CN108165976A - 一种激光熔覆Co基WC涂层 - Google Patents

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Abstract

一种激光熔覆Co基WC涂层，采用半导体激光器在其表面激光熔覆Co基WC复合粉末。激光熔覆后涂层的显微硬度和高温磨损性能在很大程度上得到了提高。该涂层主要组成相为过饱和固溶体Co，硬质相CoCx、Fe3W3C、（Cr,Fe）23C6等。涂层在600℃高温磨损过程中，一方面，硬度相对较低的富Co区先磨损，使硬度较高的碳化物硬质相凸显出表面，阻止了对磨材料的磨损作用；另一方面，Co、Cr元素在高温摩擦过程中促进了具有润滑作用的氧化膜CoO、CoO·Cr2O3的形成，使摩擦系数降低，从而使得熔覆层的高温耐磨性提高了2倍左右。熔覆层高温磨损机制主要以磨粒磨损和粘着磨损为主。

Description

一种激光熔覆Co基WC涂层
所属技术领域
本发明涉及一种表面涂覆材料，尤其涉及一种激光熔覆Co基WC涂层。
背景技术
热锻模是一种重要的金属成型工具，广泛应用于机械、汽车等领域。在使用过程中，由于热锻模承受反复的机械和热载荷，模腔表面温度可以达到500℃以上，容易产生热疲劳裂纹、高温氧化、高温磨损等局部位置失效，局部位置的失效经常导致整幅模具的报废。而高温磨损是热锻模具的重要失效形式，改善模具高温磨损性能是提高其使用寿命的关键。
激光表面强化技术作为先进的表面工程技术，近年来被广泛应用在表面强化和再制造上，其中包括激光淬火、激光合金化和激光熔覆等技术。激光熔覆可以根据工况条件，设计各种熔覆材料包括金属或非金属、陶瓷粉末等，由于快速的熔化和冷却过程，可以获得均匀细小的涂层组织，且熔覆层与基体呈冶金结合。采用激光熔覆铁基、镍基、钴基等合金粉末的方法对热锻模具钢进行强化，可使得到的熔覆层耐磨性显著提高。
发明内容
本发明的目的是为了改善热锻模的硬度、耐磨性，设计了一种激光熔覆Co基WC涂层。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
激光熔覆Co基WC涂层的制备原料包括：基体材料为H13钢，其热处理状态为锻态，试样尺寸为80mm×50mm×30mm，实验前将H13基体表面抛光并用丙酮清洗。激光熔覆材料采用自制的Co基合金粉末和WC粉末，以9∶1的比例机械混合。Co基合金粉末的粒度范围为45-109μm，主要元素是Co、C、Si、Cr、W、Mo等。
激光熔覆Co基WC涂层的制备步骤为：采用LDF400-2000型光纤耦合大功率半导体激光器，其输出波长为900-1030nm，最大输出功率2kW；运动装置采用IRB2400/16型六自由度机器人；送粉装置采用具有闭环反馈流量控制的同轴送粉装置。优化后的工艺参数为：激光功率密度5.10W/cm2，扫描速度16mm/s，送粉率13.2g/min，采用多道搭接，搭接率为40%，试验过程用氩气保护。
激光熔覆Co基WC涂层的检测步骤为：熔覆后的试样经过线切割、镶嵌、打磨、抛光后，采用X Pert PRO型X射线衍射仪(XRD)分析熔覆层表面组成相；利用JSM-5610LV型扫描电镜电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)进行熔覆层横截面的组织形貌及成分分析；采用HDX-1000数字式显微硬度计在载荷200g、加载时间10s的条件下测试熔覆层的显微硬度；采用HT-600型高温摩擦磨损试验机测试基体和熔覆层分别在常温、600℃下的磨损性能，对磨材料为GCr15钢，转速448r/min，磨损时间1h，可自动检测试验即时温度、摩擦系数等数据并进行即时图形显示和数据储存。采用精度为0.1mg的电子天平称取摩擦前后试样的重量，从而得到失重量，以作为分析磨损性能的一个重要指标。
所述的激光熔覆Co基WC涂层，在H13基体表面激光熔覆Co基/WC复合粉末，获得了与基体呈冶金结合的熔覆层。熔覆层没有裂纹、气孔、夹杂物和偏析等缺陷存在，与基体结合良好，其主要组成相为Co、CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6。
所述的激光熔覆Co基WC涂层，依靠涂层中硬度高和韧性好的增强相CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6及磨损过程中CoO、CoO·Cr2O3等氧化物的作用，涂层的室温/高温耐磨性能都高于基体2倍左右。
所述的激光熔覆Co基WC涂层，常温时，熔覆层的磨损机理是轻微的磨粒磨损和氧化磨损；600℃时，熔覆层磨损表面发生轻微的磨粒磨损和粘着磨损，覆层在600℃时的耐磨性能高于常温耐磨性。
本发明的有益效果是：
根据H13钢在600℃高温下的使用要求，采用自制的Co基合金粉末与WC的复合粉末作为熔覆材料，利用半导体激光器进行激光熔覆，获得含有碳化物硬质相的强化层，熔覆层的高温耐磨性提高了2倍左右。
具体实施方式
实施案例1：
激光熔覆Co基WC涂层的制备原料包括：基体材料为H13钢，其热处理状态为锻态，试样尺寸为80mm×50mm×30mm，实验前将H13基体表面抛光并用丙酮清洗。激光熔覆材料采用自制的Co基合金粉末和WC粉末，以9∶1的比例机械混合。Co基合金粉末的粒度范围为45-109μm，主要元素是Co、C、Si、Cr、W、Mo等。激光熔覆Co基WC涂层的制备步骤为：采用LDF400-2000型光纤耦合大功率半导体激光器，其输出波长为900-1030nm，最大输出功率2kW；运动装置采用IRB2400/16型六自由度机器人；送粉装置采用具有闭环反馈流量控制的同轴送粉装置。优化后的工艺参数为：激光功率密度5.10W/cm2，扫描速度16mm/s，送粉率13.2g/min，采用多道搭接，搭接率为40%，试验过程用氩气保护。激光熔覆Co基WC涂层的检测步骤为：熔覆后的试样经过线切割、镶嵌、打磨、抛光后，采用X Pert PRO型X射线衍射仪(XRD)分析熔覆层表面组成相；利用JSM-5610LV型扫描电镜电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)进行熔覆层横截面的组织形貌及成分分析；采用HDX-1000数字式显微硬度计在载荷200g、加载时间10s的条件下测试熔覆层的显微硬度；采用HT-600型高温摩擦磨损试验机测试基体和熔覆层分别在常温、600℃下的磨损性能，对磨材料为GCr15钢，转速448r/min，磨损时间1h，可自动检测试验即时温度、摩擦系数等数据并进行即时图形显示和数据储存。采用精度为0.1mg的电子天平称取摩擦前后试样的重量，从而得到失重量，以作为分析磨损性能的一个重要指标。
实施案例2：
熔覆层从上到下可分为熔覆层、热影响区和基体。激光熔覆过程中极快的加热速度和冷却速度，得到的熔覆层没有裂纹、气孔、夹杂物和偏析等缺陷存在，与基体结合良好。靠近熔覆层底部，由于温度梯度大，凝固速率小，底部呈平面晶生长，继之形成树枝晶，逐步发展成胞状晶，继而在接近熔覆层上部处，温度梯度趋近于零，以及受表面空气对流冷却等因素的影响，表面处组织较杂乱，柱状晶周围分布着网状组织。熔覆层的相组成为固溶体Co、CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6碳化物，其中枝晶主要由CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6碳化物组成，而枝晶间主要是固溶体Co，起到了粘结相的作用，可见熔覆层结构致密，且熔覆层与基体结合良好，很难清晰分辨界面。当WC加入Co基合金中，加入的WC颗粒已全部溶解并溶于Co基熔体中，溶质W和C造成Co晶格畸变应力，导致应力各向异性，影响了Co固溶度增加，由于C较溶质W对Co的应力各向异性影响更强烈，硬质合金Co基以主要以CoCx存在。
实施案例3：
采用HDX-1000型数字显微硬度计对激光熔覆后的强化层进行显微硬度测试，表面及以下1000μm区域内属于激光强化区，离表面900μm处达到了最高硬度，这主要是由于WC的加入生成的碳化物硬质相的质量密度大于相对较软的Co固溶体，所以碳化物有沉底的现象，所以熔覆层的最高硬度不在熔覆层的表面。熔覆层最高硬度达520HV0.2，熔覆层的平均硬度达430HV0.2，而基体硬度为250HV0.2左右，熔覆层硬度提高了2倍左右。这主要是由于激光强化作用形成了CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6等硬质相，弥散分布在涂层中，起到了弥散强化作用；另外，激光快速加热和快速冷却的过程抑制了晶粒长大，细化了晶粒，强化了细晶，二者共同作用提高了涂层的硬度。
实施案例4：
为了对比H13基体和熔覆层的常温、高温耐磨性，对H13基体和熔覆层分别做了常温和600℃的摩擦磨损试验。干滑动磨损条件下，熔覆层的摩擦系数皆低于H13基体的摩擦系数。由于熔覆层分布有大量的CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6等硬质相，可以有效地降低其与摩擦副之间的粘着倾向，从而导致涂层的摩擦系数较H13基体的摩擦系数低。而在高温条件下，由于试样表面形成的氧化膜面积增大，将有利于降低试样的摩擦系数，因此熔覆层与H13基体的摩擦系数均随着温度的升高而减小。H13基体的摩擦系数随着时间的变化摩擦系数曲线逐渐升高，这主要是由于随着试验的进行，试验产生的摩擦热增多，H13基体表面温度升高氧化严重，而H13基体支撑氧化物能力差，氧化膜易剥落，导致表面氧化物疲劳剥落面积大，对磨材料不仅与H13基体磨损，而且还与这些剥落的氧化物磨损而导致摩擦系数增大。H13基体在磨损时表面生成了氧化膜。然而由于氧化膜不连续且界面结合强度低，氧化膜在反复磨损剪切过程中易脱落，磨损机理主要是粘着磨损和氧化磨损。涂层的磨痕较窄，表面存在由于硬质颗粒磨损作用而形成的较浅的犁沟，相比H13基体，涂层的磨损表面较光滑，除了部分氧化膜发生破裂和脱落，未发现明显的粘着痕迹，磨损机理主要是轻微的磨粒磨损和氧化磨损。其原因是：涂层中碳化物CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6的抗磨作用及Co基固溶体支撑增韧的作用，使得涂层产生粘着磨损和塑性变形的倾向减小。涂层的组织细小均匀，使得涂层以优良的强、韧性结合，防止涂层在磨损过程中产生开裂和剥落。
实施案例5：
高温条件下H13基体的力学性能显著降低，H13基体磨损表面发生严重的脆性断裂和塑性变形，甚至出现少量的裂纹；磨痕的氧含量增加，磨损表面发生了严重的氧化。因此，H13基体在600℃时的磨损机理主要为严重的氧化磨损、脆性断裂和塑性变形，磨损率大。熔覆层的磨损表面未出现明显的剥落现象，这是由于涂层中含有韧性的Co基固溶体有效地阻止或减轻了裂纹的萌生及扩展。一方面，硬度相对较低的富Co区先与对磨材料磨损，使硬度较高的耐高温的碳化物硬质相凸显出表面，阻止了对磨材料的磨损作用；另一方面，Co、Cr元素在高温摩擦过程中促进了具有润滑作用的氧化膜CoO、CoO·Cr2O3的形成，使摩擦系数降低，从而提高了熔覆层的高温耐磨性。
实施案例6：
涂层在600℃时的磨损表面比常温时光滑。一方面是由于涂层在高温下软化延展性增强，使得摩擦副接触点之间的作用增强，同时温度的升高，界面扩散作用加剧，硬质增强颗粒均匀弥散分布于涂层上部，使得涂层的机械强度有所提高，因此在涂层与对磨材料之间产生了摩擦抛光作用或通过界面扩散实现硬质相再分布使其轮廓变得光滑，从而增加涂层的结合强度，有效地降低了粘着磨损的产生；另一方面，涂层在高温下产生了更加连续均匀的氧化膜，对涂层起到了保护的作用，产生了减磨抗磨的效果。因此，涂层在600℃时的耐磨性高于室温，其磨损机理主要表现为轻微的磨粒磨损和粘着磨损。常温和高温下熔覆层的失重量都低于基体，高温下熔覆层的失重量是基体的1/3倍，而常温下熔覆层的失重量明显高于高温下的。一方面是由于高温下熔覆层的严重氧化，而常温下形成的氧化物易脱落，所以高温下的氧化物增加了重量；另一方面是高温下的熔覆层更好的发挥了其耐磨性。

Claims (4)

1.一种激光熔覆Co基WC涂层，制备原料包括：基体材料为H13钢，其热处理状态为锻态，试样尺寸为80mm×50mm×30mm，实验前将H13基体表面抛光并用丙酮清洗，激光熔覆材料采用自制的Co基合金粉末和WC粉末，以9∶1的比例机械混合，Co基合金粉末的粒度范围为45-109μm，主要元素是Co、C、Si、Cr、W、Mo等。
2.根据权利要求1所述的激光熔覆Co基WC涂层，其特征是激光熔覆Co基WC涂层的制备步骤为：采用LDF400-2000型光纤耦合大功率半导体激光器，其输出波长为900-1030nm，最大输出功率2kW；运动装置采用IRB2400/16型六自由度机器人；送粉装置采用具有闭环反馈流量控制的同轴送粉装置，优化后的工艺参数为：激光功率密度5.10W/cm2，扫描速度16mm/s，送粉率13.2g/min，采用多道搭接，搭接率为40%，试验过程用氩气保护。
3.根据权利要求1所述的激光熔覆Co基WC涂层，其特征是激光熔覆Co基WC涂层的检测步骤为：熔覆后的试样经过线切割、镶嵌、打磨、抛光后，采用X Pert PRO型X射线衍射仪(XRD)分析熔覆层表面组成相；利用JSM-5610LV型扫描电镜电子显微镜(SEM)及能谱仪(EDS)进行熔覆层横截面的组织形貌及成分分析；采用HDX-1000数字式显微硬度计在载荷200g、加载时间10s的条件下测试熔覆层的显微硬度；采用HT-600型高温摩擦磨损试验机测试基体和熔覆层分别在常温、600℃下的磨损性能，对磨材料为GCr15钢，转速448r/min，磨损时间1h，可自动检测试验即时温度、摩擦系数等数据并进行即时图形显示和数据储存，采用精度为0.1mg的电子天平称取摩擦前后试样的重量，从而得到失重量，以作为分析磨损性能的一个重要指标。
4.根据权利要求1所述的激光熔覆Co基WC涂层，其特征是所述的激光熔覆Co基WC涂层，在H13基体表面激光熔覆Co基/WC复合粉末，获得了与基体呈冶金结合的熔覆层，熔覆层没有裂纹、气孔、夹杂物和偏析等缺陷存在，与基体结合良好，其主要组成相为Co、CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6，所述的激光熔覆Co基WC涂层，依靠涂层中硬度高和韧性好的增强相CoCx、Fe3W3C、(Cr,Fe)23C6及磨损过程中CoO、CoO·Cr2O3等氧化物的作用，涂层的室温/高温耐磨性能都高于基体2倍左右，所述的激光熔覆Co基WC涂层，常温时，熔覆层的磨损机理是轻微的磨粒磨损和氧化磨损；600℃时，熔覆层磨损表面发生轻微的磨粒磨损和粘着磨损，覆层在600℃时的耐磨性能高于常温耐磨性。
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