鎳基－WC燒結(jié)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(xué)，安徽高性能有色金屬材料省級實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000；2.中國聯(lián)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(fèi)稀有材料來開發(fā)耐磨材料的方法已經(jīng)越來越?jīng)]有市場.而在現(xiàn)有材料基礎(chǔ)上通過表面技術(shù)處理的耐磨材料成為發(fā)展趨勢.目前，Ni－WC耐磨涂層常用的表面制備技術(shù)有：堆焊技術(shù)［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(qiáng)金屬基耐磨涂層的制備技術(shù)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(dǎo)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(xiàn)象［5－6］；采用電弧堆焊會使原始碳化鎢顆粒大部分熔化，導(dǎo)致耐磨性下降［7］；以及造成WC偏聚導(dǎo)致涂層產(chǎn)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(shù)都需要專用設(shè)備及必須在真空或保護(hù)氣體狀態(tài)下才能進(jìn)行，生產(chǎn)成本高；并且在制備大平面的耐磨板時耗時過長，生產(chǎn)率較低.

爐內(nèi)燒結(jié)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(nèi)燒結(jié)在制備大面積的耐磨板時，具有工序簡單利于批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，因此爐內(nèi)燒結(jié)是一種可以解決WC分解的涂層制備技術(shù).本文研究Ni－WC耐磨涂層的爐內(nèi)燒結(jié)工藝，研究燒結(jié)涂層的組織與相結(jié)構(gòu)及其摩擦性能.

1 試驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)采用35鋼作為基體材料，機(jī)加工成為直徑36mm，高15mm的盤狀.

采用鎳基－WC合金粉末，化學(xué)成分為Ni 60%，Cr 8%，Si 3.5%，B 3.5%，WC 5%，F(xiàn)e余量.

樣品制備：實(shí)驗(yàn)采用KBF16Q真空爐燒結(jié)鎳基－WC涂層，通過調(diào)整燒結(jié)溫度和保溫時間制備燒結(jié)涂層.為避免燒結(jié)過程中氣孔和裂紋等缺陷的產(chǎn)生，涂層先進(jìn)行300℃預(yù)熱，然后升溫到燒結(jié)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(yàn)機(jī)檢測涂層的耐磨性能.載荷200N，轉(zhuǎn)速400r/min，滑動距離2km，干摩擦，環(huán)境相對濕度為85%.

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

2 結(jié)果與討論

2.1 燒結(jié)工藝對涂層顯微組織的影響

溫度1 100℃、保溫時間20min燒結(jié)涂層的光學(xué)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(zhì)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(xì)小孔隙和大孔洞說明1 100℃燒結(jié)涂層的組織不致密.溫度1 100℃、保溫時間20min燒結(jié)涂層的掃描形貌如圖1b所示.由圖1b可見，涂層中存在細(xì)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(jié)時并未完全熔化，處于半熔融狀態(tài).

圖1 1 100℃燒結(jié)20min的涂層

圖2 1 250℃保溫20min的燒結(jié)涂層

1 250℃、保溫時間20min燒結(jié)涂層的光學(xué)顯微組織形貌如圖2所示.由圖2a可見，隨著燒結(jié)溫度升到1 250℃，保溫時間仍為20min的涂層中的空隙已經(jīng)消失，相比1 100℃燒結(jié)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(jié)合界面.由圖2c可見，1 250℃燒結(jié)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(zhì)相，與1 100℃燒結(jié)涂層相比，第二相的析出更多.這是由于涂層在1 250℃下燒結(jié)，粉末顆粒已經(jīng)完全熔化，涂層已經(jīng)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(jié)涂層

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

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

2.2 涂層的XRD圖譜分析

涂層樣品XRD物相分析結(jié)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(zhì)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(shí)驗(yàn)機(jī)檢測1 250℃燒結(jié)涂層的耐磨性能.摩擦實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)移到涂層上導(dǎo)致涂層重量增加；摩擦系數(shù)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(qiáng).由圖5a可見，磨損以黎溝磨損為主.這是由于燒結(jié)層中析出了大量的硬質(zhì)相，以及增強(qiáng)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(fā)現(xiàn)表面上有從對磨削上轉(zhuǎn)移過來的基體元素，在涂層表面形成了轉(zhuǎn)移膜.

3 結(jié)論

采用1 250℃、保溫20min燒結(jié)鎳基涂層，能夠獲得組織致密、冶金結(jié)合的涂層.1 100℃燒結(jié)涂層的組織中以未熔融的粉末顆粒粘結(jié)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(zhì)相為主，涂層致密.說明燒結(jié)中粉末顆粒充分熔化是獲得致密涂層的前提.燒結(jié)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(shí)驗(yàn)表明，燒結(jié)涂層表面粘附從45鋼耐磨銷上轉(zhuǎn)移的黑色膜.

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