WC粒度對(duì)WC-Ni釬涂耐磨涂層組織性能的影響

周許升，鄒 偉，龍偉民，黃俊蘭，王德智

（1.鄭州機(jī)械研究所有限公司新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南鄭州450001；2.休斯敦大學(xué)，美國(guó)休斯敦77204）

0 前言

近年來(lái)我國(guó)的高鐵技術(shù)飛速發(fā)展，在高鐵機(jī)車制造和配套基建生產(chǎn)過(guò)程中需要一些工件具有較好的耐磨性。耐磨件的生產(chǎn)和再制造通常是將耐磨層涂覆在常規(guī)材料表面，耐磨層的涂覆方法有熱噴涂法、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、堆焊法以及釬涂法。

釬涂的原理是液態(tài)釬料在母材上潤(rùn)濕、鋪展，在母材表面形成具有特殊性能的涂層。與其他方法相比，釬涂具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）涂層與母材為釬焊冶金結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度高于熱噴涂的機(jī)械結(jié)合；（2）釬涂涂層組織均勻，孔隙率低；（3）與堆焊相比加熱溫度低，對(duì)母材性能影響較小；（4）釬涂法制備的耐磨層厚度范圍較大，能制備厚度0.05～4 mm的耐磨層[1-4]。

釬涂的耐磨層由低熔點(diǎn)釬料和高熔點(diǎn)硬質(zhì)相兩部分組成。在合適的溫度下，釬料熔化，潤(rùn)濕母材和硬質(zhì)相，并在母材表面鋪展形成耐磨涂層。目前釬涂常用釬料為鎳基合金，如BNi82CrSiB和BNi76CrP，增強(qiáng)相通常采用WC、Cr3C2等陶瓷相[5-11]。

釬涂多在真空或氣保護(hù)爐中加熱，成本較高，且工藝復(fù)雜。氧乙炔火焰操作簡(jiǎn)單，成本較低，很適合在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)工件進(jìn)行釬涂再制造。目前火焰釬涂工藝的研究報(bào)道較少，且針對(duì)WC粒度對(duì)釬涂耐磨層組織和性能影響的系統(tǒng)研究較少。本研究采用鄭州機(jī)械研究所研發(fā)的鎳芯藥皮焊條對(duì)低碳鋼板進(jìn)行火焰釬涂，研究不同粒度WC對(duì)釬涂層組織和性能的影響規(guī)律，以期對(duì)釬涂技術(shù)的研究有一定的借鑒意義。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)使用鄭州機(jī)械研究所開發(fā)的釬涂用鎳芯藥皮焊條，該焊條芯部為純鎳絲，外皮由WC粉、BNi82CrSiB釬料粉和粘結(jié)劑組成，WC和BNi82CrSiB的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%、85%。實(shí)驗(yàn)采用3種不同粒度WC粉的焊條，如表1所示。

表1 釬涂用鎳芯藥皮焊條

采用手工氧乙炔火焰，母材為普通低碳鋼板，厚度2 mm。將氧乙炔火焰調(diào)整至弱碳化焰，先將試板預(yù)熱至適宜溫度，再將焊條熔覆至試板上，待焊條熔化并充分鋪展后結(jié)束加熱。

用平面磨床將試件表面涂層打磨平整，測(cè)試涂層的洛氏硬度，每個(gè)試樣取5個(gè)點(diǎn)的硬度并取其平均值。

用線切割切開試件，制備金相試樣。從鋼母材一側(cè)至涂層表面，每隔0.2 mm取一個(gè)點(diǎn)測(cè)試其顯微硬度，共取8個(gè)點(diǎn)，并用掃描電鏡進(jìn)行顯微組織觀察和能譜分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

試樣1的WC-Ni涂層與鋼的界面背散射電子像如圖1所示，可以看出，該界面組織與典型釬焊界面組織類似，上側(cè)為鋼基板，中間有明顯的過(guò)渡層，下側(cè)為WC-Ni涂層。圖中A區(qū)為鋼母材，B區(qū)為鎳釬料與母材的反應(yīng)層。由于背散射電子像反映的是原子序數(shù)襯度，而W的原子序數(shù)在涂層界面是所有元素中是最高的，因此涂層一側(cè)白色呈彌散分布的為W顆粒（見圖1中的E）。而在過(guò)渡層中存在的長(zhǎng)條狀應(yīng)該是W與Ni反應(yīng)后形成的富W相。圖中D、F應(yīng)為釬料基體，可能有部分的W和來(lái)自母材的Fe。

相對(duì)于釬涂前20 μm的顆粒尺寸，從圖中標(biāo)尺可以發(fā)現(xiàn)WC顆粒的直徑經(jīng)過(guò)釬涂后明顯減小。這是因?yàn)閳D片中呈灰色的富鎳組織在釬涂過(guò)程中與WC顆粒發(fā)生反應(yīng)，WC顆粒直徑較小，容易被熔融態(tài)的Ni釬料溶蝕、消耗。

圖1 試樣1背散射電子像

試樣1能譜分析數(shù)據(jù)如表2所示，可以看出A點(diǎn)為Fe、C元素。B點(diǎn)是以Fe、Ni為主并含有少量Cr的界面冶金反應(yīng)層。C點(diǎn)是以W為主并含有少量Fe、Ni、Cr的長(zhǎng)條狀富W相，釬涂過(guò)程中部分WC顆粒完全與液態(tài)釬料反應(yīng)并熔入液態(tài)釬料，釬涂結(jié)束后隨著溫度的降低，高熔點(diǎn)的W首先形核，并形成圖中G所示的枝晶狀組織。結(jié)合Ni-W二元合金相圖以及能譜分析數(shù)據(jù)，C點(diǎn)應(yīng)為NiW化合物為主的富W相。D點(diǎn)為過(guò)渡層，以Ni、Fe為主，熔入一定量的W。E點(diǎn)為涂層中的WC顆粒，能譜分析的結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。F點(diǎn)為熔入一定量Fe、W元素的Ni釬料基體，與D點(diǎn)相似。

表2 試樣1能譜分析結(jié)果%

試樣1釬涂界面的面掃描圖像如圖2所示，母材中的Fe向釬料基體中發(fā)生了明顯的擴(kuò)散現(xiàn)象，母材中的Fe擴(kuò)散到涂層中。而W與Ni發(fā)生反應(yīng)，并沒有擴(kuò)散到鋼母材里面，Ni保留在涂層里面。

圖2 試樣1面掃描圖像

圖3為WC粒度為200 μm的WC-Ni涂層與鋼的界面顯微組織。由圖3a可知，該試樣的釬涂界面由母材和涂層兩部分構(gòu)成，與圖1相比無(wú)明顯的過(guò)渡層組織，亮白色為大顆粒的WC，其四周分布著細(xì)小顆粒。這些細(xì)小顆粒的灰度介于亮白色WC和灰色Ni釬料基體之間，應(yīng)該是W與Ni釬料擴(kuò)散反應(yīng)形成的NiW相。這與圖1過(guò)渡層中存在的長(zhǎng)條狀NiW相形成鮮明的對(duì)比，說(shuō)明隨著WC粒度的增大，W與Ni釬料的反應(yīng)程度呈減弱趨勢(shì)。

圖3 試樣2背散射電子像

表3 試樣2能譜分析結(jié)果%

試樣2能譜分析結(jié)果如表3所示，圖3b中A區(qū)為鋼母材，F(xiàn)區(qū)為WC硬質(zhì)相；B點(diǎn)為釬料與鋼的界面層，以Ni為基體含有一定量的Fe；遠(yuǎn)離界面的C點(diǎn)的Fe含量明顯低于界面處B點(diǎn)，而B、C兩點(diǎn)均不含有W元素，這說(shuō)明大顆粒WC在熔融Ni釬料中的熔解、反應(yīng)的程度很低。由E點(diǎn)的能譜分析結(jié)果可推斷，僅在WC顆粒的表面與熔融釬料發(fā)生冶金反應(yīng)。反應(yīng)后生成的Ni、W相剝落進(jìn)入釬料基體，由D點(diǎn)的能譜分析結(jié)果推斷出D點(diǎn)應(yīng)為NiW化合物。

試樣2釬涂界面面掃描圖像如圖4所示，可以看出各種元素?cái)U(kuò)散的大致趨勢(shì)，F(xiàn)e明顯擴(kuò)散、熔解進(jìn)入Ni釬料基體中，W與Ni發(fā)生反應(yīng)生成化合物相使少部分W擴(kuò)散進(jìn)入Ni釬料基體。

圖4 試樣2面掃描圖像

試樣3的WC-Ni涂層與鋼的界面顯微組織如圖5所示。由圖5可知，釬涂層顯微組織與前兩個(gè)試樣相比較為簡(jiǎn)單，由WC顆粒、包圍在其周圍的少量NiW相和Ni釬料基體組成。

對(duì)比圖5a與圖3a可知，圖3a涂層中WC顆粒之間存在著大量的NiW相組織，而圖5a僅有薄薄一層NiW相包圍著WC顆粒。由此可推斷，隨著WC粒度的增加，WC顆粒在Ni釬料中的熔解、擴(kuò)散作用明顯減弱，所生成的顆粒狀NiW相的數(shù)量也明顯減少[12]。

試樣3能譜分析數(shù)據(jù)如表4所示，試樣3的能譜數(shù)據(jù)結(jié)果與試樣2相差不大，A區(qū)為鋼母材，F(xiàn)區(qū)為WC大顆粒。界面層B區(qū)與釬料基體C區(qū)的成分相似，區(qū)別之處在于界面層B區(qū)以Fe元素為主，不含W，而C區(qū)以Ni元素為主，少量的W熔入釬料基體。D區(qū)為W與釬料作用而生成的NiW相，這些NiW相是由熔融Ni釬料與WC顆粒表面發(fā)生反應(yīng)生成的NiW相（E區(qū)）剝落進(jìn)入釬料基體中。

試樣3面掃描圖像如圖6所示。由圖6可知，F(xiàn)e向涂層中擴(kuò)散、溶解，F(xiàn)e優(yōu)先與釬料中的Ni作用，不與W反應(yīng)；W向釬料基體中擴(kuò)散，但是其擴(kuò)散程度較弱，擴(kuò)散生成的少量NiW相依附在WC顆粒周圍。

圖5 試樣3背散射電子像

表4 試樣3能譜分析結(jié)果%

2.2 顯微硬度

3個(gè)試樣的顯微硬度對(duì)比如圖7所示，3個(gè)試樣的前4個(gè)點(diǎn)顯微硬度基本一致，逐漸升高。這是因?yàn)榈?點(diǎn)硬度值打在鋼母材上，第2點(diǎn)打在界面層上，這兩點(diǎn)均是以Fe為主成分，其硬度值相差不大。第3、4點(diǎn)打在了NiW相區(qū)域，2、3、4三個(gè)點(diǎn)的W含量呈逐漸升高的趨勢(shì)，而由于W的硬度很高，所以其顯微硬度值也逐漸升高。

圖6 試樣3面掃描圖像

圖7 涂層界面顯微硬度

到第5個(gè)測(cè)試點(diǎn)時(shí)，試樣2和3均打在WC相上，而WC作為硬質(zhì)相，其硬度達(dá)到1 800 HV，由于試樣1的第5個(gè)測(cè)試點(diǎn)的WC顆粒與Ni釬料已經(jīng)發(fā)生冶金反應(yīng)，形成富W合金相，其硬度值應(yīng)與W合金相當(dāng)，相比陶瓷增強(qiáng)相WC，其硬度值自然要小得多。第6、8測(cè)試點(diǎn)打在Ni釬料基體上，所以硬度值較低。

從顯微硬度測(cè)試結(jié)果來(lái)看，試樣1的顯微硬度較為平穩(wěn)，這是因?yàn)閃C粒度較小，在釬涂過(guò)程中與液態(tài)釬料發(fā)生冶金反應(yīng)，其顯微組織趨向于以Ni釬料為基體，并彌散分布富W相顆粒，所以其硬度值更接近于Ni釬料基體。或者說(shuō)由于WC粒度太小，彌散分布在涂層中，并且一部分WC被Ni釬料消耗，導(dǎo)致其粒度進(jìn)一步減小，涂層的顯微組織是以Ni釬料為基體，因此其宏觀力學(xué)性能應(yīng)更接近于Ni釬料基體的性能。

2.3 洛氏硬度

釬涂耐磨層外表面洛氏硬度測(cè)試結(jié)果如圖8所示，隨著WC粒度的升高，其洛氏硬度值也逐漸增加。推斷其原因是：WC粒度過(guò)小時(shí)，WC顆粒彌散分布于Ni釬料基體中，并且有一部分WC與Ni釬料發(fā)生冶金反應(yīng)，所以涂層的力學(xué)性能接近于釬料基體。隨著增強(qiáng)相WC粒度的升高，大顆粒的WC具有極高的硬度，而Ni釬料此時(shí)作為粘結(jié)劑將WC增強(qiáng)相包覆起來(lái)，這種組織是理想的耐磨組織，在服役條件下，釬料被磨損后露出高硬度的WC顆粒，極大提高了工件的耐磨性能。

圖8 涂層表面洛氏硬度

3 結(jié)論

（1）WC粒度為20 μm時(shí)，過(guò)渡層中出現(xiàn)長(zhǎng)條狀的NiW相，涂層顯微組織呈現(xiàn)以Ni釬料為基體，彌散分布著富W相；而當(dāng)WC粒度增加至200 μm以上時(shí)，涂層顯微組織以大顆粒WC增強(qiáng)相為主，Ni釬料起到粘結(jié)劑的作用。

（2）隨著WC粒度的增加，Ni釬料與WC增強(qiáng)相的冶金反應(yīng)程度減弱。

（3）WC粒度為400 μm時(shí)，涂層的洛氏硬度最高，涂層的耐磨性最好。

（4）火焰釬涂法制備的WC-Ni涂層冶金反應(yīng)良好，界面組織致密，是一種低成本、高性能的釬涂工藝。

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