釬焊金剛石耐磨涂層制備及其磨損性能*

曹忠溪， 周玉梅， 張鳳林， 張桂霞， 駱少明

(1. 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院, 廣州 510225)(2. 廣東工業(yè)大學, 廣州 510006)

在農(nóng)業(yè)機械領域中，一些觸土工具如犁鏵、旋耕刀、耙片、收割機刀片等刃具，由于直接接觸沙石、土壤、水分、鹽分等堅硬及腐蝕性物質(zhì)，存在嚴重的磨粒磨損、物質(zhì)腐蝕以及黏附等，從而導致其使用壽命較短。隨著農(nóng)機裝備的高速發(fā)展及土壤環(huán)境的變化，對農(nóng)機刃具的使用性能和壽命提出了更高的要求[1- 3]。

磨損是農(nóng)機觸土部件失效的主要原因，每年都造成巨大的經(jīng)濟損失，而磨粒磨損是最嚴重的磨損形式[4-7]。目前，國內(nèi)外提高農(nóng)機觸土部件耐磨性的方法主要有3種[8-9]:(1)采用高硬度、高耐磨性的新材料提高工作部件性能;(2)易磨損件儲備材料備份，如犁鏵背部的“鋼材儲備”結(jié)構(gòu)，用鍛造延伸法來延長其使用壽命;(3)表面工程技術(shù)，包括表面改性、表面仿生結(jié)構(gòu)、表面涂層等。其中，最有效的方法是采用表面涂層技術(shù)，即通過堆焊、激光熔覆、熱噴涂、粉末冶金、釬焊等工藝將復合材料熔覆在部件表面而形成耐磨層。涂層的基體材料通常為鐵基、鎳基、銅基等材料，耐磨材料多采用WC、TiC、Si等[10-11]。JANKAUSKAS等[12]采用手工電弧焊以不銹鋼和低碳鋼為黏結(jié)相制備了WC耐磨硬質(zhì)涂層；NALBANT 等[13]采用物理氣相沉積法在犁鏵表面制備了TiN耐磨涂層；王長生等[14]在65Mn鋼錘片表面噴焊Ni-WC合金耐磨層，使錘片的壽命提高了6倍以上；王鵬飛等[15]用反應氮弧熔覆技術(shù)和Zn粉、石墨粉及N2，在65Mn 鋼基體表面制備了耐磨及抗氧化性能優(yōu)良的ZnCN/Fe金屬陶瓷復合涂層。

目前，國內(nèi)外利用表面工程技術(shù)增強農(nóng)機刃具性能的技術(shù)越來越成熟，但經(jīng)其處理后的農(nóng)機刃具仍存在合金層結(jié)合強度較低、使用過程中易出現(xiàn)開裂、剝落等問題，而影響其使用效果[16]。金剛石因其具有超高的硬度、高的化學穩(wěn)定性和較低的摩擦系數(shù)，特別適合用作耐磨涂層材料[17-19]。釬焊作為一種金剛石工具制造方法已在國內(nèi)外廣泛應用，在釬焊過程中釬料合金熔化形成毛細作用，使合金緊密包裹金剛石，在金剛石與釬料合金之間形成強的化學鍵，大大提高了合金與金剛石的結(jié)合強度[20-23]。

本研究在Q235鋼基體表面釬焊不同粒徑及表面鍍覆的金剛石涂層，研究釬焊金剛石涂層的摩擦磨損及抗磨粒磨損性能，并與農(nóng)機刃具常用材料65Mn鋼對比，探討釬焊金剛石涂層的磨損規(guī)律及磨損機理。

1 實驗材料及方法

1.1 釬焊金剛石涂層制備

實驗用材料為Q235鋼基體、Ni基釬料、金剛石。選用河南黃河旋風股份有限公司生產(chǎn)的HFD-C牌號粒度代號100/120 、140/170 、170/200的金剛石3種，以及粒度代號140/170表面鍍鎢的金剛石(文中用 140/170W表示)1種。釬焊前，首先用平均粒徑25 μm的氧化鋁砂紙打磨Q235鋼基體表面，去除其表面的氧化膜；再用丙酮清洗、烘干；然后將金剛石與釬料按質(zhì)量比1∶3均勻混合后涂覆于Q235鋼基體表面；最后在TYQH-48型真空高溫釬焊爐中進行釬焊，釬焊溫度980 ℃，保溫時間8 min，自然冷卻后制得釬焊金剛石涂層。

1.2 釬焊金剛石涂層性能表征方法

(1)用S-3400N-II型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察釬焊后金剛石涂層表面及金剛石涂層與鋼基體界面的微觀形貌，并測量金剛石涂層厚度。

(2)用球盤式摩擦磨損試驗儀(WTM-2E型，蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司生產(chǎn))研究釬焊金剛石涂層的摩擦磨損性能，并與農(nóng)機刃具常用材料65Mn鋼的對比。摩擦磨損試驗用金剛石涂層或65Mn鋼與ZrO2磨球?qū)δ?，再用SEM觀察金剛石涂層及65Mn鋼摩擦磨損試驗后及ZrO2磨球被磨損后磨痕的表面形貌，最后用Image-pro Plus軟件測量ZrO2磨球磨痕的長度和寬度。摩擦磨損實驗參數(shù)如表1所示。

表1 摩擦磨損實驗參數(shù)

(3)在MLD-10型動載磨料磨損試驗機(張家口市誠信試驗設備制造有限公司生產(chǎn))上，用三體磨粒磨損實驗研究涂層的抗磨粒磨損性能。試驗機上的上試樣為金剛石涂層或65Mn鋼，下試樣為軸承鋼，下試樣轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨料選用平均粒徑為250 μm的綠碳化硅，磨料流量約為100 g/min，上試樣與下試樣的安裝間距約230 μm。實驗分為2部分：①金剛石涂層和對比試樣65Mn鋼，實驗時間30 min，用SEM分別觀察其表面微觀形貌，再用萬分之一電子天平稱取試樣質(zhì)量，對比各金剛石涂層的抗磨粒磨損性能；②選用代號140/170 未鍍覆金剛石及鍍鎢金剛石的釬焊涂層進行對比實驗，實驗時間60 min，期間每10 min卸下試樣用萬分之一電子天平稱其質(zhì)量，研究不同金剛石釬焊涂層的抗磨粒磨損規(guī)律。

2 結(jié)果與討論

2.1 釬焊金剛石涂層的微觀形貌

釬焊金剛石涂層的表面形貌如圖1所示。圖1中：各涂層中金剛石分布較均勻，金剛石與釬料結(jié)合良好，外層金剛石部分出露。釬焊金剛石涂層與鋼基體的界面微觀形貌如圖2所示。從圖2可以看出：金剛石涂層與Q235鋼基體結(jié)合良好。圖2中，釬焊100/120金剛石涂層厚度為348 μm，釬焊140/170金剛石涂層厚度為375 μm，釬焊140/170W金剛石涂層厚度為377 μm，釬焊170/200金剛石涂層厚度為371 μm。

(a)100/120(b)140/170(c)140/170W(d)170/200圖1 不同粒徑金剛石釬焊的涂層表面形貌Fig.1Surfacemorphologyofdiamondbrazingcoatingswithdifferentdiamondparticlesizes

(a)100/120(b)140/170(c)140/170W(d)170/200圖2 釬焊金剛石涂層與鋼基體的界面微觀形貌Fig.2Interfacemicroscopicmorphologiesofbrazeddiamondcoatingsandsteelmatrix

2.2 釬焊金剛石涂層的摩擦磨損性能

2.2.1 摩擦磨損后的表面微觀形貌

65Mn鋼和釬焊金剛石涂層摩擦磨損試驗后的SEM形貌如圖3所示。圖3a中：65Mn鋼出現(xiàn)了一條環(huán)狀的劃痕，圖片截取的其中一小段弧寬度約300 μm；圖3b～圖3e中：釬焊金剛石涂層未見明顯劃痕，但在涂層上遺留許多白色片狀磨屑(白色方框所示)，且圖3c中出現(xiàn)少量金剛石碎裂凹坑(白色圓圈所示)。對圖3b的B處白色磨屑進行EDS分析，得到B處EDS分析圖4，圖4的主要元素為O 和Zr。圖3b～圖3e中的A～H各處能譜分布結(jié)果如表2所示。表2中 Zr和O的原子數(shù)分數(shù)比接近1∶2，可以判斷該磨屑主要成分是ZrO2，是由ZrO2磨球被摩擦后脫落所致。由此可見，釬焊金剛石涂層的耐磨性優(yōu)于65Mn鋼的。

(a)65Mn(b)100/120(c)140/170(d)140/170W(e)170/200圖3 65Mn鋼和釬焊金剛石涂層摩擦磨損試驗后的表面微觀形貌Fig.3Surfacemorphologiesof65Mnsteelandbrazeddiamondcoatingsafterfrictionweartest

表2 圖3b～圖3e中的A～H處磨屑能譜分析結(jié)果

Tab. 2 EDS analysis results of wear debris at A～H in Fig. 3b～3e

位置元素原子數(shù)分數(shù)ωatZrOCNiA32.88%66.31%0.13%0.68%B32.98%67.02%0.00%0.00%C33.13%66.07%0.23%0.57%D32.65%66.97%0.11%0.27%E32.15%67.85%0.00%0.00%F32.44%67.56%0.00%0.00%G33.09%66.91%0.00%0.00%H32.25%66.76%0.31%0.68%

2.2.2 ZrO2磨球磨痕的微觀形貌

ZrO2磨球與對磨材料65Mn鋼、4種釬焊金剛石涂層摩擦磨損試驗后的表面形貌如圖5所示。圖5a中：65Mn鋼被ZrO2磨球劃擦的磨痕很小，只看到輕微的劃痕，磨痕周圍有“豆斑”狀黏著物(圖5a中方框)。圖5b～圖5e中：4種釬焊金剛石涂層對ZrO2磨球摩擦后的磨痕整體近似橢圓形，表現(xiàn)為犁溝形貌。

(a)65Mn(b)100/120(c)140/170(d)140/170W(e)170/200圖5 ZrO2磨球與不同對磨材料摩擦磨損后的表面形貌Fig.5SurfacemorphologiesofZrO2grindingballsafterfrictionandweartestwithdifferentgrindingmaterials

用 Image-pro Plus 軟件測量橢圓的長軸長和短軸長(圖5b所示)，每一條軸測量3次取其平均值，計算出4種橢圓磨痕的面積如圖6所示。從圖6可以看出：涂層中金剛石粒徑減小，ZrO2磨球的磨痕面積增大，說明釬焊金剛石涂層的耐磨性隨金剛石粒徑的減小而提高；而鍍鎢金剛石140/170W涂層的磨痕面積大于未鍍覆金剛石140/170涂層的，且?guī)缀跖c 170/200 的面積相等，說明鍍鎢金剛石涂層的耐磨性能更好。因此，通過ZrO2磨球磨痕面積的大小對比了各涂層間的相對耐磨性。

2.2.3 釬焊金剛石涂層及65Mn鋼的摩擦系數(shù)

ZrO2磨球與對磨材料65Mn鋼、4種釬焊金剛石涂層在摩擦磨損實驗中，摩擦系數(shù)隨時間的變化規(guī)律如圖7所示。從圖7可明顯看出：65Mn鋼與ZrO2磨球間經(jīng)歷了典型的3個摩擦磨損階段：(1)前2 min經(jīng)歷了“跑合階段”，摩擦系數(shù)從0.17上升至0.25；(2)進入了較長時間的“穩(wěn)定磨損”階段，摩擦系數(shù)逐漸上升至0.35；(3)從第14 min開始，進入劇烈磨損階段，摩擦系數(shù)波動較大，但總體上升幅度不大。

從圖7還可以看到：在同一條件下，釬焊金剛石涂層與ZrO2磨球的摩擦只經(jīng)歷了“跑合磨損”和“穩(wěn)定磨損”2個階段，摩擦系數(shù)均從0.47開始逐漸下降，到達0.25時趨于平緩。隨著金剛石粒徑減小，摩擦系數(shù)有降低的趨勢，但鍍鎢金剛石140/170W的涂層摩擦系數(shù)比未鍍覆金剛石140/170的涂層摩擦系數(shù)平均約高0.07。

2.2.4 釬焊金剛石涂層的摩擦磨損機理

圖8給出了65Mn鋼和釬焊金剛石涂層的摩擦磨損機制示意圖，圖中v為試樣運動速度，P為試樣的法向載荷。通過上述摩擦磨損形貌以及摩擦系數(shù)的研究，結(jié)合相關文獻[24-25]，認為65Mn鋼與ZrO2磨球的摩擦磨損方式主要以黏著磨損為主。根據(jù)Archard的磨損模型計算公式[26-29]：

(1)

式中：Q為總磨損量；K為微凸體中產(chǎn)生的磨粒概率數(shù)；P為法向載荷；L為滑動距離，由摩擦時間和摩擦轉(zhuǎn)速共同控制；H為較軟材料的硬度。

式(1)中材料磨損量與滑動距離和法向載荷成正比，與較軟材料的硬度成反比。

65Mn鋼的硬度約360 HV，遠小于ZrO2的硬度1 500 HV～1 800 HV。由圖8a、圖8b可知：當 65Mn鋼與ZrO2磨球摩擦時，在法向載荷的作用下兩者之間的部分微凸體互相接觸，進而開始相對滑動并形成較短時間的“跑合階段”，兩者之間的微凸體發(fā)生剪切作用使硬度較低的65Mn鋼微凸體首先斷裂成為磨屑。此期間，摩擦使彼此間的接觸面積和摩擦系數(shù)不斷增大，但磨損速度較低；而后進入較長時間的“穩(wěn)定磨損”階段，此階段磨損率變化不大，摩擦系數(shù)穩(wěn)步增長；隨著摩擦時間延長，摩擦使二者接觸面積進一步增大，65Mn鋼磨屑增加，黏著磨損加劇，進入“劇烈磨損”階段。

釬焊金剛石涂層與ZrO2磨球的摩擦磨損方式以二體磨粒磨損為主，其磨損機制如圖8c、圖8d所示：由于釬料與金剛石之間化學冶金結(jié)合，釬料對金剛石的把持力較高；當磨削時，涂層中凸起的高硬度金剛石固定磨粒在ZrO2磨球表面相對滑動，在法向載荷作用下對ZrO2磨球進行磨削而形成磨屑并散落在涂層表面，而ZrO2磨球則形成犁溝形貌；隨著ZrO2磨屑在涂層表面不斷散落，“微滾珠”效應[30]逐漸形成，將部分滑動摩擦轉(zhuǎn)為滾動摩擦，因而摩擦系數(shù)呈現(xiàn)降低的趨勢。因此，釬焊金剛石涂層高耐摩擦磨損性能的實質(zhì)，是涂層中凸起的高硬度耐磨金剛石在摩擦中為主要承載相，在一定程度上使涂層免遭磨損，從而保護了涂層。

(1)式同樣也適用于磨粒磨損情況，此時式中的K可解釋為磨粒的形體系數(shù)，尺寸大的、尖銳的、多角形的磨粒比尺寸小的、鈍的、圓的磨粒磨損快，但磨粒尺寸臨界值在80 μm左右，當磨粒尺寸超過臨界值時，磨損量不再隨著磨粒的增大而增大。本實驗中，所用金剛石磨粒尺寸基本在80 μm以上，因此金剛石顆粒大小不影響ZrO2磨球的磨損量[31]。然而，當金剛石質(zhì)量分數(shù)在各涂層中相同時，金剛石粒徑越大總數(shù)量便越少，表面凸起的金剛石數(shù)也越少，從而磨粒的總滑動距離也越小，根據(jù)式(1)得出的ZrO2磨球的磨損量也越少。此外，由于釬焊中表面鍍鎢金剛石在一定程度上保護了金剛石不會受熱損傷而破壞[32]，保持了其原有的鋒利度，因而在同一粒徑下釬焊鍍鎢金剛石涂層對ZrO2磨球的磨損量高于不鍍鎢金剛石涂層的，同時其摩擦系數(shù)也相對較高。

(a)65Mn鋼65Mnsteel(b)A處放大MagnificationofpointA(c)釬焊金剛石涂層Brazeddiamondcoatings(d)B處放大MagnificationofpointB圖8 65Mn鋼和釬焊金剛石涂層的摩擦磨損機制示意圖Fig.8Diagramoffrictionandwearmechanismfor65Mnsteelandbrazeddiamondcoatings

2.3 釬焊金剛石涂層的抗磨粒磨損性能

2.3.1 釬焊金剛石涂層磨粒磨損后的表面形貌

65Mn和不同粒徑釬焊金剛石涂層磨粒磨損后的表面微觀形貌如圖9所示。圖9a中：65Mn鋼試樣表面出現(xiàn)了不同程度的磨損，且磨損區(qū)域黏著坑密集，大量綠碳化硅磨粒被壓入試樣表層；而圖9b～圖9e中的釬焊金剛石涂層表面未見綠碳化硅磨粒。

(a)65Mn(b)100/120(c)140/170(d)140/170W(e)170/200圖9 65Mn鋼和釬焊金剛石涂層磨粒磨損后的表面形貌圖Fig.9Surfacemorphologiesof65Mnsteelandbrazeddiamondcoatingsafterabrasiveweartest

2.3.2 釬焊金剛石涂層的耐磨性

用試樣經(jīng)磨粒磨損后的質(zhì)量損失來評定其相對耐磨性，統(tǒng)計結(jié)果如圖10所示。圖10中：所有釬焊金剛石涂層的質(zhì)量損失均比65Mn鋼試樣的少；隨著金剛石粒徑減小，試樣的質(zhì)量損失呈降低趨勢；而且140/170W涂層的質(zhì)量損失不到65Mn鋼的二分之一，170/200的質(zhì)量損失不到65Mn鋼的四分之一。從圖10還可以看出：釬焊鍍鎢140/170W金剛石涂層的質(zhì)量損失小于釬焊未鍍覆金剛石140/170涂層的。因此，釬焊金剛石涂層的抗磨粒磨損性能優(yōu)于65Mn鋼的；且隨著金剛石粒徑的減小，涂層的抗磨粒磨損性能增加；釬焊鍍鎢金剛石涂層的抗磨粒磨損性能優(yōu)于釬焊未鍍覆金剛石涂層的。

2.3.3 金剛石有無鍍覆時涂層的抗磨粒磨損規(guī)律

釬焊鍍鎢金剛石140/170W涂層和釬焊未鍍覆金剛石140/170涂層對比實驗結(jié)果如圖11所示。從圖11可以看出：2種涂層的質(zhì)量損失均隨時間的延長而不斷增大；在同一時間內(nèi)，140/170W的質(zhì)量損失比140/170的少；圖11中的10～40 min，2條曲線的斜率緩慢增加，即質(zhì)量損失速度較慢；40～50 min，140/170 的斜率約增長了2倍，而140/170W的斜率稍有增長；50～60 min，140/170 的斜率增加速度下降，而140/170W的斜率增加速度繼續(xù)增長。

2.3.4 釬焊金剛石涂層抗磨粒磨損機理

65Mn鋼和釬焊金剛石涂層的抗磨粒磨損機制如圖12所示，圖中Fr為磨粒所受法向力，F(xiàn)t為磨粒所受切向力。從圖12可看出：65Mn鋼和釬焊金剛石涂層的磨粒磨損屬于三體磨粒磨損[33-34]。圖12a、圖12b中：下試樣轉(zhuǎn)動，綠碳化硅在上下試樣間滑動或滾動，其作用在試樣表面的力有法向力和切向力；而綠碳化硅的硬度3300 HV遠大于65Mn鋼的硬度，當下試樣軸承鋼轉(zhuǎn)動時，法向力將綠碳化硅磨粒壓入65Mn鋼表面形成壓痕，不斷的擠壓使65Mn鋼表面反復塑變，最終因疲勞而剝落；切向力使綠碳化硅向前推進。當綠碳化硅與65Mn鋼構(gòu)成的迎角大于臨界值時(不同材料臨界值在30°～90°之間變化)，對 65Mn鋼表面進行切削，使其產(chǎn)生磨損。

(a)65Mn鋼65Mnsteel(b)A處放大MagnificationofpointA(c)釬焊金剛石涂層Brazeddiamondcoatings(d)B處放大MagnificationofpointB圖12 65Mn鋼和釬焊金剛石涂層的抗磨粒磨損機制示意圖Fig.12Diagramofabrasivewearresistancemechanismof65Mnsteelandbrazeddiamondcoatings

圖12c、圖12d中：釬焊金剛石的硬度大于綠碳化硅的，但鎳基釬料高溫后的硬度小于1000 HV[35]，遠小于綠碳化硅的硬度；當綠碳化硅磨粒作用于釬焊金剛石涂層表面時，部分作用于金剛石，部分作用于釬料。當其作用力小于釬料對金剛石的把持力而大于金剛石屈服強度時，綠碳化硅破碎；當其作用力大于釬料對金剛石的把持力而小于金剛石屈服強度時，金剛石脫落；當其作用力既小于釬料對金剛石的把持力又小于金剛石屈服強度時，綠碳化硅剛性反彈或繼續(xù)滾動。實際上，因釬料的塑性遠不及65Mn鋼，所以綠碳化硅極少與釬料鑲合，僅對其磨削或使其產(chǎn)生壓痕，進而減弱釬料對金剛石的把持力。

因此，釬焊金剛石涂層的抗磨粒磨損性能實質(zhì)是涂層中的金剛石承載了部分磨粒的作用力；金剛石顆粒越多，抵抗磨粒的作用也越大。當大量綠碳化硅磨粒沖擊涂層時，作用在金剛石和釬料上的作用力在涂層中的多個部位同時進行，隨著磨損時間延長，涂層表層逐漸失效，進而破壞涂層中底層，甚至磨損基體。

圖11的曲線變化也基本符合這一規(guī)律。10～40 min時，釬焊鍍鎢金剛石涂層由于金剛石熱損傷少，其磨損速度低于金剛石表面未鍍覆涂層的；由于磨損量隨時間延長而增大，致使上下試樣間隙逐漸增大，單位時間內(nèi)涂層受到磨粒的沖擊次數(shù)減少，因而質(zhì)量損失速度下降[36]。40～50 min時，釬焊未鍍覆金剛石涂層進一步磨損，甚至伴有部分涂層脫落，磨粒進而對65Mn鋼基體進行磨損，因而磨損速度增大。50～60 min時，釬焊未鍍覆金剛石涂層試樣與下試樣的間隙進一步增大，因而其磨損速度降低；而釬焊鍍鎢金剛石涂層在此時間段磨損較嚴重，磨損速度增大。

3 結(jié)論

(1)用釬焊方法在Q235鋼基體表面制備不同粒徑、鍍覆狀態(tài)的金剛石耐磨涂層，涂層與基體結(jié)合良好，涂層厚度約為370 μm；金剛石在涂層中均勻分布，金剛石與釬料結(jié)合較好，外層有部分金剛石出露。

(2)金剛石粒徑減小，釬焊金剛石涂層的摩擦系數(shù)降低，摩擦磨損性能增強；釬焊鍍鎢金剛石涂層的摩擦系數(shù)和摩擦磨損性能均高于釬焊未鍍覆金剛石涂層的；釬焊金剛石涂層摩擦磨損的實質(zhì)是涂層中高硬度高耐磨的金剛石在摩擦中作為主要的承載相保護了涂層。

(3)釬焊金剛石涂層的抗磨粒磨損性能優(yōu)于65Mn鋼的，且隨著金剛石粒徑減小，涂層的耐磨性增大；釬焊鍍鎢金剛石涂層的抗磨粒磨損性能高于釬焊未鍍覆金剛石涂層的；釬焊金剛石涂層抗磨粒磨損的實質(zhì)是涂層中高硬度高耐磨的金剛石在三體磨粒磨損過程中承載了部分磨粒的作用力，從而在一定程度上保護了涂層。