H13模具钢等离子熔覆WC/Ni基复合涂层研究

彭竹琴， 李俊魁， 齐振东， 卢金斌， 席艳君

(中原工学院， 郑州 450007)

H13模具钢等离子熔覆WC/Ni基复合涂层研究

彭竹琴， 李俊魁， 齐振东， 卢金斌， 席艳君

(中原工学院， 郑州 450007)

以Ni60+35%WC合金粉末为原料，采用等离子熔覆技术，在H13模具钢基体上熔覆WC/Ni基复合涂层。借助SEM、XRD分析涂层的显微组织；利用显微硬度计测试涂层的显微硬度；通过环-块磨损实验在MM-200磨损试验机上评估涂层的耐磨性能；采用线性极化法研究涂层在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能。结果表明：涂层组织均匀细小，主要由γ-(Ni,Fe)树枝晶以及枝晶间的γ-(Ni,Fe)与Cr23C6、Fe3W3C形成的共晶结构组成，在涂层底部分布有WC增强相；涂层的显微硬度可达590～650 HV0.3；在室温干滑动磨损条件下，涂层的耐滑动磨损性与基体相比提高了1倍以上。在3.5% NaCl溶液中，涂层的耐腐蚀性能优于H13钢基体。H13钢经等离子熔覆WC/Ni基复合涂层后耐磨性能、耐蚀性能得到提高，可用于H13钢制模具的表面磨损修复。

等离子熔覆；H13模具钢；显微组织；耐磨性；耐蚀性

H13钢(4Cr5MoSiV1)是一种具有较好的热强性和红硬性、较高的韧性和抗热疲劳性能的空冷硬化模具钢，常用于制造铝合金的热挤压模和压铸模以及塑料模、压力机锻模等[1-2]。热作模具在使用过程中因承受高应力、热作用和侵蚀等，模具表面经常出现磨损或疲劳裂纹等缺陷，而模具制造成本较高，因此对缺陷模具进行修复可以降低成本。对贵重以及形状复杂的模具进行失效修复，激光熔覆具有较大的优势[3-5]。范氏红娥等[6]在H13钢表面激光熔覆制备了TiC/Co 基合金修复层，并研究了其显微组织与力学性能；张伟等[7]在H13钢表面激光熔覆了WC颗粒增强的Ni基合金涂层，大幅提高了模具的寿命；姚爽等[8]在H13钢表面激光熔覆了原位自生TiC的增强复合涂层，发现Ti含量对涂层耐磨性有较大的影响。徐卫仙等[9]在H13钢表面激光熔覆了WC增强的Co基合金涂层，大幅提高了显微硬度和高温磨损性能。但激光设备价格昂贵、维护成本高，限制了在实际生产中的推广应用，而等离子设备价格低廉、处理成本低，使用起来更灵活方便，在实际生产中可得到广泛应用。费丽爽、卢金斌、赵龙等[10-12]采用等离子技术分别在718H模具钢、Q235钢和Q345钢表面熔覆了铁基合金，制备了冶金结合涂层，提高了表面硬度；潘成刚等[13]在W6Mo5Cr4V2模具钢表面采用等离子技术熔覆了添加不同SiC比例的Ni基合金涂层，通过优化SiC含量，提高了显微硬度。但有关在H13钢表面采用等离子技术熔覆添加WC的镍基合金涂层研究的较少。本文利用等离子熔覆技术在H13模具钢表面制备WC/Ni基复合涂层，并对涂层的组织结构、耐磨性能和耐蚀性能进行综合评价，为其在模具表面修复中的实际应用提供理论基础和实践指导。

1 实验材料及方法

实验基材为H13(4Cr5MoSiV1)热作模具钢，经淬火及回火处理，其组织为回火索氏体，硬度为320～340 HV0.3。熔覆粉末采用北京矿冶研究总院的Ni60+35%WC合金粉末，其化学成分如表1所示，粒度为140～320目。用自制黏结剂将粉末调成糊状，预置于试样表面，150 ℃烘干待用。

采用自制的等离子设备进行熔覆试验，试样作为阳极，等离子体炬作为阴极。单道熔覆，工艺参数为：工作电流130 A，扫描速度135 mm/min，用氩气作为保护气体及电离气体，保护气体流量1.0 m3/h，电离气体流量0.8 m3/h，喷嘴距工件表面距离10 mm。

垂直于涂层截取试样，在JSM-5610LV扫描电镜上观察分析涂层的组织。采用Philip PW1730/10 X射线衍射仪分析涂层中的物相组成。采用MH-6型显微硬度计测试涂层横截面的硬度，载荷2.94 N。在MM200 磨损试验机上对涂层和基体试样进行环块磨损试验，试样尺寸为20 mm×20 mm×5 mm，对磨试样为W18Cr4V，硬度为60～62 HRC。试验条件为：主轴转速200 r/min，载荷98 N，干摩擦时间6 h。用失重测量法评测耐磨性。

从涂层和基体上分别切取5 mm×5mm×10mm的试样，将5 mm × 5mm待测面打磨到5#金相砂纸，非工作面用环氧树脂封装。利用CHI660C电化学工作站进行线性极化测试，采用三电极体系进行测试，以饱和甘汞电极作为参比电极，铂电极作为辅助电极。预先测定样品在介质中的自腐蚀电位，待体系稳定后测定电化学曲线，扫描速度为1 mV/s。腐蚀介质为3.5% NaCl溶液，在室温下进行测量。

2 实验结果与分析

2.1 涂层显微组织

采用上述工艺参数在H13模具钢基体上制备了Ni60+35%WC复合涂层，涂层结构良好，无宏观气孔和裂纹等缺陷。从涂层的X射线衍射物相分析结果(见图1)可知，涂层主要由γ-(Ni，Fe)、Cr23C6、Fe3W3C等组成。同时可以看到，在2θ为44.38°、51.2°处的衍射峰宽化现象明显。分析认为，在等离子熔覆过程中，熔池快速冷却，γ-(Ni，Fe)中固溶了大量的Fe、W、C、Cr、Si等合金元素形成过饱和固溶体，导致晶格畸变，此外，熔池快速冷却，使涂层中存在较大的残余应力，从而导致衍射峰变宽。

图1 涂层的X射线衍射图

涂层的SEM组织如图2-图5所示。图2为涂层底部组织，涂层与基体界面附近分布有白色颗粒物(如A点)。从EDS分析结果可知，A点处为残留的WC颗粒，如表2所示。分析认为，WC因密度(15.63 g/cm3)较大，熔覆过程中沉积在涂层底部，并在其周围发生了元素互扩散和化学反应，甚至部分发生分解。从基体和涂层界面上方的灰白色树枝晶区(图2中B点)的EDS结果可知，此处为Fe3W3C，它是由于WC发生分解，W原子与熔池中的Fe、C等元素发生了反应形成的，这与X射线衍射分析结果一致。对涂层界面进行放大观察，界面处形成了平面晶及少量胞状晶，如图3所示。经EDS分析可知，图中C点 的Fe含量为40.25 wt%，明显高于熔覆粉末，这说明涂层与基体元素发生了扩散，二者形成了良好的冶金结合。C点的W含量为31.52 wt%，表面WC分解后进入了树枝晶，形成了固溶大量W、Si、Cr的γ-(Ni,Fe)。图4为涂层中部组织，可以看出涂层组织均匀、细小，主要呈枝晶生长特征。图5为放大后的组织，黑色的树枝晶为γ-(Ni,Fe)固溶体，在枝晶间分布有白色化合物(如D点所示)，结合成分分析(表2)，这可能为γ-(Ni,Fe)与Fe3W3C形成的非规则共晶组织。图5中枝晶间E点处的成分见表2，初步判断为Cr的碳化物Cr23C6、Fe3W3C及少量未分解的WC等与γ-(Ni,Fe)固溶体形成的共晶组织。

图2 涂层底部组织

图3 涂层与基体界面组织

图4 涂层中部组织

图5 树枝晶及枝晶间组织

表2 涂层不同位置的EDS分析结果 wt%

2.2 涂层耐磨性

涂层截面显微硬度分布曲线如图6所示。涂层硬度高达590～650 HV0.3，明显高于基体的硬度320～340 HV0.3，在界面处呈梯度分布，为涂层的耐磨性奠定了基础。涂层和基体试样的室温干滑动磨损试验结果如表3所示，涂层试样的失重约是基体的41.4%，表明涂层的耐滑动磨损性能与基体相比提高1倍以上。

Ni60+35%WC复合涂层的耐磨性优于基体，主要是由于熔池快速冷却产生的固溶强化和细晶强化作用，使涂层具有良好的强韧性。在磨损过程中，固溶和细晶对涂层中的高硬度相Cr23C6、WC起到了强有力的支撑和连接作用。界面处H13钢马氏体与涂层起到了很好的过渡作用，使界面处硬度呈梯度下降，缓和了涂层和基体之间的应力。

图6 熔覆层显微硬度分布曲线

表3 磨损试验结果 g

2.3 涂层的耐蚀性

在3.5%NaCl溶液腐蚀介质中将H13钢基体和涂层试样进行极化，其塔菲尔曲线如图7所示。在评价活性溶解材料的耐蚀能力时，首要的参数是腐蚀电流(icorr)。腐蚀电流越小，材料的耐蚀性能越好，这是因为腐蚀电流是由材料的溶解所造成的。只有当两种材料的腐蚀电流大体相同时，腐蚀电位才是一个需要考虑的参数，腐蚀电位越高，材料的耐蚀性能越好。从基体和涂层试样的极化曲线可以看出：两者的腐蚀电流大体相同，涂层的腐蚀电位由原来基体的-0.50 V正移至-0.38 V，正移了约120 mV，从腐蚀电位考虑，涂层的耐蚀性优于基体。阳极极化曲线显示，涂层和基体的击破电位分别约为-0.17 V和-0.30 V，涂层的击破电位高于基体，说明涂层的钝化状态比基体相对稳定，耐蚀性要好一些。过钝化曲线表明，随着极化电位的正移，基体的阳极溶解电流高于涂层，即涂层的耐蚀性比基体好。上述情况说明，在该腐蚀体系下H13钢表面等离子熔覆WC/Ni基复合涂层的耐蚀性能优于基体。其主要原因是γ-Ni固溶体中固溶了大量的Cr、Si元素，提高了涂层中固溶体的电极电位。

图7 基体和熔覆层塔菲尔曲线

3 结 语

(1)利用等离子熔覆技术，选择优化后的工艺参数，在H13模具钢基体上熔覆WC/Ni基合金粉末制备耐磨耐蚀复合涂层，涂层结构良好，无裂纹、气孔等缺陷。

(2)涂层组织均匀细小，基本呈枝晶生长特征，主要由固溶Cr、Si元素的γ-(Ni,Fe)树枝晶、枝晶间的Cr23C6、Fe3W3C及少量沉积在涂层底部的WC组成。

(3)涂层的显微硬度为590～650HV0.3，明显高于H13钢基体的硬度320～340 HV0.3。在室温干滑动磨损条件下，涂层的失重仅为基体的41.4%，涂层的耐滑动磨损性能提高1倍以上。在3.5%NaCl溶液中，涂层的耐腐蚀性能优于H13钢基体。

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(责任编辑：席艳君)

Study on Microstructure and Properties of WC/Ni Composite Coating Prepared by Plasma Cladding on H13 Die Steel

PENG Zhu-qin, LI Jun-kui, QI Zhen-dong, LU Jin-bin, XI Yan-jun

(Zhongyuan University of Technology, Zhengzhou 450007, China )

To study the microstructure and properties of WC/Ni composite coating, by plasma cladding technology, a WC/Ni composite coating is prepared on H13 die steel. The microstructure of the composite coating is analyzed by scanning electron microscope (SEM), X-ray diffraction (XRD).The microhardness, are resistance performance, and corrosion resistance of the coating is tested by microhardness tester,a MM-200 block-on-wheel sliding wear tester, and by linear polarization respectively. The experimental results indicate that the microstructure of the coating is mainly consisted of γ-(Ni,Fe), Cr23C6, Fe3W3C. The microhardness of the coating varies from 590 to 650HV0.3,and the wear resistance of the coating is increased more than 1 times compared with substrate. The corrosion resistance test demonstrates that the corrosion resistance of the coating is better than substrate in 3.5% NaCl solution. The wear resistance and the corrosion resistance of WC/Ni composite coating is enhanced greatly and it would be used to repair the surface of H13 steel die.

plasma cladding； H13 die steel； microstructure； wear resistance； corrosion resistance

2015-09-06

河南省科技发展计划项目(122102210504)；郑州市科技攻关项目(131PPTGG416-2)

彭竹琴(1964-)，女，河南灵宝人，副教授，硕士，主要研究方向为金属材料及表面工程。

1671-6906(2015)06-0048-05

TG178

A

10.3969/j.issn.1671-6906.2015.06.011