可用於熱作模具再製造的非晶納米晶塗層技術

來源 非晶中國

責編 葉知秋

圖片來源：非晶中國大資料庫圖庫

編者按

通過掃描電鏡、X射線衍射和DSC熱分析試驗等手段，考察了熱噴塗非晶納米晶塗層的組織結構、物相組成和相變點，並對其結合強度、高溫硬度和磨粒磨損及沖蝕磨損性能進行測試。上述工作的通信作者為南昌大學機電工程學院趙容兵，博士、高級工程師。

非晶態金屬的原子排列沒有長程有序，只是局域地保持一定的短程有序。因此，非晶態組織的結構在宏觀層面是各向同性的，不存在晶態金屬中常見的位錯、晶界、相界等各類局部區域缺陷，使得非晶態金屬的力學性能具有自己的獨特性，即非晶態金屬具有很高的強度和硬度，同時又具有極強的抗腐蝕性能。

熱作模具在使用中除了要求模體應有相當高的紅硬性和韌性的適當配合外，其表面性能對模具隨後的工作壽命極其關鍵。它們包括：抗氧化性能、耐磨損性能、抗疲勞性能等。這些性能的改進，簡單地依靠基體材料的改變和優質材料的運用是困難的。

目前，市面上的模具表面再製造強化處理技術，主要集中在化學熱處理、氣相沉積、激光熱處理、稀土元素表面強化、堆焊和超音速火焰噴塗金屬粉末等，而這些技術都會隨著溫度的升高，紅硬性大大降低，其中堆焊還會引起模具的形狀改變。通過熱噴塗塗層，可以在報廢熱作模具表面很方便地穿上一件 「外套」，不僅提高其高溫耐磨損性能，同時也能恢復已磨損尺寸。然而高溫耐磨性能的關鍵是要獲知塗層對應的高溫硬度，鑒於以往的非晶納米晶電弧噴塗層研究很少涉及其高溫性能，作者採用電弧噴塗的方法，生成非晶納米晶塗層，再測定塗層的組織特徵、高溫硬度及其耐磨性，並進行分析提出見解，為熱作模具工業再製造提供表面處理的新選擇。

實驗材料與方法

實驗採用團隊自行研製的Φ2.0mm非晶噴塗絲材作為試樣表面塗層。試驗使用高性能電弧噴塗設備；由場發射掃描電子顯微鏡和能譜儀觀察金相；採用透射電子顯微鏡觀察組織形貌和拍電子衍射照片；X射線衍射儀測定塗層的相結構。

採用德國高溫差示掃描量熱儀進行塗層的熱分析，採用氬氣保護，由室溫加熱到750℃，實驗中連續加熱時選用的升溫速率為20℃/min。

將Φ25mm×50 mm的試樣粘結在對偶棒體上，塗層與基體的結合強度採用萬能材料試驗機測試，取5個連續實驗的平均值作為結合強度。採用高溫維氏硬度計進行高溫硬度讀數，試驗溫度點分別為25、320、480和650℃。每個溫度做3個試樣，取平均值。採用濕式橡膠輪磨粒磨損試驗機，先預磨500r，再磨1000 r。 以試驗的平均值表徵塗層的相對磨粒磨損性能。

採用壓力式噴砂機，空氣壓力為0.5MPa，沖蝕角為30°，沖蝕時間為20min，以試驗的平均值表徵塗層的相對沖蝕磨損性能。

採用按相同尺寸的Q235鋼作為試驗參照樣塊，對比樣塊失重與噴塗件失重之比，並設定為相對耐磨/沖蝕性值。

實驗結果與討論

（1）非晶塗層的組織結構

圖1：非晶塗層的SEM圖

圖2：非晶塗層的XRD圖譜

圖1和圖2分別為非晶塗層的SEM和XR圖譜。 圖1中上部是基體，下部是塗層，黑色部分是膠木粉。塗層中未發現晶界，這可以解釋為噴塗層是以非晶態組織為主。 圖2為非晶塗層 X 射線衍射圖譜， 塗層除在45℃附近出現了尖銳的晶體峰以外，其它的衍射角區域皆為漫散射峰， 由此可以推斷塗層中存在大量的非晶相。

圖3：非晶塗層DSC圖

圖3的DSC熱分析表明了該熱噴塗塗層在620℃到640℃之間出現放熱峰，其峰值在624.23℃ ，即在低於該相變點塗層處於非晶相區域。

（2）非晶塗層的物理性能

圖4：非晶塗層高溫硬度曲線

圖4是在AKV高溫硬度計上進行硬度測定的結果， 載荷分別為9.8N 和29.4N。可以看出，電弧噴塗塗層的起始硬度就很高，但隨著溫度增加，曲線逐漸平緩上升，到超過相變點附近，其高溫硬度最好。

圖5：TEM組織形貌和電子衍射照片

圖5(a)是塗層在常溫的透射電鏡組織和電子衍射圖。從透射電鏡組織照片可看出該相為多晶相，在標有「Nanophase 」區域可見明顯的納米粒子，無明顯的晶粒存在的均勻區域是非晶相。左上角的電子衍射圖除中心斑點外，外面還可見一亮環，在該環的周圍還存在較暗的衍射環。由此可見，該相為非常細小的多晶相，其粒度可能只有幾納米。 這與TEM的觀察是吻合的。 圖5(b)為塗層在620℃退火1h後，隨爐冷卻後的透射電鏡組織和電子衍射結果。當退火溫度為620℃時， 圖片中已經有相當明顯的晶化現象存在，這與圖3中DSC測試結果是一致的。

根據圖5的透射電鏡觀察和電子衍射分析，不難看出，非晶塗層隨溫度增加，納米晶相增加，在相變點附近，納米晶急劇增加，並成為主要組織。 非晶是由於組織無位錯和無晶界/相界而缺少滑移系來強化的（但有點缺陷存在），這種強化約佔材料理論強度的30%~35% ；納米晶是靠因晶粒細小，晶界/相界劇增而產生小尺寸效應來強化的，這種強化約佔理論強度的35%~50% 。

該非晶塗層磨粒磨損及沖蝕磨損性能測試結果如下表所示，在相同的磨損條件下，非晶塗層相對耐磨性為Q235鋼的22.34倍， 30°沖蝕磨損為Q235鋼的6.33倍。

表：磨粒磨損及沖蝕磨損試驗結果

當沖蝕磨損進入穩定階段，被測試樣的磨損損耗與所使用的磨料量成正比關係。在相同的試驗環境下，失重越大，表明被測試樣抗沖蝕磨損性能越差。採用塗層試樣與Q235鋼試樣的沖蝕磨損失重進行比較，可以得到一個便于衡量的相對耐磨性能指標。該研究塗層的非晶含量87.68% ，剩餘的部分以奧氏體的形態出現，可以表現出極好地吸收塑性變形能量的能力，這也是大大提高塗層韌性的有力保障。所以該塗層的硬度越高，其抗沖蝕性就愈好，而且綜合性能良好。

結論

（1）非晶納米晶塗層技術製備的塗層結合強度為62.54MPa ，與基體有很強的結合力。

（2）非晶納米晶塗層技術製備的塗層常溫硬度大於1050 HV ， 620℃高溫硬度高達1250 HV ，呈現出極高的高溫硬度。

（3）非晶納米晶塗層磨粒磨損及沖蝕磨損性能測試結果表明，非晶納米晶塗層相對耐磨性為 Q235鋼的 22.34 倍，30°沖蝕磨損為Q235鋼的6.33倍。

來源：鑄造技術2017年6月 第38卷 第6期 趙容兵，閆洪，段智《可用於熱作模具再製造的非晶納米晶塗層技術》

更多資訊詳見非晶中國網

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