WC對(duì)感應(yīng)釬涂金剛石涂層組織及性能的影響

吳奇隆　董顯　張雷　鐘素娟　陳治強(qiáng)　賈連輝　羅靈杰

在鎳基釬料中加入WC 微粉，采用釬涂的方法在Q235 鋼上制備金剛石涂層，研究WC 微粉對(duì)金剛石涂層組織及耐磨性的影響，并通過(guò)掃描電鏡、能譜分析、顯微硬度和磨損失重測(cè)試表征金剛石釬焊涂層的組織和耐磨性能。結(jié)果表明：在釬涂過(guò)程中，金剛石、WC 微粉與鎳基釬料合金發(fā)生冶金結(jié)合，WC 顆粒在鎳基基體中具有彌散強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化作用，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%WC 的釬料合金的洛氏硬度與未添加WC 時(shí)的比較提高了7.5%；且在相同的磨損實(shí)驗(yàn)條件下，未添加WC 微粉的釬涂金剛石涂層質(zhì)量損失為0.196 g，而添加WC 微粉后的涂層質(zhì)量損失為0.148 g，后者的耐磨性能提高了24.5%。

關(guān)鍵詞 WC；金剛石；感應(yīng)釬焊涂層；耐磨性

中圖分類(lèi)號(hào) TQ164; TG454 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

文章編號(hào) 1006-852X（2023）05-0579-07

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0205

收稿日期 2022-11-21 修回日期 2023-03-03

釬涂技術(shù)制備耐磨涂層是一種重要的材料表面改性技術(shù)，被廣泛用于減少機(jī)械部件的磨損，提高其使用壽命等方面[1-3]。涂層的摩擦系數(shù)、顯微硬度和顯微結(jié)構(gòu)對(duì)其耐磨性起重要作用[4]。通過(guò)在涂層中加入適量的碳化硅、金剛石、WC 等硬顆粒增強(qiáng)材料，可以改善涂層的力學(xué)和摩擦學(xué)性能[5-6]。

人造金剛石具有優(yōu)良的物理化學(xué)性能，近年來(lái)作為增強(qiáng)相受到了研究者的青睞[7-11]。ZHANG 等[9] 采用氬氣保護(hù)感應(yīng)釬涂的方法在鈦合金表面制備了金剛石涂層，具有耐磨涂層的鈦合金表現(xiàn)出優(yōu)良的耐磨性能；秦建等[10] 在鋼表面制備了金剛石涂層，材料的耐磨性提高了6 倍；龍偉民等[11] 在大氣環(huán)境下，采用感應(yīng)加熱的方式制備金剛石釬焊涂層，研究了鋁粉對(duì)涂層耐磨性能的影響規(guī)律，結(jié)果表明在金剛石涂層中添加一定量的鋁粉可以提高金剛石釬焊涂層的耐磨性。然而金剛石涂層部件在使用過(guò)程中，其磨損失效形式主要是由于涂層基體合金的磨損導(dǎo)致基體對(duì)金剛石的把持力下降，使金剛石顆粒脫落失效所致。因此，增強(qiáng)涂層基體合金對(duì)金剛石的把持力，理論上可以提高涂層的耐磨性。

金剛石釬焊涂層具有極高的耐磨性，但是金剛石釬焊涂層中的釬料組織硬度偏低，會(huì)使金剛石在涂層部件服役過(guò)程中過(guò)早失效[12-14]。與銅基和銀基釬料合金相比，鎳基釬料合金具有機(jī)械強(qiáng)度高、成本低、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)[15]。因此，鎳基釬料合金已廣泛應(yīng)用于釬焊金剛石工具的制造中。同時(shí)，WC 作為涂層增強(qiáng)相早已受到了廣泛的關(guān)注，激光熔覆的WC 增強(qiáng)Ni 基涂層不僅可以提高涂層的硬度，而且可以提高涂層的耐腐蝕性能[16]。為此，在金剛石涂層中引入WC 微粉硬質(zhì)顆粒，研究WC 微粉顆粒對(duì)涂層組織和性能的影響，以期進(jìn)一步提高金剛石釬焊涂層的耐磨性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原材料

采用Q235 鋼為涂層制備的基體材料，釬涂所用原材料分別是鎳基釬料、金剛石和球形WC 微粉。鎳基釬料顆粒尺寸為10～70 μm，其化學(xué)成分如表1 所示，掃描電鏡圖片如圖1a 所示。人造金剛石顆粒尺寸為230～300 μm，其光學(xué)顯微鏡照片如圖1b 所示。球形WC 微粉顆粒尺寸為30～50 μm，其掃描電鏡圖片如圖1c所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將鎳基釬料與球形WC 微粉原料粉末烘干后，再按照質(zhì)量比7∶1 混合，使用混料機(jī)混合均勻獲得釬料與WC 的混合粉末；（2）使用混料機(jī)將鎳基釬料混合粉末和金剛石混合均勻，釬料與WC 的混合粉末、金剛石的質(zhì)量比8∶2（金剛石質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%），獲得含金剛石的混合粉末；（3）將含金剛石的混合粉末均勻鋪于70 mm × 20 mm × 10 mm 的長(zhǎng)方體Q235 鋼板上，其厚度為2 mm，再進(jìn)行感應(yīng)加熱釬焊[17]，獲得含WC 的釬焊樣品。未加WC 的釬焊樣品制備過(guò)程及方法相同，只是步驟（1）中使用純鎳基釬料，而不添加WC 粉。

感應(yīng)加熱釬焊采用深圳雙頻有限公司生產(chǎn)的SP-35 型感應(yīng)加熱設(shè)備，采用紅外測(cè)溫儀測(cè)試釬涂溫度，控制釬涂溫度在1 050 ～1 100 ℃ 之間，釬涂時(shí)間為35 s；釬涂完成后，試樣自然冷卻至室溫，就完成了鋼板表面涂層的制備。

采用德國(guó)ZEISS EVO 10 型掃描電子顯微鏡配合能譜儀對(duì)釬焊涂層組織進(jìn)行觀察與分析。使用HR-150A 硬度計(jì)測(cè)試釬料合金基體硬度。采用MML-1G型干砂橡膠輪摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，按照J(rèn)B/T 7705-1995 中的規(guī)定，分別對(duì)未添加WC 的金剛石釬涂層試樣和添加WC 的金剛石釬涂層試樣進(jìn)行三體磨粒磨損實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)載荷，30 N；橡膠輪轉(zhuǎn)速，150 r/min；使用顆粒尺寸為16～ 60 μm 的棕剛玉砂進(jìn)行磨損試驗(yàn)。設(shè)置磨損時(shí)間為40 min，每間隔5 min 使用電子分析天平測(cè)量一次被測(cè)試樣質(zhì)量，并計(jì)算涂層損失質(zhì)量，精確至0.000 1 g。

2 結(jié)果與分析

2.1 釬焊涂層組織分析

圖2 是在鎳基釬料中未添加WC 但添加20% 金剛石感應(yīng)釬涂涂層的微觀組織及其EDS 面掃描結(jié)果。由圖2 可知：不加WC 微粉的金剛石釬焊涂層組織中主要含有C、Ni、Cr、Fe 和Si 元素，且可明顯看出C 元素集中分布在金剛石顆粒上；Cr 元素主要分布在釬料合金基體中和金剛石界面處，Cr 元素在涂層中呈網(wǎng)狀分布，金剛石界面周?chē)鶦r 元素含量出現(xiàn)明顯上升現(xiàn)象。這是由于金剛石石墨化后，Cr 元素作為強(qiáng)碳化合物形成元素，與C 元素結(jié)合形成化合物，導(dǎo)致Cr 元素在金剛石周?chē)患煌瑫r(shí)，Ni、Fe 和Si 主要分布在鎳基釬料中。

圖3 是添加WC 微粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 時(shí)的感應(yīng)釬涂金剛石涂層微觀組織。由圖3 可知：與不加WC 微粉的金剛石釬涂層相比，在涂層金剛石顆粒之間，釬料與金剛石界面處出現(xiàn)了灰白色球形物質(zhì)。

將灰白色球形顆粒形貌放大，結(jié)果如圖4a 所示。從圖4a 可以看出，灰白色顆粒周?chē)霈F(xiàn)了點(diǎn)狀灰白色新相。對(duì)圖4a 的黃線進(jìn)行線掃面分析，其結(jié)果如圖4b所示。圖4b 的球形灰白色顆粒為加入的球形WC 微粉，而球形灰白色顆粒外的鎳基釬料合金與WC 發(fā)生冶金結(jié)合，W 和Ni 之間存在元素?cái)U(kuò)散層。

圖5 所示是圖3 的顯微組織的EDS 面掃描結(jié)果。由圖5 可知：C 集中在金剛石和金剛石界面處的碳化物中；與不加WC 微粉金剛石釬涂層相比， Cr、Ni、Fe和Si 元素分布情況與不添加WC 時(shí)的金剛石涂層的類(lèi)似，主要分布在鎳基合金基體中；W 元素集中分布在球形碳化鎢中，且WC 微粉的添加會(huì)導(dǎo)致Cr 元素的富集區(qū)域減小。這是因?yàn)閃C 顆粒在釬焊溫度下不會(huì)熔化，WC 顆粒被釬料合金潤(rùn)濕并與Ni 結(jié)合，實(shí)現(xiàn)釬料合金與WC 顆粒之間的潤(rùn)濕反應(yīng)。由于鎳基釬料合金中的Ni 是引起金剛石石墨化的元素，結(jié)合圖4 的線掃描結(jié)果可知：添加WC 顆粒的金剛石涂層中Ni 與WC 之間發(fā)生了元素?cái)U(kuò)散，Ni 與WC 反應(yīng)，使Ni 元素的分布區(qū)域縮減，從而使金剛石的石墨化程度降低。因而，WC顆粒可以降低金剛石的石墨化程度。金剛石的石墨化程度降低，會(huì)導(dǎo)致金剛石周?chē)缑嫣幍腃r 元素富集程度降低[18]。

圖6 為涂層的顯微組織形貌和金剛石與釬料合金界面處的線掃描結(jié)果。從圖6a 和圖6b 可以看出：未添加WC 時(shí)，金剛石涂層的釬料合金組織主要由灰黑色的塊狀物和灰色的基體相組成；添加WC 顆粒的涂層，釬料合金組織中的塊狀灰黑色物消失，組織中出現(xiàn)細(xì)小的灰黑點(diǎn)狀組織，因而組織得到細(xì)化。這可能是由于涂層在釬焊后凝固過(guò)程中，固態(tài)的WC 顆粒作為熔融涂層中的異質(zhì)形核點(diǎn)，導(dǎo)致涂層組織的晶粒細(xì)化。且涂層中的WC 顆粒在涂層中彌散分布，具有彌散分布的作用。涂層組織的細(xì)化能夠提高涂層的硬度從而提高基體的耐磨性。

另外，從圖6b 和圖6d 的Cr 元素分布曲線可以看出：未添加WC 的涂層，金剛石與釬料之間的界面反應(yīng)寬度約為4 μm；而添加WC 后，金剛石與釬料之間的界面反應(yīng)寬度明顯變窄，這表明Cr 元素的富集程度下降。

2.2 涂層性能測(cè)試及分析

圖7 為未添加WC 的金剛石釬涂層和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% WC 的釬焊涂層的釬料合金基體硬度。由圖7 可以看出：相較未添加WC 的金剛石涂層基體，添加球形WC 微粉的金剛石釬涂層釬料合金基體的硬度明顯上升，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%WC 的釬料合金的洛氏硬度提高了7.5%。釬料合金基體硬度增加，對(duì)其耐磨性的提高具有一定的積極作用。

圖8 未添加WC 的金剛石涂層和添加WC 顆粒增強(qiáng)相的金剛石涂層三體磨粒磨損試驗(yàn)結(jié)果。從圖8 可以看出：在40 min 的磨損過(guò)程中，添加了WC 顆粒的金剛石涂層耐磨性顯著提高；未添加WC 的釬涂金剛石涂層質(zhì)量損失為0.196 g，而添加WC 微粉后的質(zhì)量損失為0.148 g，后者的耐磨性能提高了24.5%；且隨著耐磨試驗(yàn)的進(jìn)行，釬焊涂層的磨損質(zhì)量不斷變化，這與金剛石涂層組織的不均勻有關(guān)。金剛石密度小，WC 顆粒密度大，在釬涂過(guò)程中金剛石易上浮，WC 顆粒易下沉，導(dǎo)致涂層中的WC 增強(qiáng)相分布不均勻。在實(shí)際工程應(yīng)用中，可以通過(guò)降低釬焊保溫時(shí)間改善這一現(xiàn)象[10]。

圖9 顯示了耐磨涂層每5 min 的磨耗質(zhì)量變化。從圖9 可以看出：在磨損試驗(yàn)過(guò)程中，釬涂層每5 min時(shí)間的質(zhì)量損失逐漸降低，這與金剛石涂層組織不均勻有關(guān)； 且添加WC 的涂層的質(zhì)量損失小于未添加WC 涂層的。根據(jù)組織觀察結(jié)果，金剛石在涂層上部富集，在磨損過(guò)程中，磨損初期WC 顆粒和金剛石顆粒均在釬料合金基體中。隨著磨損的進(jìn)行，釬料逐漸被磨料剝落，WC 顆粒和金剛石逐漸露出，金剛石成為磨損載荷的主要承載區(qū)，而WC 顆粒露出基體后，也作為硬質(zhì)點(diǎn)抵抗磨粒磨損，與金剛石顆粒共同抵御磨料的磨損，使得涂層磨損的質(zhì)量減少，故WC 顆粒增強(qiáng)了涂層的耐磨性。然而，金剛石釬涂層分別在30、35 min時(shí)的質(zhì)量損失與添加WC 涂層的質(zhì)量損失差距不大，推測(cè)這與組織中金剛石和WC 顆粒強(qiáng)化相分布不均勻有關(guān)。但整體而言，添加WC 顆粒的涂層耐磨性能要優(yōu)于未添加WC 的金剛石釬涂涂層的耐磨性能。

3 結(jié)論

（1） 在金剛石涂層中添加WC 微粉， 金剛石、WC 微粉與鎳基釬料合金發(fā)生冶金結(jié)合，可以細(xì)化鎳基釬料合金組織晶粒，改善釬料合金組織，具有細(xì)晶強(qiáng)化的效果。

（2）通過(guò)在金剛石涂層中添加WC 顆粒，可以起到彌散強(qiáng)化的作用，添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%WC 的釬料合金的洛氏硬度與未添加WC 時(shí)的比較提高了7.5%。

（3） 添加WC 提高了金剛石涂層的耐磨性能。在相同的磨損實(shí)驗(yàn)條件下，未添加WC 微粉的釬涂金剛石涂層質(zhì)量損失為0.196 g，而添加WC 微粉后的涂層質(zhì)量損失為0.148 g，后者的耐磨性能提高了24.5%。

作者簡(jiǎn)介

吳奇隆，男，1993 年生，工程師。主要研究方向：金屬材料成型。

E-mail：zzuwql@163.com

通信作者： 董顯，男，1982 年生，碩士、高級(jí)工程師。主要研究方向：新型焊接材料及焊接技術(shù)。

E-mail：zdclyjy@163.com

（編輯：周萬(wàn)里）