鋼鐵表面原位合成碳化鎢涂層的耐磨性研究*

任 瑩 王立輝 錢繼鋒

(陸軍軍事交通學(xué)院軍用車輛工程系 天津 300161)

磨損是材料與能源消耗的主要因素，機(jī)器零部件 在使用中會不斷磨損而導(dǎo)致報(bào)廢，所以抗磨技術(shù)一直是材料學(xué)與摩擦學(xué)的重要組成部分。由于磨損主要發(fā)生在部件的接觸表面，因而也是表面工程中的重要內(nèi)容[1]。在某些情況下，若選用貴重金屬或合金制造整體設(shè)備及零件，有時也能滿足表面性能的要求，但從經(jīng)濟(jì)性上考慮往往是行不通的，因?yàn)榻档筒牧铣杀疽彩菣C(jī)械工業(yè)對材料學(xué)工作者提出的任務(wù)之一，同時在許多情況下也無法找到一種能夠同時滿足整體和表面要求的材料。使用表面處理的方法，可以在普通、價格較低的金屬材料表面涂覆或滲入稀貴金屬，既能滿足性能要求，又能降低成本[2]。

碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料具有非常良好的抗磨損性能，在涂層中，基體包裹碳化鎢顆粒，對碳化鎢顆粒有支撐和保護(hù)作用。由于鋼鐵液的成形性能好，與碳化鎢顆粒完全潤濕，幾乎所有的鋼鐵材料都可以作為碳化鎢增強(qiáng)顆粒的基體。

目前，國內(nèi)外對碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料的制備工藝主要有鑄滲法(casting infiltration)、熱噴涂法 (ther mal spraying)、粉末燒結(jié)法 (powder metall ur gy)、熔注法(melting injection)[3]、離子注滲法 (ion i mplanting)[4]、堆焊法[5～6]、激光熔覆法[7～8]、原位合成法[9～10]、電渣熔鑄法等。

本實(shí)驗(yàn)采用原位合成法，利用鎢極氬弧的高溫條件，在熔敷過程中引發(fā)特定噴涂原材料間的合成反應(yīng)生成WC涂層，對涂層的耐磨損性能進(jìn)行研究。

1 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)使用的原料如下:

基體材料:45鋼。

三氧化鎢、石墨、鎢鐵、碳化硅、碳化硼、鎢粉。

三氧化鎢:本實(shí)驗(yàn)使用的是重慶涵美礦業(yè)開發(fā)有限公司生產(chǎn)的WO3含量不小于99.95%的三氧化鎢粉末，粒度在-300目，松裝容重為2.0～2.8 g/c m3。

石墨:采用粒度為-20目的片狀石墨。

鎢鐵:本實(shí)驗(yàn)使用的是西安凱通金屬材料有限公司生產(chǎn)的W含量為80%的鎢鐵粉，粒度在-40～+100目之間。

碳化硅:本實(shí)驗(yàn)使用的是臨沂市金蒙碳化硅有限公司生產(chǎn)的Si C含量不小于98.5%的綠碳化硅，粒度在-20～+40目之間。

碳化硼:本實(shí)驗(yàn)使用的是牡丹江市前進(jìn)碳化硼有限公司生產(chǎn)的碳化硼粉末。

鎢粉:本實(shí)驗(yàn)使用的是湖南鴻瑞新材料有限公司生產(chǎn)的W含量不小于99.75%的鎢粉，粒度在-60～+160目之間。

以鎢極氬弧作為熱源，選擇不同的原料進(jìn)行原位合成WC涂層的實(shí)驗(yàn)，對得到的涂層進(jìn)行組織觀察和硬度測試，從中選擇幾個有可能生成WC的試樣，利用自制的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對涂層進(jìn)行耐磨性的測試。

對試樣進(jìn)行編號如下:

1號試樣:鎢粉與碳化硅為原料制備的試樣；

2號試樣:鎢鐵與石墨為原料制備的試樣；

3號試樣:鎢鐵與碳化硅為原料制備的試樣；

4號試樣:鎢鐵與碳化硼為原料制備的試樣；

5號試樣:鎢粉與碳化硼為原料制備的試樣；

6號試樣:等離子弧堆焊法制備的鎳基碳化鎢(WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)涂層試樣，作為對照試樣。

2 硬度測試

采用維氏硬度計(jì)分別測量5個試樣的涂層硬度，實(shí)驗(yàn)條件為:10 kg載荷，15 s保荷，結(jié)果如表1所示。

表1 維氏硬度沿層深方向分布

圖1 (W+Si C)涂層橫截面硬度分布曲線

維氏硬度沿層深方向分布曲線如圖1～圖5所示。

圖2 (W-Fe+C)涂層橫截面硬度分布曲線

圖3 (W-Fe+Si C)涂層橫截面硬度分布曲線

圖4 (W-Fe+B4 C)涂層橫截面硬度分布曲線

圖5 (W+B4 C)涂層橫截面硬度分布曲線

從測定結(jié)果可以看出:

1)在涂層內(nèi)(熔化區(qū))的基體上分布著硬度很高的硬質(zhì)相碳化物，大大的提高了復(fù)合涂層的硬度，這樣高的硬度也有利于涂層具有較高的耐磨損性能。

2)從涂層表面到母材區(qū)域，硬度先升高，再逐漸降低，這是因?yàn)橛操|(zhì)顆粒WC的密度較大，大部分分布在涂層中下部，所以涂層顯微硬度最大值在曲線的中部。

3 耐磨性的表征

質(zhì)量磨損量:在一定條件下，材料磨損前后的整體質(zhì)量的變化量稱為質(zhì)量磨損量，即指材料的質(zhì)量損失。

磨損速度:即為單位時間的磨損量，V=磨損量/磨損時間(kg/h)。

應(yīng)用較多的是耐磨性和相對耐磨性。耐磨性指在某個磨損過程中抵抗磨損的能力，相對耐磨性指在相同磨損條件下，標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量和實(shí)驗(yàn)試樣磨損量的比值ε=標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損量/實(shí)驗(yàn)試樣磨損量[11]。

4 涂層磨損實(shí)驗(yàn)

采用自制的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨料磨損實(shí)驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，對磨試樣為45號淬火鋼，磨料為Al2O3，粒度為-20～+40目。在法向方向上對試樣施加30 N的載荷，對以上5個試樣和對照試樣分別進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，采用稱重法測量試樣的磨損量，使用電子天平，精度為0.000 1 g。

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1)預(yù)磨。首先除去試樣表面的氧化層，之后預(yù)磨10 min，磨出一個平面。

2)清洗并稱量。對預(yù)磨后的每一個試樣進(jìn)行清洗，采用酒精作為清洗液，清洗后烘干，在電子天平上稱量，并記錄稱量的質(zhì)量。

3)磨損。依次對各個試樣進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，每磨5 min測量一次質(zhì)量，每個試樣磨損3次。

4)磨損后稱量。將每一次磨損后的試樣用酒精一一清洗并烘干，在電子天平上稱量，記錄下每次磨損后的質(zhì)量。每次磨損的質(zhì)量損失依次為ΔG1、ΔG2、ΔG3，平均質(zhì)量磨損量為ΔG。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在磨損過程中，由于碳化鎢顆粒的高硬度，可以抵抗磨料的侵入，保護(hù)基體，使其免于直接受到磨粒的作用。但由于碳化鎢是孤立的，它又需要依靠基體對它的支持。各個試樣的磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各個試樣的磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可見，1號試樣的耐磨性是對照試樣的2.24倍，2號試樣的耐磨性是對照試樣的1.82倍，3號試樣的耐磨性是對照試樣的0.84倍，4號試樣的耐磨性是對照試樣的1.15倍，5號試樣的耐磨性是對照試樣的1.16倍。其中，1號試樣的耐磨性最好，2號試樣次之，3號試樣的耐磨性最差。

復(fù)合材料隨著磨程的增加，其質(zhì)量損失值有下降的趨勢，這是因?yàn)樵谀p初期，復(fù)合材料復(fù)合層中的金屬基體接觸磨料的幾率較大，所以磨損初期復(fù)合層中金屬基體損失較多，而隨著磨程的繼續(xù)進(jìn)行，復(fù)合層中金屬基體接觸磨料的幾率逐漸下降，所以復(fù)合材料總的質(zhì)量損失值就有所下降。而且復(fù)合層中靠近內(nèi)層的復(fù)合層質(zhì)量較好，這也是造成質(zhì)量損失減小的一個原因。

質(zhì)量磨損量對比如圖6所示，相對耐磨性對比如圖7所示。

圖6 質(zhì)量磨損量對比

圖7 相對耐磨性對比

在1號、2號試樣中，有大量硬質(zhì)相 WC生成，而且分布比較均勻，此外由于W具有固溶強(qiáng)化的作用，所以1號、2號試樣具有較高的耐磨性。雖然3號試樣中也有大量的WC生成，但是WC硬質(zhì)相與基體之間有明顯的分界，而且涂層中有裂紋生成，所以該試樣的耐磨性較差。在4號、5號試樣中，涂層中并沒有生成大量的WC硬質(zhì)相，但是由于B元素的加入，生成了硬度較高的硼化物，形成了強(qiáng)大的耐磨骨架，能有效地抵抗高硬度磨料的切入，所以具有比較高的耐磨性。

在等離子弧堆焊法制備的鎳基碳化鎢(WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)涂層試樣中，WC顆粒在堆焊過程中受熱發(fā)生分解，降低了它的耐磨料磨損性能。

5 結(jié)論

1)從涂層表面到母材區(qū)域，硬度先升高，再逐漸降低，這是因?yàn)橛操|(zhì)顆粒 WC的密度較大，大部分分布在涂層中下部，所以涂層顯微硬度最大值在曲線的中部。

2)在常溫磨料磨損條件下，鎢粉與碳化硅為原料制備的試樣的耐磨性最好，是等離子弧堆焊法制備的鎳基碳化鎢(WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%)涂層試樣(對照試樣)的2.24倍；鎢鐵與石墨為原料制備的試樣的耐磨性是對照試樣的1.82倍；鎢鐵與碳化硼為原料制備的試樣的耐磨性是對照試樣的1.15倍；鎢粉與碳化硼為原料制備的試樣的耐磨性是對照試樣的1.16倍；鎢鐵與碳化硅為原料制備的試樣的耐磨性最差，是對照試樣的0.84倍。