YG8硬質顆粒增強鎳基合金-WC復合涂層的組織與性能研究

2018-11-02 01:17:20丁天然黃俊蘭路全彬

超硬材料工程 2018年5期

丁天然，黃俊蘭，路全彬，張林

(1.鄭州機械研究所有限公司新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，鄭州 450001;2.機械科學研究總院集團有限公司，北京 100044)

前言

某些零件工作表面在實際應用中要求有高的耐磨性和抗腐蝕性[1-2]，這些零件如果用整體的耐磨合金或抗腐蝕材料來制造，不但成本較高，而且在整體力學性能方面往往不能滿足要求。合理的解決方法是用表面技術在常規材料表面施加一層耐磨或耐腐蝕的金屬或合金[3]。

就耐磨層來說，常用方法有物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、熱噴涂法、堆焊法以及近年開發的釬涂法。前幾種方法獲的耐磨層厚度受限，而釬涂法能獲得厚度范圍較大的涂層。另外，火焰釬涂所用設備簡單、工藝靈活性較高，能以較低的成本在工件表面制備具有耐磨損、耐腐蝕等優異性能的表面功能涂層[4-7]。

釬涂實質上是一種特殊的釬焊，與常規釬焊不同的是釬涂材料由兩部分組成：一是釬料，通稱低熔點組分；二是熔點高的硬質合金，通稱高熔點組分。

釬涂用釬料主要有鎳基、鈷基、鐵基和銅基合金粉末，其中鎳基釬料具有耐磨粒磨損、抗黏著磨損、耐腐蝕、抗氧化性能好的優點，且價格適中，是目前應用最廣的自熔性合金釬料[8-10]。釬涂中高熔點組分，即強化相顆粒，常添加的有WC、TiC、SiC及TiB等陶瓷顆粒[11-12]。因WC顆粒具有高硬度、耐磨損、對鎳基合金有很好的潤濕性等特性，制備WC為增強相的鎳基合金復合熔覆層具有良好的耐磨損、抗腐蝕、耐高溫氧化等性能，所以其應用更為廣泛[13-15]。

WC為增強相的鎳基復合熔覆層要想具備良好的耐磨性能，熔覆層中WC比例必須達到一定程度。這是因為WC具有硬度過高和脆性較大的特性，加之與鎳基釬料的線脹系數差別較大，過多的WC易導致涂層中產生大量的裂紋和縮孔，從而降低涂層整體的耐磨性能。

與WC顆粒相比，YG8顆粒塑性較好，YG8中Co能夠脫溶到釬料中，與釬料表現出更好的親潤性，同時Co以面心立方體形式存在于涂層中，可有效減弱涂層脆性，減少強化相與鎳基釬料間的線脹系數差異，從而減少裂紋與孔洞的形成。因此，本文考慮用部分YG8硬質合金顆粒代替WC顆粒，從而降低涂層的空隙率、提高涂層的致密性，提高耐磨性能。

為此，本文運用氧-乙炔火焰釬涂技術，人為引入YG8硬質合金顆粒，制備含不同YG8硬質合金顆粒的鎳基合金-WC復合涂層，并分析了YG8對鎳基合金-WC復合涂層組織與性能的影響。

1 試驗材料及涂層制備

1.1 試驗材料及設備

本試驗母材為45號鋼，涂層材料為BNi-2釬料粉、WC顆粒和YG8顆粒的復合粉末。涂層材料的化學成分如表1所示。涂層材料中BNi82CrSiB粒度為200目，WC粒度和YG8顆粒均為40～60目。涂層所用粘結劑為水玻璃。采用PhenomXL掃描電子顯微鏡對涂層進行顯微組織分析，采用掃描電子顯微鏡自帶的X射線散射能譜儀(EDS)對涂層元素分布進行分析，采用MH-3顯微硬度計和HRS-150數碼洛氏硬度計測試熔覆涂層的硬度。

表1 涂層材料的化學成分(質量分數，%)

1.2 涂層制備

選用45號鋼作為基板，熔覆前先對基板進行打磨和清洗，去除表面的氧化膜，再把基板放在煤油中清洗，最后用吹風機徹底吹干。用水玻璃將復合粉末調成糊狀后，均勻涂抹在基體表面上，然后放入DF206電熱干燥箱內加熱烘干，加熱溫度80℃，保溫時間8h。取出烘干的基板，開啟火焰槍，調到深藍色的還原焰，對基板上的熔覆材料進行加熱熔覆(深藍色還原焰可以防止基板氧化)。熔覆完成后，試樣自然冷卻，完成涂層制備。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

圖1為不同YG8含量的鎳基合金-WC復合涂層的SEM照片。圖1(a)為YG8含量0%時的復合涂層的SEM照片，涂層組織中有兩大相，硬質相WC顆粒和釬料基體相，其中白色顆粒為耐磨硬質相WC，顆粒間灰色區為釬料基體相。WC顆粒表面有明顯被溶解的痕跡，說明WC顆粒與鎳基體潤濕良好，并發生了相互擴散。從圖1(a)還可以看出，涂層組織中缺陷較多，WC顆粒產生了嚴重的碎裂且釬料基體中產生了較多的孔洞和夾雜。圖1(b)為YG8含量10%時的復合涂層SEM照片，與圖1(a)相比，涂層組織結構發生了變化，硬質相出現兩種：WC顆粒和YG8顆粒，二者邊緣均有明顯溶解痕跡，均與釬料發生了相互擴散。釬料基體中擴散形成的白色物相形態由原來的枝狀或條狀變成了“魚骨”狀；并且涂層釬料組織中孔洞、夾雜等缺陷明顯減少，但WC顆粒仍碎裂嚴重。圖1(c) 為YG8含量25%時的復合涂層SEM照片，與圖1(b)相比，涂層組織結構相同，只是涂層中大塊的WC顆粒邊緣相對較完整、裂紋明顯減少，且釬料基體中幾乎沒有孔洞和夾雜。圖1(d) 為YG8含量30%時的復合涂層SEM照片，圖1(e)為YG8含量40%時的復合涂層SEM照片，二者與圖1(c)相比，涂層組織結構仍沒變，只是涂層組織中WC顆粒更加完整，涂層組織致密。圖1(f)為YG8含量50%時的復合涂層SEM照片，與圖1(e)相比，涂層組織結構發生了變化，涂層組織中硬質相只有YG8顆粒，釬料基體中沒有孔洞、夾雜等缺陷，涂層組織致密。

圖1 YG8含量不同的合金涂層SEM照片Fig.1 SEM images of the alloy coatings with different YG8 content(a)YG8為0%；(b)YG8為10%；(c)YG8為25%；(d) YG8為30%；(e)YG8為40%；(f)YG8為50%

2.2 能譜分析

對YG8含量為0%和YG8含量為25%的熔敷試樣進行EDS能譜對比分析，結果見表2、表3。對于界面處(圖2a中點12和圖2b中點2)，除去測不準的碳元素和氧元素以外，二者均含少量的鎢和大量的鐵元素，說明WC中的鎢擴散到了釬料中，同時鋼基體中鐵也擴散到了釬料中，形成了明顯的界面結合層。對于WC顆粒(圖2a中點2和圖2b中點4)，除去測不準的碳元素和氧元素以外，二者均只含有鎢元素，應該為WC顆粒，其組織可能為WC或W2C的共晶體。對WC顆粒邊緣處大量小的灰白色物相(圖2a中點4和圖2b中點5)進行EDS分析，發現圖2a中點4主要含42.93%的W，8.41%的Ni和35.45%的Fe，圖2b中點5主要含38.68%的W，7.52%的Ni和36.77%的Fe，說明這些小的灰白色物相是從WC顆粒中脫離出來的小塊物相，其成分與原來的鑄造WC顆粒大致相當，只是在表層與鎳基體之間發生了相互擴散，使其含有少量的Ni元素和大量的Fe元素。對于YG8顆粒和YG8顆粒邊緣(圖2b中點6和點7)進行EDS對比分析，發現YG8顆粒邊緣鎢元素增多、鐵元素減少，可能YG8顆粒邊緣重聚形成了鎢含量高的大塊的η相。對于釬料基體(圖2a中點6和圖2b中點9)進行對比，均含有鎢元素和大量的鐵元素，可以說明釬料基體均與WC和鋼基體發生了擴散，且圖2(b)中點9還含有少量鈷元素，說明YG8也與釬料基體發生了擴散。對于釬料基體中白色物相進行對比(圖2a中點10和圖2b中點10)，主要含W、Ni和Fe，成分與原來的鑄造WC顆粒相當，說明這些小的白色“魚骨”狀物相是從WC顆粒或YG8顆粒中脫離出來的η相。

圖2 能譜掃描位置Fig.2 Spectral scanning position(a) YG8為0%的涂層;(b) YG8為25%的涂層

表2 不含YG8涂層的EDS分析結果(原子分數，%)

由上述對比分析可知，硬質相WC和YG8均與釬料基體發生了相互擴散，釬料基體與鋼基體也發生了擴散。

表3 YG8含量25%涂層的EDS分析結果(原子分數，%)

2.3 硬度測試

采用MH-3型顯微硬度計測試6種試樣涂層的顯微硬度，測試結果如圖3(a)所示。

圖3 涂層硬度測試Fig.3 Hardness distribution of the coatings

從圖3(a)可以看出，不含YG8涂層試樣，亦即1號試樣中WC顆粒的顯微硬度值最小，平均顯微硬度值為1803.1HV0.1，涂層中釬料基體顯微硬度值最小的也是1號試樣，為402.5HV0.1；WC顆粒顯微硬度值最大的是3號試樣，即YG8含量為25%的試樣，其涂層組織中WC顆粒平均顯微硬度值為1988.1HV0.1，釬料基體顯微硬度值最大的也是3號試樣，為707.5HV0.1。6個涂層試樣中，試樣6中硬質相只有YG8，YG8顆粒的顯微硬度約為1200.6HV0.1。

之所以1號涂層試樣中WC和釬料基體的顯微硬度值較低，3號涂層試樣中WC和釬料基體的顯微硬度值較高，主要是因為1號試樣硬質相只有WC顆粒，且WC顆粒碎裂嚴重，加之釬料基體產生大量的孔洞和夾雜，涂層致密度較差，從而導致WC顆粒和釬料基體的顯微硬度值較低；相反，3號試樣硬質相是復合硬質相，含適量YG8和WC，YG8彌補了WC的脆性大，WC彌補了YG8的硬度低，使釬料基體致密性提高，WC顆粒裂紋明顯減少，因此涂層中WC和釬料基體的顯微硬度值較高。

采用HRS-150數碼洛氏硬度計測試6種試樣涂層的宏觀硬度，測試結果如圖3(b)所示。

從圖3(b)可以看出，6個涂層試樣中，HRC硬度值大小為：3號試樣>2號試樣>4號試樣>1號試樣>5號試樣>6號試樣。

之所以3號試樣的洛氏硬度值最大，同樣是因為3號試樣中含有適量的WC顆粒和YG8顆粒，二者相互彌補，提高了涂層的致密性、減少了WC的裂紋和孔洞，宏觀硬度值較高；其次是2號試樣，2號試樣中WC較多，整體硬度值較大；接著是4號試樣，4號試樣中有WC顆粒和稍多的YG8顆粒，整體顯微硬度值比2號試樣稍低；接著是1號試樣，1號試樣WC最多，但涂層缺陷最多，致密度最差，因此整體宏觀硬度值排第四；接著是5號試樣，5號試樣雖然涂層致密度高、但WC較少，整體宏觀硬度值排第五；接著是6號試樣，6號試樣硬質相只有YG8，雖然涂層組織致密度最高，但YG8本身硬度值低，導致涂層宏觀硬度值最低。

由分析可知，涂層的宏觀硬度測試結果與顯微硬度測試結果相一致。