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H13钢表面激光熔覆TiC/Co基涂层及其高温磨损性能研究

作　者: Pham Thi Hong Nga（范氏红娥）
导　师: 蒋业华
学　校: 昆明理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 激光熔覆 H13热作模具钢 TiC/Co基复合合金 高温磨损 原位自生
分类号: TG174.4
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


H13钢是国际上广泛使用的热作模具钢,但其经淬火和回火后的硬度不足,加上恶劣的工作环境,在使用过程中表面常会因热磨损和热疲劳而失效,从而使模具报废,严重影响了生产效率。激光熔覆作为一种新兴的表面改性技术,与传统表面改性技术相比,具有冷却速度快、涂层稀释率低、可选区熔覆以及易于实现自动化等突出特点,在大型贵重设备失效部位的表面修复中具有潜在优势。Co基自熔性合金及TiC具有良好的高温强度和耐磨性、但激光熔覆纯TiC粉末存在易开裂、成型性差等缺点,而Co基合金在熔化时具有很好的润湿性,有利于获得致密性好和光滑平整的熔覆层。故选择TiC/Co基混合粉末可获得质量很好的熔覆层,且涂层具有良好抗高温氧化和耐磨等性能。为改善H13热作模具钢表面的热磨损性能,采用预置粉末激光熔覆技术在其表面制备了Co50合金涂层和不同TiC含量的TiC/Co50复合涂层(10%TiC+Co50.20%TiC+Ci50和30%TiC+Co50).借助XRD、OM和SEM对比分析了涂层与基材的结合特征、涂层的物相组成和截面显微组织形貌；通过显微硬度计和高温摩擦磨损试验机测试了涂层截面的显微硬度分布和不同温度下的摩擦磨损性能。重点研究了复合涂层中TiC的形态特征和生长机制对其显微硬度和高温摩擦磨损性能的影响规律。结果表明：(1)Co50合金涂层和粉末预置层TiC含量小于等于20%(wt.%)时的TiC/Co基复合涂层均与H13钢基材呈良好冶金结合,而TiC含量大于20%时复合涂层与基材未能实现较好的结合,说明激光熔覆技术在模具修复领域具有可行性。Co50合金涂层主要由初生γ-Co枝晶及其间的共晶组织组成,而TiC/Co基复合涂层主要由TiC颗粒、枝晶及细小的共晶组织组成。(2)Co50涂层主要由γ-Co固溶体和Cr1.12Ni2.88相组成,但随着预置层粉末TiC含量的增加,TiC/Co基复合涂层中基体相种类减少。10%TiC+Co50复合涂层的基体相由TiCo3、Cr2Ni3和Cr-Ni-Fe-C组成,20%TiC+Co50复合涂层的基体相由Cr2Ni3和γ-Co组成,而30%TiC+Co50复合涂层的基体相为)γ-Co固溶体。(3)TiC/Co基复合涂层中的TiC主要源于两部分,一是混合粉末中原有的TiC,二是TiC分解后在后续凝固过程中原位自生的TiC。其中,原位自生TiC是由于TiC含量较少时,预置层粉末中部分TiC颗粒分解出Ti和C,同时重新析出所造成,且原位自生的TiC表现出多种形态。另外,预置粉末层TiC含量对复合涂层中的TiC形态有较大影响,且涂层不同区域的TiC形貌也有所区别。10%TiC+Co50复合涂层中原位自生的TiC以细小颗粒、沉淀析出,呈多边形和花瓣状,而从涂层底部向上,TiC花瓣状数量不断增多、粒径愈来愈大。20%TiC+Co50复合涂层中原位自生的TiC主要为细小颗粒和发达树枝晶,而从涂层底部到表层,未全熔TiC粒径呈现明显的梯度变化。30%TiC+Co50复合涂层中未出现原位自生的TiC,且未全熔TiC粒径没有明显梯度变化。(4)经激光熔覆处理后,H13模具钢的截面显微硬度得到显著改善。Co50合金涂层和TiC/Co基复合涂层截面平均显微硬度明显高于H13钢,分别为499HV0.2、552HV0.2、590HV0.2和824HV0.2,各是H13钢基材显微硬度(208HV0.2)的2.4倍、2.7倍、2.8倍和4.0倍。其中,添加TiC陶瓷颗粒与未添加TiC的激光熔覆层相比,复合涂层平均显微硬度提高53～325HV0.2,且随着预置层中TiC含量的增加,TiC/Co50复合涂层的截面平均显微硬度呈上升趋势,最高可达824HV0.2,约为基材的4倍。(5)随着载荷的增大,Co50涂层和H13钢的摩擦系数呈递减趋势。随着滑动速度的增大,Co50涂层和H13钢的摩擦系数均表现出先减小后增大的趋势。H13钢髓着滑动速度的增加,磨损率呈先增高后减小的趋势,在滑动速度为200r·min-1时,磨损率达到最大值；而Co50涂层磨损率呈先增大后减小的趋势。温度对Co50涂层的摩擦系数有较大的影响,在室温、200℃和700℃,摩擦副具有较大的摩擦系数；而温度对20%TiC+Co50涂层的摩擦系数影响较小,摩擦系数比较平稳。(6)20%TiC+Co50复合涂层的高温耐磨性比H13钢、C050合金涂层和10%TiC+Co50复合涂层显著提高,摩擦系数平稳。涂层在室温下的磨损机理主要为脆性剥落,粘着磨损和犁削；而在700℃时复合涂层表面存在大量氧化物,磨损机制主要为氧化磨损和疲劳磨损。因此,与H13钢基材相比,20%TiC+Co50复合涂层具有良好的综合性能,显微硬度和高温耐磨性均得到明显改善。

全文目录


摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章 绪论  11-37
  1.1 H13热作模具钢综述  11-17
    1.1.1 模具行业概况  11
    1.1.2 热作模具钢的失效形式  11-14
    1.1.3 H13钢的失效形式  14-17
  1.2 模具表面强化与修复  17-21
    1.2.1 模具表面改性方法  17-18
    1.2.2 模具激光表面改性  18-21
  1.3 激光熔覆技术理论及实践意义  21-28
    1.3.1 激光熔覆原理和特点  21-22
    1.3.2 激光熔覆粉末材料体系  22-25
    1.3.3 熔覆粉末材料的供给方式  25-27
    1.3.4 激光熔覆的应用研究和发展方向  27-28
  1.4 激光熔覆碳化物/金属基复合涂层技术  28-32
    1.4.1 颗粒外加法  30-31
    1.4.2 颗粒原位自生法  31-32
  1.5 H13钢激光熔覆表面改性的研究现状  32-35
  1.6 课题来源及研究意义  35
  1.7 本课题主要内容  35-37
第二章 试验材料、方法及设备  37-43
  2.1 试验材料  37-38
    2.1.1 基体材料  37
    2.1.2 熔覆层粉末材料  37-38
  2.2 结构表征与显微硬度测试  38-39
    2.2.1 熔覆层宏观形貌与显微组织形貌  38
    2.2.2 熔覆层XRD物相分析  38
    2.2.3 熔覆层显微硬度  38-39
  2.3 高温摩擦磨损试验  39-43
    2.3.1 试验设备  39-40
    2.3.2 试验材料和方法  40-41
    2.3.3 数据采集分析系统  41-43
第三章 涂层设计及工艺方案  43-53
  3.1 涂层设计的理论依据  43-44
  3.2 Co基自熔性合金粉末和TiC粉末  44-49
  3.3 工艺方案  49-53
第四章 TiC/Co基复合涂层宏观形貌与显微组织结构  53-77
  4.1 不同激光熔覆工艺条件下涂层表面宏观形貌分析  53-62
    4.1.1 不同成分配比和激光工艺条件下涂层表面宏观形貌  53-58
    4.1.2 热影响区显微组织形貌和结合特征的分析  58-60
    4.1.3 激光熔覆层截面的几何形貌  60-61
    4.1.4 涂层XRD物相分析  61-62
  4.2 涂层显微组织分析  62-65
    4.2.1 Co基合金涂层  62-64
    4.2.2 TiC/Co基复合涂层  64-65
  4.3 TiC含量对TiC/Co基复合涂层的影响  65-68
    4.3.1 添加TiC对Co基合金涂层的影响  65-67
    4.3.2 TiC含量对TiC/Co基涂层与基材结合区形态的影响  67-68
  4.4 TiC/Co基涂层中TiC颗粒的形态特征与生长机制  68-76
    4.4.1 10%TiC+Co基复合涂层  68-72
    4.4.2 20%TiC+Co基复合涂层  72-75
    4.4.3 30%TiC+Co基复合涂层  75-76
  4.5 本章小结  76-77
第五章 熔覆层摩擦磨损性能分析  77-97
  5.1 涂层显微硬度分析  77-79
  5.2 载荷对摩擦磨损性能的影响  79-81
  5.3 滑动速度对摩擦磨损性能的影响  81-83
  5.4 温度对摩擦磨损性能的影响  83-89
    5.4.1 Co基合金涂层  83-85
    5.4.2 TiC/Co基复合涂层  85-89
  5.5 室温与高温摩擦磨损机理分析  89-95
    5.5.1 摩擦系数和磨损失重  89-91
    5.5.2 摩擦磨损形貌  91-93
    5.5.3 摩擦磨损表面XRD分析  93-94
    5.5.4 讨论  94-95
  5.6 本章小结  95-97
第六章 结论与展望  97-101
  6.1 全文总结及创新点  97-99
  6.2 展望  99-101
参考文献  101-109
致谢  109-111
附录 攻读博士学位期间发表的论文  111-114

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 金属学与热处理 > 金属腐蚀与保护、金属表面处理 > 腐蚀的控制与防护 > 金属表面防护技术
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