结构和磨蚀复合高速钢M2 / WC涂层

文摘

特性的相结构的形成和耐磨蚀复合涂料“WC-M2钢”穿一碳化钨被调查。添加20 wt成立。%的WC粉混合物沉积导致的增加₆C硬质合金的内容。这些碳化物组成的多通道大小分布~5.9μ共晶碳化物沿晶界,~0.25μm碳化物在颗粒分散。也更大数量的亚稳奥氏体(~88年vol. %)。这些涂料的耐磨料磨损是由马氏体转换和多通道增强粒子的大小分布。

1。介绍

趋势是开发和建立新的设备以较低的成本少使用合金低碳钢,表面硬化,然而,需求通过氮化或碳化。在这种情况下,首要任务是提高耐力和组件的机器和技术设备工作的可靠性。在这个连接,解决有关不仅只提高耐磨性,也全部问题包括但不限于耐腐蚀、接触疲劳,塑性应变小,和热电阻。

有效的方法来提高材料的耐磨性金属包层和修改集中能量通量。这些方法被用于实践和基于快速熔化池的淬火冷却率10⁴到10⁹K / s。在真空电子束浮出水面是一个很好的候选人获得硬涂层表面的低碳基质。这样的处理提供了一些优势(1]包括饲料的能力直接复合材料粉末熔化池,融化金属的真空精炼,逐渐和准确调整电子束权力提供最小的融合渗透基质,常量化学成分,在电子束功率密度和小池的大小10⁵W /厘米²。所有这些参数可以优化实现池的过热需要获得超过饱和溶液的合金元素和精细结构冷却。考虑到我们相信在真空电子束浮出水面后可以申请沉积复合涂层主要最终热处理和机械磨削。

在现代实践,努力和超硬复合钨铬钴合金制成的涂料,sormite或铸造碳化钨用于提高机器组件的工作表面的耐磨性。这些材料的一个缺点是它们包含30 ~ 90% wt。昂贵的碳化钨。还涂料由沉淀这些材料是脆性硬相含量高,这些粒子的非均匀分布大量的涂料,尤其是对其内容在30 ~ 50% wt范围。和网络涂层表面的开裂。所有防止连续使用它们的应用程序,当这些属性的整体要求。

特别是,有问题的快速失败重加载减速齿轮箱的齿轮轴由于氮化期刊在激烈的穿针轴承。变速箱设计特异性的减少是他们的小齿轮轴定位在靠近彼此,传统设计的轴承组成的内部和外部环与滚筒之间并不是可用的。因此,必须做出一个直接在小齿轮轴轴颈轴承表面。这些杂志表面必须具备高耐磨性,联系耐力、塑料压力低,断裂韧性,规定的必要性均匀多功能涂料中的应用。

涂料通过多通道的具体功能描述与M2钢电子束熔覆粉末(其他地方2]。它建立了一个多通道生成增强粒子的大小分布在硬质合金涂层的子系统。二次碳化物的体积含量₆C和残留奥氏体可以监管范围内wt 4.5到7.5%。和wt 5到30%。,respectively, as depending on the thermal cycling conditions created during the surfacing. Wear resistance of the coatings improves with the volume content of the retained austenite because of应变马氏体转变和细碳化物沉淀在矩阵的谷物。我们可以安全地说,越高的内容保留亚稳奥氏体涂层,高耐磨性。一个路线去掺和一碳化钨高速钢粉末。由于WC的高溶解度钢矩阵,它可能提供90%至80 vol.奥氏体的含量以及沉淀细碳化物的体积含量更高。

的贡献应变相位变换耐磨料磨损的旅行与亚稳奥氏体钢评估(3)的基础上开发的模型和实验数据。这个模型的框架内的能量平衡方程导出,然后用来确定断裂的工作值样本与稳定或亚稳奥氏体。发现了裂缝工作价值与亚稳奥氏体晶体样品高出7倍相比,没有能力经验相同的磨损试验条件下应变相位变换。

这项工作的目的是研究碳化钨含量的影响源混合物的结构、内容、阶段和磨料高速钢M2 / WC复合涂层的耐磨性。

2。材料、设备和实验方法

源材料电子束浮出水面是高速钢M2粉混合物添加5到350μm WC粉的内容10、15、20、25、30、40 wt 50%。M2钢的化学成分如下:c - 1%, cr - 4%, w - 6.5%, mo - 5%, v - 1.5%,如果< 0.5%,Mn < 0.55%,倪< 0.4%,S < 0.03%, O₂< 0.03%,Fe-balance。复合混合物由混合上述组件、压实和真空烧结的混合物不高10分压⁻²Pa,其次是铣和筛分蛋糕的分数。浮出水面进行平20×30×200毫米的样品通过应用四个通过每0.3% C钢格板。扫描线长度是20毫米。每通过复合金属层的厚度是1毫米。一些样品受到单一或双回火进行570±°C 1小时。

在真空电子束熔覆的机器在自动模式下操作,这样样本加载到其室,并确保在操纵者。这些机械手驱动旋转和位移模式由外部electrodrive系统。美国商会被疏散到剩余压力10⁻¹Pa。电子枪产生的电子束在样品表面扫描从而创建一个熔化池(图1)。同时,粉混合喂养的池通过测量馈线。

加速电压、直径、电子束扫描长度、速度和示例提要28 kV, 1毫米,和20毫米,2 mm / s,分别在实验中并没有改变。

沉积涂层的微观结构在纵向和横向薄切片检查使用光学显微镜(OM)奥林巴斯GX 51配备700年暹罗分析设备,扫描电镜仪器飞利浦SEM 515配备微量分析设备EDAX经济学第四范,TEM Tecnai G2仪器配备微量分析设备。

传统薄切片的制备方法,如机械研磨和抛光钻石贴使用不同等级的工作。化学腐蚀中执行4%的解决方案的HNO₃在酒精。确定的定量特征显微结构包括数量、大小、形状和分布的不同阶段进行使用暹罗软件包。150年TEM箔的厚度μ米被削减从涂料使用电火花机。机械和电解完成后,实现箔的厚度70到90μ米,最后进行了离子稀释达到200纳米的厚度。

相组成的样品后浮出水面和磨耗测试是由XRD研究使用日本岛津公司XRD 6000衍射仪操作2Θ范围30 - 120度在0.02°步骤和过滤科钦α辐射。集成的衍射峰的强度用于定量相分析。多组分系统中一个阶段的体积含量决定根据表达式如下: 在哪里,,,支持阶段,是角度的因素,是多重因素,和阶段的结构因素和细胞体积,分别。

2.1。Microhardess,穿

显微硬度数字()涂层和底物测定使用PMT-3显微硬度测试仪操作在100μ米缩进和负载之间的步骤0.981 N。在两个平行的压痕测量进行了路径转移到50μ米深度彼此。路径之间的距离是200年μm。这样一个过程可以获得50的显微硬度深入的概要文件μ米一步涂层。

确定磨损率(毫克/小时)我们使用松散磨料粒子(图的方法2每小时)和测量质量损失。平均磨损率是从五个实验结果。在上雕琢平面的石英砂颗粒尖角和边缘和圆electrocorundum粒子的平均尺寸到300年μm是用作穿研磨材料测试60 RPM。正常负载为44.1±0.25 N。的显微组织和显微硬度的分析标本穿测试后进行锥形部分在2°角之间的顶面和剖面。

的显微组织和显微硬度的分析标本穿测试后进行锥形部分在2°角之间的顶面和剖面。

3所示。结果与讨论

高速钢M2 + WC的混合物WC内容10、15、20、25、30、40 wt 50%。被球磨24小时准备。烧结的混合物进行了真空烘箱1小时的1200°C。如果使用温度越低,粒子彼此不烧结和没有质量复合蛋糕。在温度高达1200°C的蛋糕很难磨机和粉产量太低了。由此产生的蛋糕被研磨和渗粒径分数。收益率的可用研磨复合30至350μ分数是85到90%。较小的颗粒分数被丢弃。

用于堆焊复合蛋糕的微观结构如图3。看到,M2钢包围的孤立的粒子通过胰岛形状相(a)或角1到2μ米粒子结合小岛(b)根据WC含量的混合物。增加了从10 ~ 40% wt WC内容来源。导致增加的角量粒子从0到20 - 25%的vol.蛋糕。

根据XRD(图4WC和M等),两个碳化物₆C被发现在蛋糕除了矩阵的阶段和。这意味着源粉末粒子相互作用的过程中,烧结生产复合。这样的支持是正确的结果报道在其他地方(4]。作者(4)表明,米₆C复合WC硬质合金加热后形成的开始——(Ni-Al)和WC-NiTi混合物700°C。考虑到形态、状态α步中发现蛋糕是马氏体形式的针。

研究微观结构以及XRD数据样本(图浮出水面4),我们可以看到,涂料是由α马氏体、残余奥氏体(γ步),0.9卷。%的主板市场μm VC碳化物,m₆C硬质合金(图5)。这个M₆C硬质合金是两种形态。我第一类型提出了dendrite-like共晶3.8μ碳化物(数据5(一个)和5 (b)发现固体颗粒边界的解决方案。第二II型碳化物的样子好细长颗粒内的谷物(图5 (d))。表1显示了结构的化学成分数据中发现数据所示的点5 (c)和5 (d)。表中的数据1允许的结论基本二次M的钒含量的减少₆C碳化物和共晶碳化物。

在混合更多的碳化钨源混合,M₆C碳化物生长(图6(一)wt)和从WC 30%。和更高的一些源WC保留除了上述所示。(数据6 (b)和6 (c))。米₆C硬质合金涂层获得使用WC含量低于30% wt的混合物。过dendrite-like降雨的形式被发现在奥氏体晶界有大小意味着什么。9μ~ 15 vol. % m和内容。除此之外,它的存在形式的好。μm降雨雪总含量~ 8%的奥氏体颗粒内卷,这是明确表示,电子束熔覆复合涂料wt竟高达30%。WC可能导致一代的多通道大小分布的艰苦阶段涂层硬质合金颗粒。

粗面颗粒的M₆C硬质合金涂料获得从源粉末混合物中发现了wt WC含量的40%。(图6 (c))。这些粒子生长更大当WC内容wt长大到50%。(图6 (d))。此外,它存在于两种形态类型,如球状和细长的粒子(血小板)。这些粗混合碳化物粒子形成一个开发框架。聘请的WC粒子包围₆过C降雨和构建框架。粘合剂相的形式被发现孤立的粒子。很难想象表明这样一个框架结构的强化阶段很难提高耐磨性。粗碳化物会煞有介事地对磨料磨损阻力有积极的影响。一个框架建立的耐磨性好₆C碳化物将取决于相组成的矩阵。

奥氏体的量的依赖源粉末中碳化钨的内容是一个曲线,最大范围内20 wt的25%。的WC(图7(一))。这两个单引号和双回火沉积涂层导致部分马氏体转变。它建立了电子束与沉积堆焊纯M2钢粉和M2 + WC 40 wt的50%。混合物只有3 - 4% vol.残留奥氏体。但是,如果我们用M2 + WC 20 wt的30%。混合、复合涂料包含30 - 40% vol.残留奥氏体即使进行双回火。

值得注意的是,涂料用M2 + WC wt 0至30%。没有网络的表面开裂。

曲线的上升部分在图7(一)显示了残留奥氏体的量增加到82% vol.增加20 - 25% WC wt.源粉末混合物。这种效果是由更好的WC和溶解度,因此,合金的更大的影响γ坚实的解决方案都由碳和碳化物形成元素。

根据EDAX数据,钨涂层的矩阵的溶解度wt从3.5增长到11%。WC含量的混合来源。这涉及到减少马氏体转变开始温度和增加的亚稳态冷却(淬火)后残留奥氏体。它遵循从[5,6),提高淬火温度对高速钢M2,我们同时增加碳和合金元素的内容,降低马氏体转变点。在我们这样的情况,我们实际上从液体micropool淬火处理,另外降低马氏体转变温度区间。较高含量的残留奥氏体提供的最小硬度wt M2 + 20%。WC复合涂层在GPa(图6的水平7 (b)曲线1)。

从降曲线在图的一部分7(一),残留奥氏体的数量减少时,WC含量源混合物从30 ~ 50% wt生长。背后的基本原理,是不完整的解散₆C和WC粒子,然后服务作为结晶核或外延生长的基质混合硬质合金奥氏体。同时,同样的效果减少熔化池以及过热,因此,碳化物的溶解性。此外,涂料的粘合剂相的内容有助于放松压力产生的不同阶段的α和γ阶段。这是更完整转换。这里讨论的异常行为的奥氏体涂料必须影响其耐磨性。

3.1。磨料磨损

石英颗粒的磨损率降低了硬涂层很快包含wt高达20%。WC而一些增长wt观察25 - 30%。WC涂层。然而,WC含量较高,磨损率持续下降(图8(一个))。当地的最大磨损率(图8(一个))可能会发现其在结构变化的解释发生在涂层沉积wt 20%。WC粉末混合物。在这种情况下,涉及源WC硬质合金框架结构开始形成颗粒。还在上雕琢平面的使用磨料石英颗粒的形状可能会再加上效果。当使用electrocorundum时,磨损率降低的WC含量的增长。这一点尤其涂料沉积从wt的20%。WC粉末混合物(图8 (b))。另一个方面是,使用更多的硬磨料粒子提供更高的磨损率~ 20倍比石英砂。

考虑到数据的微观结构5和6,体积奥氏体图的内容7(一)、硬度(图7 (b)),磨损率在图的依赖性8WC含量的函数在源粉末混合物,我们可以说,耐磨性提高是由于更高的奥氏体样本中获得多通道(浮出水面,,)大小分布的硬质合金硬化阶段。这种分布服务提供薄intercarbide粘合剂层,因此,减少选择性磨损和防止碳化物剥落。

也因为亚稳奥氏体局部应变马氏体的能力变换,在穿这提供了额外的应力消除效果。根据x射线衍射数据的数量步在M2 + 20% WC涂层vol.磨料磨损试验后增长了40%。这种马氏体转变结合工程加工硬化导致增长的硬度从6到10 GPa的地下涂料40岁μ米深度以下磨损的表面(图7 (b))。

另一个结构性因素重要的改善复合镀层的耐磨性与亚稳奥氏体基体碳化是其更高的能力脆弱阶段相比,马氏体,因此,防止碎石microcutting和疲劳磨损。不论是主树突碳化物在晶界和二次晶粒intragrain细碳化物(4]。无论是单身还是双回火涂料能够改变磨损率的依赖在碳化钨内容尽管绝对值相比有所增加后浮出水面(数字8 (b),8 (c),8 (d))。这样的行为可能与这一事实有关奥氏体向马氏体回火部分变换,因此,减少了缓解压力的奥氏体的影响转换。从这个角度来看,回火热处理并不是一个理想的后浮出水面。

M2 + 40% wt的磨损率。WC涂层热处理的影响很大。这种涂层的微观结构揭示了硬质合金框架由M₆C和WC碳化物(图6 (c))。刚刚浮出水面的粘合剂涂层包含大约50%的奥氏体vol.(图7(一)),它有积极作用,表现在应力消除和防止剥落的硬质合金颗粒。

自回火的结果部分转换,它损害抗剥落和碳化保留能力。最后,M2 + 40% wt的磨损率。WC涂层是穿由electrocorundum粒子增加了40%。

硬质合金框架的形成是在M2 + 50% WC wt.涂层(图6 (d))。然而,这些米₆C碳化物颗粒粗相比那些wt M2 + 40%。WC涂层(图6 (c))。粘合剂阶段发现孤立的颗粒的形式,因此,没有影响耐磨涂层。当比较沉积和热处理涂层的磨损阻力,我们注意到,磨损率增加了~ 20%在后一种情况下。我们建议粗碳化物粒子并不容易剥落和硬质合金框架是稳定对纯粹的磨料磨损。然而,磨料粒子的冲击荷载会增加硬质合金的磨损率框架和更脆弱的矩阵。碳化的裂缝网络形成的沉积质量M2 + 50%。WC涂层会增加这个过程。

它遵循从这里高耐磨性的前面显示复合涂料是由于残留奥氏体的含量高。这样的一个结论是由许多文献中发现数据源的数据(2,4,7,8]。耐磨性是另一因素复合碳化物粒子的大小分布。除了残留奥氏体,还有另一个重要因素,确定高速钢的耐磨性等起源、碳化物的数量、分布的特点和大小(8- - - - - -10]。它是已知的11),更高的铸造高速钢的耐磨性比锻高速钢是由坚硬的共晶碳化物的存在形成框架γ固体边界的解决方案。硬质合金框架被发现更有效更好的耐磨性比孤立的碳化粗颗粒条件下磨料和氧化磨损。

防止磨损相对软矩阵的谷物,其中一个可能的解决方案是提供他们的强化细碳化物。文献搜索致力于WC-Co硬金属(12- - - - - -14)显示,当先后降低硬质合金从微-半微相大小,然后计算公司内容保持不变,我们减少了intercarbide粘合剂层,同时增加硬度。耐磨性生长在磨料和滑动磨损试验由于实现较小的硬质合金颗粒和薄intercarbide粘合剂层的服务进一步限制选择性粘合剂磨损和剥落的硬质合金颗粒(12,13]。

以这样一种方式,M2 + 20% WC涂层是最可取的浮出水面小齿轮轴的杂志,因为它显示了良好的耐磨性、硬度、表面裂纹,结构涂层的同质性和高的残留奥氏体数量减少的主要因素之一是循环的外部压力。

4所示。结论

(1)它建立了WC颗粒与高速钢M2粒子粉混合物在烧结粉蛋糕和因此形成₆C硬质合金。源的WC含量粉末混合物wt从10增加到40%。相应的20 - 25% WC内容vol.蛋糕。(2)如图所示,掺和wt 20 - 25%。WC在较高含量的铺装混合的结果₆5.9 C硬质合金中发现形式的共晶μ米和0.25μ米内的碳化物颗粒(多通道大小分布)除了VC 0.65μm碳化物和更高的奥氏体- 88%卷。(3)增加了WC含量源混合粉的作用是降低磨损率无论在测试使用的磨料颗粒类型(图8)。最密集的耐磨性增长wt观察WC含量20%。涂料。这两个相关机械应力应变救济马氏体转变在磨损试验和多通道大小分布的碳化物的影响。

承认

这项工作与国家财政支持的任务进行近红外光谱TPU。8.3664.2011。

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