可用于热作模具再制造的非晶纳米晶涂层技术


编者按
       通过扫描电镜、X射线衍射和DSC热分析试验等手段,考察了热喷涂非晶纳米晶涂层的组织结构、物相组成和相变点,并对其结合强度、高温硬度和磨粒磨损及冲蚀磨损性能进行测试。上述工作的通信作者为南昌大学机电工程学院赵容兵,博士、高级工程师。

       非晶态金属的原子排列没有长程有序,只是局域地保持一定的短程有序。因此,非晶态组织的结构在宏观层面是各向同性的,不存在晶态金属中常见的位错、晶界、相界等各类局部区域缺陷,使得非晶态金属的力学性能具有自己的独特性,即非晶态金属具有很高的强度和硬度,同时又具有极强的抗腐蚀性能。

       热作模具在使用中除了要求模体应有相当高的红硬性和韧性的适当配合外,其表面性能对模具随后的工作寿命极其关键。它们包括:抗氧化性能、耐磨损性能、抗疲劳性能等。这些性能的改进,简单地依靠基体材料的改变和优质材料的运用是困难的。

       目前,市面上的模具表面再制造强化处理技术,主要集中在化学热处理、气相沉积、激光热处理、稀土元素表面强化、堆焊和超音速火焰喷涂金属粉末等,而这些技术都会随着温度的升高,红硬性大大降低,其中堆焊还会引起模具的形状改变。通过热喷涂涂层,可以在报废热作模具表面很方便地穿上一件 “外套”,不仅提高其高温耐磨损性能,同时也能恢复已磨损尺寸。然而高温耐磨性能的关键是要获知涂层对应的高温硬度,鉴于以往的非晶纳米晶电弧喷涂层研究很少涉及其高温性能,作者采用电弧喷涂的方法,生成非晶纳米晶涂层,再测定涂层的组织特征、高温硬度及其耐磨性,并进行分析提出见解,为热作模具工业再制造提供表面处理的新选择。

实验材料与方法

       实验采用团队自行研制的Φ2.0mm非晶喷涂丝材作为试样表面涂层。试验使用高性能电弧喷涂设备;由场发射扫描电子显微镜和能谱仪观察金相;采用透射电子显微镜观察组织形貌和拍电子衍射照片;X射线衍射仪测定涂层的相结构。

       采用德国高温差示扫描量热仪进行涂层的热分析,采用氩气保护,由室温加热到750℃,实验中连续加热时选用的升温速率为20℃/min。

       将Φ25mm×50 mm的试样粘结在对偶棒体上,涂层与基体的结合强度采用万能材料试验机测试,取5个连续实验的平均值作为结合强度。采用高温维氏硬度计进行高温硬度读数,试验温度点分别为25、320、480和650℃。每个温度做3个试样,取平均值。采用湿式橡胶轮磨粒磨损试验机,先预磨500r,再磨1000 r。 以试验的平均值表征涂层的相对磨粒磨损性能。

       采用压力式喷砂机,空气压力为0.5MPa,冲蚀角为30°,冲蚀时间为20min,以试验的平均值表征涂层的相对冲蚀磨损性能。

       采用按相同尺寸的Q235钢作为试验参照样块,对比样块失重与喷涂件失重之比,并设定为相对耐磨/冲蚀性值。

实验结果与讨论

(1)非晶涂层的组织结构

图1:非晶涂层的SEM图

图2:非晶涂层的XRD图谱

       图1和图2分别为非晶涂层的SEM和XR图谱。 图1中上部是基体,下部是涂层,黑色部分是胶木粉。涂层中未发现晶界,这可以解释为喷涂层是以非晶态组织为主。 图2为非晶涂层 X 射线衍射图谱, 涂层除在45℃附近出现了尖锐的晶体峰以外,其它的衍射角区域皆为漫散射峰, 由此可以推断涂层中存在大量的非晶相。

图3:非晶涂层DSC图

       图3的DSC热分析表明了该热喷涂涂层在620℃到640℃之间出现放热峰,其峰值在624.23℃ ,即在低于该相变点涂层处于非晶相区域。

(2)非晶涂层的物理性能

图4:非晶涂层高温硬度曲线

       图4是在AKV高温硬度计上进行硬度测定的结果, 载荷分别为9.8N 和29.4N。可以看出,电弧喷涂涂层的起始硬度就很高,但随着温度增加,曲线逐渐平缓上升,到超过相变点附近,其高温硬度最好。

图5:TEM组织形貌和电子衍射照片

       图5(a)是涂层在常温的透射电镜组织和电子衍射图。从透射电镜组织照片可看出该相为多晶相,在标有“Nanophase ”区域可见明显的纳米粒子,无明显的晶粒存在的均匀区域是非晶相。左上角的电子衍射图除中心斑点外,外面还可见一亮环,在该环的周围还存在较暗的衍射环。由此可见,该相为非常细小的多晶相,其粒度可能只有几纳米。 这与TEM的观察是吻合的。 图5(b)为涂层在620℃退火1h后,随炉冷却后的透射电镜组织和电子衍射结果。当退火温度为620℃时, 图片中已经有相当明显的晶化现象存在,这与图3中DSC测试结果是一致的。

       根据图5的透射电镜观察和电子衍射分析,不难看出,非晶涂层随温度增加,纳米晶相增加,在相变点附近,纳米晶急剧增加,并成为主要组织。 非晶是由于组织无位错和无晶界/相界而缺少滑移系来强化的(但有点缺陷存在),这种强化约占材料理论强度的30%~35% ;纳米晶是靠因晶粒细小,晶界/相界剧增而产生小尺寸效应来强化的,这种强化约占理论强度的35%~50% 。

       该非晶涂层磨粒磨损及冲蚀磨损性能测试结果如下表所示,在相同的磨损条件下,非晶涂层相对耐磨性为Q235钢的22.34倍, 30°冲蚀磨损为Q235钢的6.33倍。

表:磨粒磨损及冲蚀磨损试验结果

       当冲蚀磨损进入稳定阶段,被测试样的磨损损耗与所使用的磨料量成正比关系。在相同的试验环境下,失重越大,表明被测试样抗冲蚀磨损性能越差。采用涂层试样与Q235钢试样的冲蚀磨损失重进行比较,可以得到一个便于衡量的相对耐磨性能指标。该研究涂层的非晶含量87.68% ,剩余的部分以奥氏体的形态出现,可以表现出极好地吸收塑性变形能量的能力,这也是大大提高涂层韧性的有力保障。所以该涂层的硬度越高,其抗冲蚀性就愈好,而且综合性能良好。

结论

       (1)非晶纳米晶涂层技术制备的涂层结合强度为62.54MPa ,与基体有很强的结合力。

       (2)非晶纳米晶涂层技术制备的涂层常温硬度大于1050 HV , 620℃高温硬度高达1250 HV ,呈现出极高的高温硬度。

       (3)非晶纳米晶涂层磨粒磨损及冲蚀磨损性能测试结果表明,非晶纳米晶涂层相对耐磨性为 Q235钢的 22.34 倍,30°冲蚀磨损为Q235钢的6.33倍。

来源:铸造技术 2017年6月 第38卷 第6期 赵容兵,闫洪,段智《可用于热作模具再制造的非晶纳米晶涂层技术》




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