度升高，磨损量减少，当WC粉末加入量为20 wt％时，涂层的摩擦因数为0.35，磨损量仅为0.1mg，但涂层微裂纹增多，脆性增大，对涂层的使用寿命产生不利的影响。综合考虑，在本实验条件下，15wt％WC粉末加入量为最佳加入量。
　　 ⑶对涂层进行了高温磨损试验。结果表明：保持试验温度为600℃仅改变试验载荷，摩擦因数的变化关系为μ100>μ300>μ400>μ200；而磨损量的变化规律则为当载荷大于200N时，涂层磨损量随载荷增加而增加。保持载荷为200N仅改变试验温度，摩擦因数随着温度的升高而降低，同时涂层的磨损失重量下降，涂层耐磨性增加，摩擦配副的磨损量有所升高，磨损量与摩擦系数之间存在较为相似的变化规律，随温度的升高，磨损机制由磨粒磨损向氧化磨损转变。