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45钢表面粉末烧结制备硬质合金覆层的研究

2017年08月24日 09:05  本网  admin  人气:654

  表面处理技术是改善表面性能,提高机械零部件使用寿命的一种有效措施,得到了广泛的应用。制备表面覆层或涂层主要的工艺有:化学气相沉积法、物理气相沉积法、激光熔覆技术、热喷涂技术、溶胶-凝胶法、自蔓延高温合成法等。这些方法各有特点,它们存在的主要不足是覆层或涂层的厚度较薄,与基材的界面结合不稳定,结合强度偏低,设备投资大,工艺复杂。粉末冶金法制备表面硬质合金覆层可以在一定程度上解决这些问题。

  硬质合金具有很高的硬度、耐磨性、弹性模量、抗压强度和稳定的化学性能,特别是较篼的高温强度,使得它在现代工具材料、耐磨材料、耐高温和耐腐蚀材料等方面占据了重要地位,应用也越来越广泛。作者采用粉末烧结的方法,在普通45钢表面上烧结硬质合金覆层,并分析了表面硬质合金覆层的工艺及组织结构特点。

  2硬质合金覆层材料的选择对硬质合金覆层材料的要求是要和基体材料形成具有较高结合强度的界面。Kerans等W将界面分为突变形、化合物型和扩散型三种,就WC硬质合金而言,它和45钢基体之间只可能产生扩散型的界面,如果覆层材料含有铁,将与45钢之间相互扩散,形成冶金界面结合。因此,选择以铁为主要成分的FeCNi合金作为粘结剂。

  铁、钴、镍都是第1族元素,单独用作硬质合金粘结剂时钴最好,镍次之,铁最差,主要是铁易于形成如W3Fe3C类的脆性化合物,使合金的脆性增加,强度降低,还妨碍合金的烧结和粘结。但是,铁可以通过添加适当的合金化元素钴和镍来改善性能,改善后的粘结剂可通过马氏体相变、沉淀硬化和无序-有序转变得到强化。对于WC-Fe/Ni/Co系硬质合金而言,当铁与镍+钴的质量比大于1时,材料的硬度最高,粘结相是马氏体或马氏体+残余奥氏体组织。采用FVONi为粘结剂能完全润湿硬质相WC,具有较低的熔点,易于在比WC熔点低得多的温度下烧结,同时,WC在其中有一定的溶解度,不易于形成脆性的第三相,能够得到马氏体组织,当粘结相的质纛分数(下同)达到20%时,其各项力学性能和WC-Co硬质合金相当。

  3试样制备与试验方法试验用硬质合金粉末的组成为:82%WC,18%FeQrNi合金(65伽,20%0,15%灿);基体材料为45钢。粉末经KQM-X4球磨机球磨混合30h后,用水玻璃调制,涂覆在试样的表面,经过80°C真空干燥处理。IVNi-CW-C系硬质合金中粘结相含量为10%,钴镍质量比为1:1时,共晶温度约为1300°C,据此选择在12001400X:不同的温度下进行真空烧结,烧结时间为30min.用D/max-3A型X射线衍射仪分析覆层的相组成,用CXA-733型电子探针分析覆层中的元素分布,用HVSIOOO型显微硬度计测定覆层断面的硬度分布。

  4试验结果及讨论4.1烧结温度对覆层组织的影响280X:时,覆层产生龟裂,和基体间不能生成牢固的界面,容易剥落。烧结温度超过1350°C时,烧结过程中覆层中液相数量增多,会使覆层发生流失,使得硬质相在覆层中不能均匀分布,硬质相聚集较严重,不能形成完整的覆层。

  2801300°C烧结时,覆层的组织都由三部分组成,即覆层区、过渡区和基体。覆层内硬质点相WC均匀分布,硬质相之间由粘结相紧密相连,覆层通过过渡层和基体牢固地结合在一起,整个覆层组织结构致密,晶粒细小,没有发现气孔、裂纹等缺陷。

  320C时,覆层的表面形成碳化物,碳化物的形态见,清楚可见粘结相为针状马氏体。

  280C烧结时,覆层中主要有粘结相a-Fe/Co/Ni、硬质相WC和析出相Co3W3C. 1320°C烧结时,覆层中主要组成相比前者增加了碳化物相(FtNiG.碳化物的产生会增加材料的脆性,对覆层的耐磨性产生不利影响。因此,烧结温度的选择应该避免覆层中产生碳化物相。

  4.2覆层的显微硬度覆层的显微硬度达到850HV左右,过渡区内显微硬度呈梯度逐渐降低。在覆层中大量的WC硬质点具有高的硬度,在烧结过程中,粘结相形成液相,WC颗粒在液相表面张力的推动下发生位移,覆层开始致密化,颗粒相表面的原子逐渐溶解于液相,由于移动,颗粒之间开始靠拢、接触,形成坚固的固相骨架,剩余液相填充于骨架之间的间隙和空洞中。颗粒相表面的原子逐渐溶解于液相,使粘结相中的钨含量显著提高,同时,部分溶解的WC又以第二相的形式在覆层中弥散析出,这显然提高了粘结相的显微硬度,此外,在覆层中析出的弥散分布的碳化物相Co3W3C也会使粘结相的硬度增加。过渡区是覆层和基体之间元素的扩散渗透形成的,由于WC的扩散能力有限,在过渡区内向基体方向含量逐渐减少,电子探针分析结果见。

  覆层断面上的显微硬度分布5结论金覆层组织致密,结构分布均匀,与基体间扩散渗透,结合牢固,无气孔、裂纹缺陷。

  覆层中硬质点相和成分分布均,覆层中存在颗粒相的溶解和扩散、新相的产生。粘结相的组织为马氏体。

(完)

 
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