喷涂法制备钢用耐磨涂层材料
王永国,李兆前
硅酸盐学报
摘 要:用橡胶酒精溶液调制原料粉末成为料浆,采用喷涂法喷涂在45#钢基体上,经真空烧结成功制备出三元硼化物基耐磨涂层材料,其表面三元硼化物基涂层的硬度HRA为84。用差示扫描量热仪分析得出烧结温度为1 290℃,用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)对其微观结构进行了测试,结果表明:涂层是由三元硼化物基硬质相和铁基粘结相组成,硬质相和粘结相分散均匀;在涂层和45#钢基体的界面由于存在化学反应和元素扩散使得这种新型涂层材料界面结合良好,界面结合强度高。磨损实验表明此种涂层材料具有优异的耐磨性。
关键词:喷涂法;三元硼化物;微观结构;界面;磨损
目前涂层工艺广泛应用于制备耐磨材料。传统的涂层工艺很多,如物理气相沉积[1]、化学气相沉积[2]、激光熔覆[3]、热喷涂[4]、自蔓延高温合成[5]、溶胶-凝胶技术[6]等。但所有这些工艺都在不同程度上存在以下缺点:如作业环境差、设备投资大、能量消耗大、效率低等。其中最重要的是涂层厚度薄,难于获得较厚的涂层;涂层与基体的结合强度不高,容易在涂层和基体的界面产生缺陷等。
反应烧结工艺是由日本学者Takagi[7]等提出的制备三元硼化物基金属陶瓷的新工艺。三元硼化物基金属陶瓷具有优良的耐磨、耐蚀性[8],可以应用在需要耐磨损的场合。在制备三元硼化物基金属陶瓷的原料粉末中不含有三元硼化物,它是在烧结过程中通过原料粉末之间的化学反应得到的。由于三元硼化物与金属基体在高温下共存,使得采用这种工艺制备钢用三元硼化物涂层材料成为可能。目前采用压制薄片法制出薄片,与金属叠放,然后采用真空液相烧结,已成功制备出了性能优良的钢用三元硼化物基耐磨覆层材料[9, 10]。用这种方法制备出的覆层材料厚度不受限制,且界面结合强度高。但是这种方法也存在着不足之处,如对于尺寸较大和形状复杂的零件难于实现覆层等。
喷涂法方法制备三元硼化物基涂层材料易于得到涂层尺寸大和形状复杂的零件,同时用这种方法制备出的涂层材料又具备界面结合良好的优点,所以这种方法在制备三元硼化物基涂层材料方面必将得到推广。为此采用这种方法成功制备了45#钢用三元硼化物基涂层材料,并对其微观结构进行了研究。
1 实验方法
实验所用原料粉末的组成成分见表1。采用纯Mo粉(质量含量为99.9%, 3~5μm)、纯Cr粉(99.8% in mass, 56.4μm)、羰基Fe粉(2.39μm)、羰基Ni粉(3.41μm)和FeB粉(56.4μm)。混料球磨100 h,用乙醇作为球磨介质,氩气保护,真空干燥,用孔径0.154 mm的筛子过筛(氩气保护),即制得所需实验粉末。将所制得的粉末与橡胶酒精溶液按一定比例(200 g/100 ml)混合,用电动搅拌机搅拌均匀后,用喷枪喷涂到45#钢上(经过喷砂、酒精清洗,以获得干净的表面,从而保证界面的结合状况良好),真空干燥后放入真空烧结炉中进行烧结。为避免烧结时钢与炉粘结在一起,需在45#钢下面放氧化铝板,见图1。
具体烧结工艺如下:室温→400℃,升温速度为10℃/min;400℃保温30 min;400℃→700℃,升温速度为10℃/min; 700℃保温30 min;700℃→1 100℃,升温速度为10℃/min;1 100℃保温30 min;1 100℃→1 200℃,升温速度为10℃/min;1 200℃→1 290℃,升温速度为5℃/min;1 290℃保温30 min;随炉冷却。
磨损实验在MM-200磨损实验机上进行。对比材料为45#钢(27HRC)和表面淬火的工具钢T10(58HRC),采用外径为40mm的高速钢轮。载荷为20N,选用干摩擦方式,以磨损量来表征材料的抗磨损性能。用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)和X射线衍射(XRD)测试其微观结构。用差示扫描量热仪(DSC)分析确定烧结温度。
2 实验结果及分析
图2为涂层粉末的DSC的分析结果。可以看出存在3个吸热峰,分别是950℃附近、1 100℃附近和1 280℃附近。第一个吸热峰的出现是由于在固相烧结阶段原料粉末之间产生化学反应,生成三元硼化物Mo2FeB2而引起的,反应如下[11]:
Fe+FeB=Fe2B (1)
2Mo+2Fe2B=Mo2FeB2+3Fe (2)
第二个吸热峰的出现由于液相L1的出现而引起的,液相L1的出现使得在固相烧结阶段由于化学反应形成的硬质相Mo2FeB2达到最初的致密化;第三个吸热峰的出现是由于液相L2的出现引起的,液相L2的出现硬质相达到完全致密化。因此,烧结过程中,在1 100℃时保温30 min,同时确定稍高于第二个吸热峰的温度1 290℃为最高烧结温度,在此温度下,为达到充分的致密化,保温30 min。液相L1和L2形成的过程如下[11]:
Fe+Fe2B→L1(3)
Fe+Mo2FeB2→L2(4)
涂层厚度可以通过调节喷涂次数及喷枪移动速度得到控制,由于涂层的热膨胀系数和金属基体接近[7],所以涂层和基体的残余热应力较小。由于残余热应力很小,所以基体的变形也很小。图3为这种涂层(厚度约为0.3 mm)材料的SEM照片。可以看出,在涂层中,硬质相和粘结相分散均匀,硬质相的体积(约为70%)大于粘结相。烧结过程中,在涂层和45#钢基体的界面处存在涂层中的元素和钢基体中的铁发生的化学反应,这一点可以由界面处的X射线衍射分析的结果得以验证(见图4)(XRD测试的试样是通过在光学显微镜下测量出涂层的精确厚度,然后在磨床上据此磨出界面区域,抛光后得到)。X射线衍射分析的结果表明,在界面处存在硬质相Mo2FeB2,由于原料粉末和45#钢基体都不存在Mo2FeB2,所以它是在烧结过程中形成的。
在界面区域同时也存在元素的扩散,见图5。可以看出在界面区域,涂层中的元素Mo, Cr和Ni等向基体扩散,而基体中的Fe则向涂层扩散,元素扩散由强到弱的顺序依次为:Fe, Ni, Cr, Mo。由于界面的结合强度与涂层和基体的界面元素的扩散密切相关,元素的扩散有助于提高界面结合强度[12],所以此种涂层材料有着良好的界面结合强度。由于应用剪切法测量喷涂法制备的涂层的界面结合强度较困难,因此决定通过测量压片法制备的同类涂层的界面剪切强度,由此来推断喷涂法制备的涂层的界面剪切强度。实验测试,压片法的界面剪切强度大于300 MPa。由此推断,喷涂法制备的涂层材料具有良好的界面结合强度。
由于涂层中三元硼化物基硬质相的存在,使得涂层材料的耐磨性得到了极大的提高。图6为此种涂层材料与基体材料45#钢及表面淬火钢T10的磨损曲线。可以看出,与基体材料45#钢相比,三元硼化物涂层材料的磨损量几乎可以忽略不计。45#钢在磨损60 min后测量其磨损量时就以超过测量范围(7.213 mm3),工具钢T10的磨损随时间的增大而急剧上升,在磨损120 min后测量其磨损量时就己超过测量范围;而三元硼化物涂层材料在磨损120 min后磨损量只有0.104 mm3。由此可以得出这样的结论:用喷涂法在45#钢基体上制备出的三元硼化物基耐磨涂层材料具有优异的耐磨性。
3 结 论
用喷涂法在45#钢基体上真空烧结,成功制备出三元硼化物基耐磨涂层材料,其表面三元硼化物基涂层的硬度HRA为84;此种材料的涂层是由三元硼化物基硬质相和铁基粘结相组成,硬质相和粘结相分散均匀;在涂层和45#钢基体的界面存在化学反应和元素扩散,使得这种新型涂层材料界面结合良好,界面结合强度高。由于涂层中三元硼化物基硬质相的存在使得三元硼化物基涂层材料具有优异的耐磨性,与45#钢相比,其磨损量几乎可以忽略不计。
参考文献:
[1] LUGSCHEIDER E, KNOTEK O, BARUNANI C,et al.PVD hard coated reamers in lubricant_free cutting[J]. Surf Coat Technol, 1999, 112:146—151.
[2] SIKDER A K, MISRA D S, SINGHBAL D,et al. Surface en-gineering of metal-diamond composite coatings on steel sub-strates using chemical vapour deposition and electroplating routes
[J]. Surf Coat Technol, l999, 114:230—234.[3] WU Xiaolei. In stitu formation by laser cladding of a TiC com-posite coating with a gradient distribution[J]. Surf Coat Tech-nol, 1999,115:111—115.
[4] 曾归于,周小军,吴和元(ZENG Guiyu,et al).等离子喷涂CoNiCrAlWBSi合金涂层的抗腐蚀性能研究[J].表面技术(Surf Technol), 1998, 27(6):18—20.
[5] 许伯藩,张细菊,蒙鹏博,等(Xu Bofan,et al).铝热自蔓延高温合成钢管内衬陶瓷涂层的研究[J].表面技术(Sur Tech), 1998, 27(3):13—15.
[6] ATIK M, LIMA Neto P De, AVACA L A. Protection of 316L stainless steel against corrosion by SiO2coatings[J]. Mater Sci Lett, 1994(13):1 081—1 085.
[7] TAKAGI K I, KOMAI M, MATSUO S. Development of ternary boride base ceramets[A]. In:Powder Metallurgy Pro-ceeding of World Congress[C]. Paris: European Powder Met-allurgy Association, 1994. 1:227—234.
[8] TAKAGI K, KOMAI M, WATANBE T,et al. Effects of Mo and Cr contents on the properties and phase formation of iron molybdenum boride base hard alloys[J]. Powder Metall, 1987,19(5):30—33.
[9] 王永国,李兆前,黄传真,等(WANG Yongguo,et al).钢用硬质覆层材料的显微结构分析[J].电子显微学报(J Chin Electron Microscopy Soc), 2002,21(1):(正在排版中).
[10] LI Zhaoqian. Development of ternary_boride_based hard cladding material[J]. Mater Res Bull, 2002, 37(3):417—423.
[11] TSUNEYUKI Ide, TEIICHI Ando. Reaction sintering of an Fe-6wt pct B-48wt pct Mo alloy in the presence of liquid phases[J]. Metall Trans A, 1989,20(1):17—24.
[12] 邓建新,艾 兴,李久立,等(DENG Jianxin,et al).陶瓷-硬质合金复合刀片材料的力学性能与界面结构[J].硅酸盐学报(J Chin Ceram Soc), 1998,26(1):69—74.
本站文章未经允许不得转载；如欲转载请注明出处，北京桑尧科技开发有限公司网址：http://www.sunspraying.com/
|
