熔滲法制備WC陶瓷顆粒增強BNi82CrSiB釬料摩擦學特性

張寶軍，張長軍

(1.西安天力金屬復合材料股份有限公司，陜西 西安 710200；2.長安大學 材料科學與工程學院，陜西 西安 710064)

0 引 言

工程機械上一些關鍵部件常處于高速、重載、沖擊、摩擦及腐蝕等苛刻工況下，因此材料表面極易過度磨損而失效。提高材料表面抗磨損性能是材料領域研究重點之一。許多研究結果表明，金屬基體釬涂材料由于具有良好的耐高溫、抗磨損性能。在金屬基體中添加增強相(如Al2O3陶瓷、稀土等)制備金屬基復合材料，能夠提高材料的抗磨性能[1-2]。合適的增強相能夠提高釬涂復合材料的硬度及抗磨損性能。本研究利用熔滲法，在鎳基釬料BNi82CrSiB基體合金中添加鑄造WC陶瓷顆粒，制備新型釬涂復合材料，研究了材料的顯微組織及抗磨損性能。

1 試驗材料及方法

圖1 原材料掃描圖像

采用具有較高硬度的鑄造WC(W2C)陶瓷顆粒作為增強相，顯微硬度約為2 500～3 000 HV，形貌如圖1(a)所示。釬涂材料采用BNi82CrSiB釬料，形貌如圖1(b)所示。釬料含Cr 7%、Si 4.5%、B 3.1%、Fe 3%，C含量小于0.1%、余量為Ni，熔化溫度為970 ℃～1 000 ℃，粒度為80 目～120 目。根據(jù)設計磨具大小，BNi82CrSiB釬料與WC陶瓷顆粒質(zhì)量比為1∶0.223。

采用真空熱壓爐制備釬涂復合材料，真空度保持低于52 Pa。制備工藝是以平均加熱速率為25 K·min-1加熱至1 448.15 K，保溫60 min，隨爐冷卻，制備試樣長度為200 mm。距離冒口較近端標記為頂端，較遠端標記為底部。采用X/Pert Pro型X射線衍射儀進行相結構分析，光學顯微鏡及日立S4800掃描電子顯微鏡(SEM)觀察顯微組織及磨損表面形貌，71型顯微硬度計獲得顯微硬度，ML-10型銷盤磨損試驗機評定滑動磨損性能?；瑒幽p外加載荷為45 N及60 N，配副材料為90目及160目的SiC砂紙，對應磨料尺寸分別為165m及95 μm，磨損行程為18.37 m。

2 試驗結果

2.1 顯微組織特征

真空鑄造WC陶瓷顆粒增強BNi82CrSiB釬涂復合材料的顯微組織，如圖2所示。WC陶瓷顆粒呈相對均勻分布形貌，顆粒之間充滿BNi82CrSiB釬料，并且沒有觀察到明顯的空洞。這歸因于BNi82CrSiB釬料具有相對優(yōu)良的流動性及與WC界面良好的潤濕性能[3]。與底部形貌相比，WC陶瓷顆粒的尺寸減小，顆粒表面出現(xiàn)凹坑及浸蝕痕跡，導致顆粒之間的距離增加。這是由于頂部WC陶瓷顆粒在高溫下長時間與釬料接觸，發(fā)生了較為嚴重的熱作用。由此可知，制備釬涂復合材料必須嚴格控制溫度及時間。

圖2 真空鑄造WC/Ni82CrSiB試樣光學顯微照片

真空鑄造WC陶瓷顆粒增強BNi82CrSiB釬涂復合材料物相分析結果，如圖3所示。圖中同時給出了參比合金B(yǎng)Ni82CrSiB釬料的XRD圖譜。分析結果表明，釬涂復合材料的主要組成相為WC、W2C、W及未知相。未知相的出現(xiàn)將對釬涂復合材料的磨損行為產(chǎn)生影響。

圖3 鑄造WC/BNi82CrSiB熔鑄試樣及參比合金B(yǎng)Ni82CrSiB的XRD圖譜

2.2 磨損試驗

圖4 鑄造WC/Ni82CrSiB試樣及參比合金Cr28的磨損量與粒度關系示意圖

在不同載荷下，真空鑄造WC陶瓷顆粒增強BNi82CrSiB釬涂復合材料及參比合金Cr28的磨損量與配副SiC不同粒度之間的關系，如圖4所示。與Cr28合金相比，在外加載荷45 N及粒度90目的條件下，釬涂復合材料的磨損量約為0.077 g，參比合金Cr28的磨損量為0.572 g，釬涂復合材料磨損量約為參比合金磨損量的13.4%。在外加載荷增加至60 N時，釬涂復合材料與參比合金Cr28磨損量表現(xiàn)出相似的規(guī)律。值得注意的是，在外加載荷45 N及粒度160目的條件下，釬涂復合材料的磨損量約為0.031 g，參比合金Cr28的磨損量為0.247 g，釬涂復合材料磨損量約為參比合金磨損量的12.5%。在外加載荷相同的條件下，磨損量隨磨粒目數(shù)的增加而減小，抗磨性能增加，反之亦然。此外，在外加載荷及粒度相同時，釬涂復合材料的頂部較其底部的磨損量略微減小，但仍遠低于參比合金Cr28。由此可知，釬涂復合材料較參比合金Cr28具有更為優(yōu)良的抗磨損性能。優(yōu)良的抗磨性能歸因于WC陶瓷顆粒的添加。

鑄造WC/BNi82CrSiB釬涂復合材料及參比合金Cr28磨損表面形貌，如圖5～6所示。參比合金Cr28增強相為M7C3型碳化物，較配副SiC的硬度較低。因此，M7C3型碳化物不能有效抵擋SiC顆粒的顯微切削作用，磨損面呈現(xiàn)出“犁溝”形貌。但是，鑄造WC/BNi82CrSiB釬涂復合材料磨損表面呈現(xiàn)了不同形貌。在外加載荷較小時，WC陶瓷顆粒與基體合金表面基本位于同一平面上，如圖6(a)和6(c)所示。隨著外加載荷增加，WC陶瓷顆粒與基體表面呈現(xiàn)凹凸不平，基體BNi82CrBSi釬料由于較低的硬度而發(fā)生磨損，導致硬質(zhì)WC陶瓷顆粒相對凸起，如圖6(b)和6(d)所示。此外，外加載荷增加誘發(fā)磨損表面呈現(xiàn)相對明顯的“犁溝”形貌，如圖6(a)和6(b)所示。但是，與參比合金Cr28形貌相比，“犁溝”呈現(xiàn)出淺而狹小的特征。這意味著隨著外加載荷的減小，鑄造WC對抵抗SiC的顯微切削作用增加。值得一提的是，隨著外加載荷降低、SiC粒度減小，釬涂復合材料表面更為平整，說明了材料

圖5 參比合金28Cr鑄鐵磨損前后顯微組織及表面形貌(磨料為SiC)

圖6 鑄造WC/BNi82CrSiB試樣不同磨損條件下表面磨損形貌對比

圖7 鑄造WC陶瓷顆粒邊緣SEM形貌及硬度測試

抗磨損性能提高，如圖6(c)所示。

3 討 論

鑄造WC/BNi82CrSiB釬涂復合材料的抗磨性能與WC陶瓷顆粒本征性能緊密相關。然而，WC陶瓷顆粒在高溫長時間保溫過程中，與基體BNi82CrSiB釬料相互作用，導致WC陶瓷顆粒邊緣出現(xiàn)凹坑及浸蝕痕跡，這表明WC陶瓷顆粒邊緣可能發(fā)生冶金反應。因此，對頂部試樣WC陶瓷顆粒邊緣進行了SEM形貌分析，如圖7所示。根據(jù)襯度差別，SEM圖像由WC陶瓷顆粒、BNi82CrSiB基體及界面反應區(qū)組成。界面反應區(qū)的出現(xiàn)減小WC陶瓷顆粒區(qū)域面積。

為研究界面反應區(qū)對釬涂復合材料抗磨損性能的影響，對WC陶瓷顆粒及邊緣進行了顯微硬度試驗，如圖7所示。采用外加載荷為1 N，顯微硬度試驗結果見表1。WC陶瓷顆粒中心區(qū)域的顯微硬度值最高(約2 470 HV)，遠離中心區(qū)域，硬度值降低。尤其值得注意的是，界面反應區(qū)的顯微硬度值大幅下降(約1 195 HV)。與中心區(qū)域硬度值相比，界面反應區(qū)的硬度值降低了51.6%。由此可知，鑄造WC陶瓷顆粒與BNi82CrSiB釬料發(fā)生了界面反應，導致了WC陶瓷顆粒顯微硬度由中心到邊緣呈逐步降低的趨勢。結合XRD分析結果，未知相的出現(xiàn)也進一步證實存在界面反應。根據(jù)混合準則可知，釬涂復合材料耐磨損性能與WC本征硬度及體積分數(shù)密切相關[4]，而界面反應層的出現(xiàn)降低了WC陶瓷顆粒硬度及體積分數(shù)。因此，在制備鑄造WC/BNi82CrSiB釬涂復合材料時應該調(diào)控制備工藝，避免增強顆粒與基體之間發(fā)生冶金反應。

表1 鑄造WC陶瓷顆粒的顯微硬度值

4 結 語

通過熔滲法制備鑄造WC/BNi82CrSiB釬涂復合材料，研究了合金的顯微組織及抗磨損性能。結果表明，WC陶瓷顆粒相對均勻分布于基體BNi82CrSiB釬料，并與基體發(fā)生了界面反應。界面反應層的硬度低于WC陶瓷顆粒中心硬度。磨損試驗表明，當前釬涂復合材料具有優(yōu)良的抗磨損性能。這歸因于WC陶瓷顆粒優(yōu)良的本征抗磨損性能。