鎳基－WC燒結涂層的組織與性能

劉明朗，黃仲佳＊，段園培，曹 文

（1.安徽工程大學，安徽高性能有色金屬材料省級實驗室，安徽 蕪湖 241000；2.中國聯合工程公司，安徽 蕪湖 241000）

全球資源日益貧乏的今天，引入或研制高成本耐磨材料、大量耗費稀有材料來開發耐磨材料的方法已經越來越沒有市場.而在現有材料基礎上通過表面技術處理的耐磨材料成為發展趨勢.目前，Ni－WC耐磨涂層常用的表面制備技術有：堆焊技術［1］、激光熔敷［2－3］、火焰噴涂及等離子噴涂等［4］.目前所采用的 WC增強金屬基耐磨涂層的制備技術都存在溫度高、溫度不易于控制，造成涂層中大部分WC顆粒熔化，導致耐磨性下降.如研究表明WC材料采用高能束堆焊過程中，WC存在溶解現象［5－6］；采用電弧堆焊會使原始碳化鎢顆粒大部分熔化，導致耐磨性下降［7］；以及造成WC偏聚導致涂層產生大量裂紋及存在貴金屬的消耗量大的缺陷［8］；同時這些涂層的制備技術都需要專用設備及必須在真空或保護氣體狀態下才能進行，生產成本高；并且在制備大平面的耐磨板時耗時過長，生產率較低.

爐內燒結Ni－WC耐磨涂層由于溫度可控，從而減少涂層中WC的熔化燒損，同時爐內燒結在制備大面積的耐磨板時，具有工序簡單利于批量生產的優點，因此爐內燒結是一種可以解決WC分解的涂層制備技術.本文研究Ni－WC耐磨涂層的爐內燒結工藝，研究燒結涂層的組織與相結構及其摩擦性能.

1 試驗材料與方法

實驗采用35鋼作為基體材料，機加工成為直徑36mm，高15mm的盤狀.

采用鎳基－WC合金粉末，化學成分為Ni 60%，Cr 8%，Si 3.5%，B 3.5%，WC 5%，Fe余量.

樣品制備：實驗采用KBF16Q真空爐燒結鎳基－WC涂層，通過調整燒結溫度和保溫時間制備燒結涂層.為避免燒結過程中氣孔和裂紋等缺陷的產生，涂層先進行300℃預熱，然后升溫到燒結溫度，保溫一定時間后獲得厚度為2mm的涂層.

采用MPX－2000型盤銷式摩擦磨損試驗機檢測涂層的耐磨性能.載荷200N，轉速400r/min，滑動距離2km，干摩擦，環境相對濕度為85%.

組織及形貌分析：采用光學顯微鏡、日立S－4800掃描電鏡觀察涂層的組織和結合界面形貌，采用XRD分析涂層的相結構.

2 結果與討論

2.1 燒結工藝對涂層顯微組織的影響

溫度1 100℃、保溫時間20min燒結涂層的光學顯微鏡組織形貌如圖1a所示.由圖1a可見，涂層由少量析出的硬質相和鎳基體相組成，涂層中存在黑色的空隙和孔洞.涂層中的細小孔隙和大孔洞說明1 100℃燒結涂層的組織不致密.溫度1 100℃、保溫時間20min燒結涂層的掃描形貌如圖1b所示.由圖1b可見，涂層中存在細小空隙，涂層由顆粒搭接熔黏而成，涂層中存在明顯的顆粒界線，說明涂層中的粉末在燒結時并未完全熔化，處于半熔融狀態.

圖1 1 100℃燒結20min的涂層

圖2 1 250℃保溫20min的燒結涂層

1 250℃、保溫時間20min燒結涂層的光學顯微組織形貌如圖2所示.由圖2a可見，隨著燒結溫度升到1 250℃，保溫時間仍為20min的涂層中的空隙已經消失，相比1 100℃燒結的涂層，空隙明顯降低，涂層組織致密.由圖2b可見，涂層與基體的界面處存在一條“白亮帶”，證明涂層與基體之間形成了良好的結合界面.由圖2c可見，1 250℃燒結涂層組織中已沒有空隙存在，而是由灰色的鎳基固溶體上分布著淺白色的第二相硬質相，與1 100℃燒結涂層相比，第二相的析出更多.這是由于涂層在1 250℃下燒結，粉末顆粒已經完全熔化，涂層已經完全致密，粉末顆粒的界面也已消失.

圖3 1 300℃保溫20min的燒結涂層

1 300℃、保溫時間20min燒結涂層的光學顯微組織形貌如圖3所示.由圖3a可見，1 300℃燒結20min涂層的組織致密，組織形貌和1 250℃燒結20min的涂層幾乎一樣，沒有空隙存在.由圖3b可見，合金與基體結合界面緊密，在分界處形成了很好的冶金結合，存在“白亮帶”.從涂層的組織、涂層與基體之間的結合形貌來對比，1 250℃燒結和1 300℃燒結涂層沒有什么區別.涂層組織是在鎳基固溶體基體上分布著橢圓狀和不規則塊狀第二相組織.基體與涂層界面處的“白亮帶”一般認為是涂層與基體相互擴散及產生合金化的結果，它的形成說明涂層與基體形成了良好的冶金結合［9］.在涂層熔結時，合金粉末熔化成液態金屬，潤濕、鋪展在基體表面，基體和涂層的元素相互擴散，形成了化學成分不同于母材與涂層的過渡區——“白亮帶”.

雖然1 250℃和1300℃燒結涂層的組織都是鎳基固溶體上第二相及結合界面都存在“白亮帶”，但從能耗的角度考慮，1 250℃燒結是比較節約能源的工藝.因此，相比而言1 250℃燒結涂層更具有優勢.

2.2 涂層的XRD圖譜分析

涂層樣品XRD物相分析結果如圖4所示.由圖4可知，涂層主要為Ni的固溶體，其中固溶了Cr、Si等元素，以及第二相和WC相.第二相硬質相和WC可以提高涂層的耐磨性能.

2.3 涂層的摩擦性能

圖4 涂層樣品XRD物相分析

圖5 涂層的摩擦磨痕形貌

采用銷盤摩擦實驗機檢測1 250℃燒結涂層的耐磨性能.摩擦實驗后試樣的磨損失重為－1.5mg，即涂層重量增加了.只是由于涂層與淬火45鋼銷對磨時，主要以45鋼磨損為主，45鋼銷的元素轉移到涂層上導致涂層重量增加；摩擦系數為0.981.涂層的摩擦磨痕形貌如圖5所示.通過觀察摩擦后的涂層，涂層的磨痕較淺，這充分說明鎳－WC涂層的耐磨性較強.由圖5a可見，磨損以黎溝磨損為主.這是由于燒結層中析出了大量的硬質相，以及增強相WC的作用，提高了涂層的抵抗顯微切削和擠壓作用的能力，有利于抗磨損性能的提升.由圖5b可見，試樣磨痕表面被黑色磨屑覆蓋，發現表面上有從對磨削上轉移過來的基體元素，在涂層表面形成了轉移膜.

3 結論

采用1 250℃、保溫20min燒結鎳基涂層，能夠獲得組織致密、冶金結合的涂層.1 100℃燒結涂層的組織中以未熔融的粉末顆粒粘結組成，涂層中存在大量的空隙，致密性差.隨著溫度提高到1 250℃和1 300℃，涂層中組織以鎳基固溶體中溶解第二相硬質相為主，涂層致密.說明燒結中粉末顆粒充分熔化是獲得致密涂層的前提.燒結涂層具有良好的耐磨性能，采用45鋼淬火銷做為摩擦副.摩擦實驗表明，燒結涂層表面粘附從45鋼耐磨銷上轉移的黑色膜.

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