原位合成碳化钨颗粒增强铁基熔敷层的组织和性能

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磨损是零件失效的一种常见方式,决定着机械的使用寿命,因为磨损损耗造成了大量能源和材料的浪费。碳化钨(WC)具有高硬度、高熔点、高弹性模量、高抗压强度等特性,常用作耐磨材料的增强相。本文利用钨极氩弧(TIG)和激光熔敷技术在Q235钢板上原位合成WC颗粒增强铁基耐磨层;以此为基础以煤矿链板耐磨层的制备为应用背景,利用氩弧熔敷技术在一种材质为40Cr的链板上制备铁基耐磨层;利用扫描电镜、能谱仪、显微硬度仪以及摩擦磨损试验机等对熔敷层的组织和性能进行分析研究。  分别采用B4C和C作为碳源制备氩弧熔敷层,试验检测和热力学分析结果均表明,单质的C更容易和W反应得到WC颗粒。调节合金粉末的含碳量,发现当C和W的质量比为1∶8时WC颗粒生成量较多并且熔敷层质量优良,硬度随WC颗粒数目增加而增大。采取200℃预热处理能明显提高熔敷层质量,减少裂纹气孔等缺陷。利用球磨混合粉末能够提高WC颗粒的生成量,且细化颗粒。采用热红外热成像实时监控熔池温度并分析熔池各区域组织特征,结果发现熔敷层中部区域热量集中更容易得到单相的WC颗粒。在基体40Cr上采用成分过渡设计方案制备颗粒增强的熔敷层,结果发现以钨的碳化物为增强相的熔敷层不仅拥有较好的熔敷层质量,而且平均硬度高达976 HV。以钨铬碳化物混合相以及铬的碳化物为增强相的熔敷层均未能达到使用要求。  利用氩弧熔敷中C比W质量比为1∶8成分的粉末制备激光熔敷层,结果发现熔敷层内出现了Fe3W3C、W2C、WC等相,但是WC相比例明显减少,枝晶相比例升高,熔敷层的硬度也降低至857 HV。根据WC形核原理分析优化激光熔敷参数和改良粉末成分。试验表明:仅改变激光熔敷功率对WC颗粒生成量影响不明显。采用小颗粒的钨粉,缩短了C扩散进入W内部的距离,熔敷层内生成细小的近似六边形的WC颗粒,同时熔敷层硬度提高至921 HV。当预置粉末中Cr元素的质量提高至7%时,熔敷层内生成一种新的硬质相(FeCrW4)xC,相应的熔敷层的硬度为887 HV。  改变磨损的时间、载荷测量熔敷层的磨损性能。当时间为30min,载荷1500N时,熔敷层的耐磨性最高为基体Q235的602倍,具备优异的耐磨性能。分析熔敷层组织对耐磨性的影响,结果发现枝晶组织和WC颗粒组织的熔敷层磨损机制主要是轻微的磨粒磨损,而枝晶和WC共存的熔敷层的磨损机制为磨粒磨损和疲劳磨损。
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