钴基碳化钨堆焊覆层的制备及耐磨性分析——文献学习体会

文献概况与研究价值

本文发表于《锻压技术》2019年第44卷第10期，由武汉理工大学等单位的周艳霞、洪峰、王华君、李爱农等学者完成，受国家自然科学基金（51475346）资助。研究采用粉末等离子堆焊（PPS）方法在H13热作模具钢表面制备了不同碳化钨（WC）含量的钴基增强堆焊层，系统研究了WC含量对堆焊层组织和耐磨性能的影响。

热锻模具是制造业的基础工具，其使用寿命直接决定了生产效率和成本。H13钢作为最常用的热作模具钢之一，其耐磨性在热锻工况下往往不足以满足高寿命要求。通过表面堆焊硬质合金覆层来提高模具耐磨性，是一种经济有效的表面强化技术。本文的研究对于优化热锻模具的再制造工艺具有重要的工程指导意义。

实验设计与工艺参数

堆焊材料配方设计

文献设计了4种不同WC含量的钴基堆焊配方，通过粉末等离子堆焊工艺制备覆层。粉末等离子堆焊是一种高能量密度堆焊方法，具有以下优势：

• 熔池温度高，有利于硬质相的充分熔化与均匀分布；
• 稀释率低，堆焊层成分接近设计配方；
• 变形小，适合精密模具的表面强化；
• 可自动化程度高，适合批量生产。

微观组织表征

采用金相显微镜（OM）和扫描电子显微镜（SEM）观察堆焊层的微观组织形貌，结合能量色散X射线光谱仪（EDS）进行成分分析。这些表征手段能够揭示：

• 钴基基体的凝固组织形态；
• WC颗粒的分布均匀性和完整性；
• 堆焊层与基体的冶金结合状态；
• 是否存在裂纹、气孔等缺陷。

关键实验结果分析

冶金结合质量

实验结果表明，碳化钨增强钴基堆焊层与H13钢基体冶金结合良好。这一结论非常重要，因为堆焊层与基体的结合强度直接决定了覆层在服役过程中的可靠性。如果结合不良，覆层会在热应力和机械应力的作用下发生剥离，导致模具失效。粉末等离子堆焊的高能量密度输入有利于实现良好的冶金结合，但同时也可能带来较大的热输入和稀释效应。

硬度与耐磨性

实验发现，堆焊层的显微硬度较H13钢基体有显著提高，且WC含量为30%时耐磨性最佳，耐磨性较基体提高了10倍。这一结果具有重要的工程指导意义：

• 硬度提升：钴基合金本身具有较高的硬度，加入WC硬质相后硬度进一步提升。WC的硬度（约2300 HV）远高于钴基合金基体（约1000-1200 HV），其增强效果显著。
• 最优WC含量：30%的WC含量是耐磨性的最佳平衡点。WC含量过低时，硬质相增强效果不足；WC含量过高时，WC颗粒容易团聚，导致基体连续性下降，反而降低耐磨性。
• 耐磨性提升10倍：这一提升幅度在工程上是非常可观的，意味着模具使用寿命可以延长一个数量级，显著降低模具更换频率和生产成本。

磨损机理分析

热锻模具的磨损是多种磨损机制的综合作用，包括：

• 磨粒磨损：高温下金属氧化皮与模具表面的机械摩擦；
• 热磨损：高温下模具材料的氧化和化学侵蚀；
• 疲劳磨损：反复热循环导致的表面疲劳剥落；
• 粘着磨损：高温下工件材料与模具表面的粘着转移。

WC增强钴基堆焊层对以上各种磨损机制均有良好的抑制作用：

• WC硬质相有效抵抗磨粒磨损；
• 钴基合金在高温下具有良好的抗氧化性；
• 钴基合金的热膨胀系数与基体匹配良好，降低热疲劳风险；
• 钴基合金的润湿性好，减少粘着磨损。

工程实践中的应用考量

工艺参数优化

在实际生产中，粉末等离子堆焊的工艺参数需要精细控制：

缺陷控制

粉末等离子堆焊过程中可能出现的典型缺陷包括：

• 裂纹：钴基合金的热膨胀系数较高，冷却时容易产生热裂纹。需要通过控制层间温度、预热温度和堆焊参数来减少裂纹倾向。
• 气孔：粉末中的水分或保护气体不足可能导致气孔。需要严格控制粉末的干燥和储存条件。
• 稀释：基体金属的熔化稀释会降低WC含量，影响覆层性能。需要通过优化送粉速度和堆焊速度来控制稀释率。
• WC团聚：WC含量过高或混合不均匀会导致WC颗粒团聚，降低覆层性能。

学习心得与启示

这篇文献的研究成果对于热锻模具再制造领域具有重要的实用价值。30%WC含量的钴基堆焊层耐磨性提高10倍这一结论，为模具表面处理工艺的选择提供了明确的技术依据。在实际工程中，我深刻体会到表面强化技术对于延长模具寿命、降低生产成本的关键作用。

从技术发展趋势来看，粉末等离子堆焊作为一种高效、可控的表面强化方法，在模具再制造领域具有广阔的应用前景。未来，随着增材制造技术的发展，粉末等离子堆焊与增材制造技术的融合将成为重要的发展方向，实现模具的"按需制造"和"精准修复"。

对于从事模具制造和再制造的技术人员而言，掌握粉末等离子堆焊工艺原理、WC含量与耐磨性的关系、缺陷控制方法等关键技术，是提升模具质量和延长模具寿命的重要途径。建议在实际生产中，建立系统化的工艺参数数据库和覆层性能评价标准，为模具再制造提供可靠的技术支撑。