H13钢表面激光熔覆制备金属基陶瓷复合涂层及其耐磨性的研究

摘要

磨损是一种常见的模具失效形式，采用激光熔覆(Laser Cladding)等表面改性技术在金属表面制备耐磨熔覆层，改善表面组织、提高表面性能，可有效延长模具的使用寿命。本文采用Nd: YAG脉冲激光器在H13模具钢表面制备了TiC颗粒增强Ni基合金复合涂层，并在复合涂层中继续加入少量高温润滑相CaF2及稀土氧化物Y2O3进行成分优化。通过光学显微镜(OM），扫描电子显微镜(SEM)结合能谱(EDS)，X射线衍射仪(XRD)对不同成分及含量的Ni基合金复合熔覆涂层的微观组织结构、元素分布和物相组成进行了表征，并对熔覆层进行了硬度测试及在载荷300N，转速180r/min，行程1000r干滑动摩擦磨损条件下进行了耐磨性的测试，研究了熔覆层中TiC、CaF2及Y2O3对复合涂层组织及耐磨性能的影响。
　　研究结果表明，TiC/Ni60复合熔覆层以面心立方结构的γ-(Fe,Ni)为基体，Fe3C、Cr23C6、Ni2Si及TiC作为硬质相均匀分布在过饱和的γ-(Fe。Ni)固溶体中；激光熔覆层表面主要是细密的枝晶、胞状晶、等轴晶及共晶化合物，各类晶粒大小比较均匀且形态各异；涂层中枝晶内部为γ-(Fe,Ni)，共晶组织为Cr23C6、Ni2Si；随着TiC的加入，涂层表面的组织更加细化；CaF2加入后流动性增加，使熔覆涂层表面的组织总体上更加细密；复合涂层仍以亚共晶方式结晶，过饱和的Ni、Cr等元素和CaF2在γ枝晶间形成了网状共晶组织，且随着CaF2含量的升高，网状组织中的化合物变细长并被打断；Y2O3加入后，复合熔覆涂层的组织更加均匀致密，组织被进一步细化，晶粒大小几乎达到亚微米级。
　　硬度测试结果表明，熔覆涂层的显微硬度值均远大于基体，H13钢激光熔凝处理可使硬度明显高于H13钢基体，但是低于复合涂层；随着TiC含量的增加，熔覆层中平均硬度逐渐增大，TiC含量达到30％(质量分数)时熔覆层内的平均硬度值最大，为873HV0.2；TiC含量为20%的复合熔覆涂层中加入CaF2后平均硬度值有所降低，随着CaF2含量的升高，复合熔覆涂层的平均显微硬度值不断减小；复合熔覆涂层中继续加入Y2O3可提高显微硬度，Y2O3加入量为1%(质量分数)时复合涂层平均硬度值最高，而加入量为5%(质量分数)Y2O3时复合涂层硬度值最低。
　　摩擦磨损试验结果表明，H13钢基体的平均摩擦因数为0.41，熔覆涂层中，100%Ni60(质量分数)涂层的平均摩擦因数最大，为0.34，TiC的加入可减小摩擦因数，各涂层平均摩擦因数比较接近。相同磨损工况下，H13钢试样的磨损量较大，激光熔凝处理后磨损性能有所提高，激光熔覆制备的复合涂层耐磨性显著优于H13；H13钢、激光熔凝处理的H13钢表面的磨损机制以显微切削为主；激光熔覆复合涂层的磨损机制转化为脆性剥落为主；加入CaF2后，复合涂层的平均摩擦因数显著降低，CaF2含量为5%(质量分数)的复合涂层质量磨损量最少，CaF2含量大于10%(质量分数)时复合涂层质量磨损量大于未加入CaF2以前的涂层，CaF2含量为15%(质量分数)时质量磨损量最大；加入CaF2后的复合涂层的磨损形貌主要也是以脆性剥落坑及切削痕迹为主，但其剥落坑痕迹明显变浅；Y2O3的加入及含量的升高对复合熔覆涂层的平均摩擦因数影响不大；当Y2O3含量为0.5%(质量分数)时，复合涂层相比较未加入Y2O3前质量磨损量有所减少，为1.6mg，而当Y2O3含量超过0.5%(1%,1.5%，质量分数)时，复合涂层的质量磨损量随Y2O3含量的升高而增加，Y2O3含量为1.5%(质量分数)时的复合涂层质量磨损量最大；加入微量Y2O3后，涂层磨损的形貌中依旧以薄片状的脆性断裂、剥落留下的痕迹为主，伴有极少量的显微切削后留下的沟壑。

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1 绪论

1.1 热作模具钢H13的应用及其主要失效形式

1.2表面改性技术

1.3激光熔覆技术的研究与应用

1.4本课题的研究目的及主要研究内容

2 试验材料、方法及设备

2.1试验材料

2.2试验方法及设备

3 TiC/Ni60复合涂层组织及性能

3.1 TiC/Ni60熔覆层宏观形貌

3.2 TiC/Ni60熔覆层XRD物相分析

3.3 TiC/Ni60熔覆层显微组织

3.4 TiC/Ni60熔覆层显微硬度

3.5 TiC/Ni60熔覆层耐磨性

4 CaF2/TiC/Ni60复合涂层组织及性能

4.1 CaF2/TiC/Ni60熔覆层XRD物相分析

4.2 CaF2/TiC/Ni60熔覆层显微组织

4.3 CaF2/TiC/Ni60熔覆层显微硬度

4.4 CaF2/TiC/Ni60熔覆层耐磨性

4.5本章小结

5 Y2O3/CaF2/TiC/Ni60复合涂层组织及性能

5.1 Y2O3/CaF2/TiC/Ni60熔覆层显微组织

5.2 Y2O3/CaF2/TiC/Ni60熔覆层显微硬度

5.3 Y2O3/CaF2/TiC/Ni60熔覆层耐磨性

5.4本章小结

结论

本论文的特色和新颖之处及研究工作展望

本论文的特色和新颖之处

研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文情况