感應(yīng)釬涂金剛石/鎳基合金復(fù)合涂層的性能

朱晨穎，孫志鵬，王宇

(中機(jī)智能裝備創(chuàng)新研究院(寧波)有限公司,寧波,315700)

0 序言

在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域，開(kāi)溝器、深松鏟、犁鏵、旋耕刀等農(nóng)機(jī)刀具作為核心部件，在工作過(guò)程中因長(zhǎng)期受來(lái)自土壤中植物硅酸鹽體、石英、長(zhǎng)石等極硬顆粒的磨粒磨損，極易失效.據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，80%以上的農(nóng)機(jī)刀具因磨粒磨損而失效報(bào)廢，這不僅會(huì)大大降低作業(yè)質(zhì)量，而且頻繁更換刀具會(huì)導(dǎo)致耕作進(jìn)度大幅延遲，極易錯(cuò)失最佳播種時(shí)機(jī).

目前國(guó)內(nèi)外提高農(nóng)機(jī)刀具耐磨性的方法主要有3 種：①易磨損件儲(chǔ)備材料備份，如犁鏵背部的“材料儲(chǔ)備”結(jié)構(gòu)，通過(guò)鍛造延伸法來(lái)延長(zhǎng)其工作壽命；②采用高硬度、高耐磨的新材料提升工作部件性能；③表面工程技術(shù)，包括表面涂層、表面改性等.其中最有效的方式是表面涂層技術(shù)，即通過(guò)激光熔覆、堆焊、熱噴涂等工藝在零部件表面熔覆復(fù)合材料，形成耐磨涂層[1-3].涂層的基體材料多采用鐵基、鎳基、銅基等合金，耐磨顆粒多采用WC，TiC，Cr3C2和CBN 等硬質(zhì)顆粒.Kang 等人[4]采用熱噴涂工藝在旋耕刀表面分別制備了Stellite-21，Cr3C2NiCr 和WC-Co-Cr 涂層，田間試驗(yàn)結(jié)果表明，較于原始刀具，噴涂以上3 種涂層的旋耕刀磨損質(zhì)量明顯減小，耐磨性能顯著提高.趙建國(guó)等人[5]利用火焰噴焊工藝在深松鏟的鏟尖制備了鐵基合金涂層，并利用噴焊后的余溫對(duì)其進(jìn)行了淬火熱處理，結(jié)果表明，噴焊余溫淬火可細(xì)化涂層組織，提高其涂層耐磨性.Karoonboonyanan 等人[6]通過(guò)高速氧燃料噴涂方法在旋耕刀表面制備了WC/Co 復(fù)合耐磨涂層，噴涂WC/Co 涂層的旋耕刀使用壽命明顯延長(zhǎng).目前國(guó)內(nèi)外通過(guò)表面涂層技術(shù)增強(qiáng)刀具耐磨性的技術(shù)日漸成熟，但經(jīng)過(guò)表面處理后的刀具仍然存在合金結(jié)合層強(qiáng)度低、工作過(guò)程中易出現(xiàn)開(kāi)裂甚至剝落的現(xiàn)象[7].釬涂是近年來(lái)發(fā)展的一種表面耐磨層制備技術(shù)，釬涂層與基體之間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)高于激光熔覆等技術(shù)制備的涂層.金剛石是目前世界上已知最堅(jiān)硬的材料，其硬度和耐磨性遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金等材料，且可以人工量產(chǎn).金剛石釬焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于建筑、石油、地質(zhì)、冶金、機(jī)械等行業(yè)，故以金剛石作為耐磨顆粒的釬涂技術(shù)具有可觀的應(yīng)用前景[8-10].

文中采用感應(yīng)釬涂工藝，在45 鋼基體表面制備不同金剛石含量的鎳基合金復(fù)合涂層，研究金剛石含量對(duì)涂層耐磨性的影響，并探討分析涂層的磨損機(jī)制，以期為金剛石釬涂技術(shù)的推廣應(yīng)用提供一定的理論依據(jù).

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用材料為45 鋼、鎳基釬料、金剛石顆粒.涂層材料用復(fù)合粉末的成分如表1 所示，其中鎳基釬料粒度為-300 目，化學(xué)成分如表2 所示，粉末形態(tài)如圖1a 所示，金剛石顆粒粒度為60～80 目，金剛石顆粒形貌如圖1b 所示，涂層所用粘結(jié)劑為有機(jī)溶劑.

圖1 釬涂用鎳基釬料粉末和金剛石顆粒形貌Fig.1 Morphology of Ni-based solder powder and diamond particle for brazing coating.(a) Ni-based solder powder;(b) diamond particles

表1 復(fù)合粉末的成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Composition of composite powder

表2 鎳基釬料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 2 Chemical composition of Ni-based brazing

將45 鋼作為基材，并預(yù)先加工為75 mm × 25 mm × 10 mm 的長(zhǎng)條基板，涂覆前先對(duì)基板進(jìn)行噴砂處理，以去除其表面的氧化膜，然后在無(wú)水乙醇中對(duì)基板進(jìn)行超聲清洗，最后用吹風(fēng)機(jī)徹底吹干.將復(fù)合粉末與粘結(jié)劑混合調(diào)成糊狀，均勻涂抹在基板表面上，然后置于鼓風(fēng)烘干箱內(nèi)，在100 ℃條件下保溫2 h.烘干后，利用感應(yīng)焊機(jī)，在感應(yīng)電流60 A，感應(yīng)釬焊時(shí)間25 s 條件下進(jìn)行釬涂.釬涂后，試樣自然冷卻至室溫，然后對(duì)涂層進(jìn)行噴砂處理，完成涂層制備.在MML-1G 干砂半自由磨料磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn)，研究釬涂涂層的耐磨性；采用掃描電子顯微鏡觀察釬涂涂層表面的金剛石微觀形貌；采用超景深顯微鏡、體式顯微鏡對(duì)釬涂涂層表面及內(nèi)部金剛石分布、石墨化情況及磨損后形貌進(jìn)行觀察；采用HR-150A 洛氏硬度計(jì)對(duì)涂層的宏觀硬度進(jìn)行測(cè)試.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層微觀組織

通過(guò)感應(yīng)釬涂工藝在45 鋼基體表面釬涂了含量不同的金剛石顆粒增強(qiáng)鎳基合金復(fù)合涂層，圖2為不同金剛石含量的涂層表面微觀形貌，其中黑色顆粒為金剛石，其余部位為鎳基釬料，可以看出，作為增強(qiáng)相的金剛石顆粒彌散分布于涂層表面.

圖2 不同金剛石含量的涂層表面微觀形貌Fig.2 Surface micromorphology of coatings with different diamond content.(a) 0%;(b) 5%;(c) 10%;(d) 15%;(e) 20%

圖3 為涂層表面金剛石形貌及碳化物層能譜圖.圖3a 為涂層表面金剛石形貌，可看出金剛石透明度降低，表面呈現(xiàn)明顯的凹坑而粗糙化，這是金剛石石墨化的表現(xiàn).金剛石在空氣中800 ℃左右就會(huì)進(jìn)行石墨化轉(zhuǎn)變，而釬焊溫度高達(dá)1 050 ℃[11-12]，遠(yuǎn)高于金剛石的石墨化轉(zhuǎn)變溫度，釬焊時(shí)傾向于首先在金剛石表面發(fā)生石墨化，石墨化會(huì)促進(jìn)C 原子向熔融釬料中溶解.同時(shí)釬料中碳化物形成元素向釬料/石墨液固前沿富集，在金剛石鄰近區(qū)域形成碳化物連續(xù)反應(yīng)層[13]，圖3b 為金剛石表面碳化物層的能譜圖，可看出，在金剛石表面形成了鉻的碳化物，故客觀看來(lái)，石墨層有利于碳化物的形成，從而提高釬料對(duì)金剛石顆粒的結(jié)合力[14-16]；另外可看到，涂層表面的金剛石顆粒有一定的出露高度，呈現(xiàn)明顯的“爬坡”現(xiàn)象，表明鎳基釬料對(duì)金剛石有很好的潤(rùn)濕性，釬料與金剛石間結(jié)合強(qiáng)度較強(qiáng).

圖3 涂層表面金剛石形貌及碳化物層能譜圖Fig.3 Diamond morphology of coating surface and energy spectrum of carbide layer.(a) diamond morphology of coating surface;(b) energy spectrum of carbide layer

圖4 為不同金剛石含量的涂層橫截面微觀形貌，整體看來(lái)，金剛石彌散分布在涂層中，且涂層表面分布的金剛石顆粒含量低于涂層內(nèi)部.由圖5 涂層磨損界面形貌可更為直觀的看出，涂層表面金剛石含量明顯低于內(nèi)部，一部分是因?yàn)檠鯕鈺?huì)極大的降低金剛石石墨化溫度，促進(jìn)金剛石石墨化，從而促進(jìn)表層金剛石在高溫下的燒蝕.

圖4 不同金剛石含量的涂層橫截面微觀形貌Fig.4 Micromorphology of the cross-section of the coating with different diamond content.(a) 0%;(b) 5%;(c) 10%;(d)15%;(e) 20%

圖5 20%金剛石含量的涂層磨損界面形貌Fig.5 Worn interface morphology of coating with 20%diamond content

2.2 涂層硬度

采用HR-150A 洛氏硬度計(jì)測(cè)試涂層的宏觀硬度，結(jié)果如圖6 所示.可看出，隨著金剛石含量的增加，涂層硬度持續(xù)增加，但是增加幅度有所降低.未添加金剛石顆粒的涂層洛氏硬度約41.2 HRC，添加20%金剛石顆粒的復(fù)合涂層洛式硬度高達(dá)63 HRC，較前者提高了約1.5 倍.

圖6 金剛石含量對(duì)涂層硬度的影響Fig.6 Effect of diamond content on the coating hardness

2.3 涂層耐磨性

采用MML-1G 干砂半自由磨料磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層進(jìn)行耐磨性測(cè)試，試驗(yàn)負(fù)載45 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，磨粒選用平均粒徑為60 目的剛玉砂.圖7為各涂層分別磨損5 和10 min 后的磨損失重對(duì)比.可以看出，隨著金剛石含量的增加，涂層的磨損失重不斷減小.5 min 磨損后添加5%金剛石顆粒的涂層失重0.123 8 g，未添加金剛石顆粒的涂層失重0.188 8 g，約為前者的1.5 倍；10 min 后前者磨損失重0.169 6 g，后者磨損失重0.335 4 g，約為前者的2 倍.更甚之，5 min 后未添加金剛石顆粒的涂層磨損失重約為添加20%金剛石顆粒的涂層磨損失重的2.6 倍，10 min 后未添加金剛石顆粒的涂層磨損失重約為添加20%金剛石顆粒的涂層磨損失重的3.4 倍，且10 min 后未添加金剛石顆粒的涂層已經(jīng)磨損到45 鋼基體表面，表明金剛石顆粒對(duì)于鎳基合金復(fù)合涂層耐磨性的提高作用極大.

圖7 金剛石含量對(duì)涂層耐磨性的影響Fig.7 Effect of diamond content on the wear resistance of the coatings

隨著金剛石含量的增加，耐磨性提升幅度降低.圖8 為不同金剛石含量的涂層磨損后的表面形貌，可看出，隨著金剛石含量的增加，涂層內(nèi)部金剛石分布排列愈為致密.一方面金剛石的堆積，使得其與鎳基釬料的結(jié)合力減小，進(jìn)而金剛石脫落加劇，甚至脫落的金剛石及金剛石磨屑造成涂層二次磨損；另一方面，金剛石的增加使得鎳基釬料的連續(xù)性被割裂，硬度、韌性等力學(xué)性能降低，從而涂層的耐磨性提升幅度降低[17].

圖8 不同金剛石含量的涂層被磨損表面形貌Fig.8 Worn surface morphology of coatings with different diamond content.(a) 0%;(b) 5%;(c) 10%;(d) 15%;(e) 20%

圖9 可看出隨著磨損持續(xù)，20%含量的金剛石涂層在相同時(shí)間內(nèi)磨損失重降低.這是因?yàn)椋阂环矫?，開(kāi)始磨損階段，涂層表面出露的金剛石數(shù)少，出露高度較低，且鎳基釬料合金的硬度遠(yuǎn)低于金剛石顆粒，釬料被嚴(yán)重磨損，失重較大.繼續(xù)磨損，出露的金剛石數(shù)量增加，且出露高度增加，金剛石成為被摩擦的主體，如圖5 所示，抵抗磨粒磨損的作用增加，故涂層被磨損速率降低；另一方面，涂層內(nèi)部存在微氣孔及微裂紋等缺陷，剛玉砂磨料與涂層相互摩擦?xí)r而產(chǎn)生的細(xì)小磨屑在磨損過(guò)程中被擠壓到涂層中，后經(jīng)過(guò)多次反復(fù)碾壓后平鋪到涂層上，如圖10 所示[18]，這一方面會(huì)減小涂層的磨損失重，另一方面剛玉砂磨屑成為涂層的一部分發(fā)揮作用.

圖9 磨損時(shí)間對(duì)20%含量金剛石涂層耐磨性的影響Fig.9 Effect of wear time on the wear resistance of 20% diamond coating

圖10 磨損磨屑形貌Fig.10 wear debris morphology

大部分金剛石顆粒在磨損過(guò)程中，形貌變化如圖11 所示，經(jīng)歷了完整→磨平→破碎→脫落的過(guò)程[19-21].完整金剛石顆粒的切削刃在機(jī)械摩擦作用下被磨平，呈現(xiàn)磨耗平臺(tái)；在外力作用下，金剛石顆粒表面或內(nèi)部缺陷等處產(chǎn)生應(yīng)力集中，達(dá)到其抗拉強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)裂紋，繼而擴(kuò)展至破碎；金剛石顆粒從鎳基釬料中脫落，留下一凹坑，金剛石顆粒失效.除此之外，部分金剛石顆粒還會(huì)經(jīng)歷以下磨損過(guò)程.①完整→脫落；②完整→磨平→脫落；③完整→破碎→脫落.這些磨損形式，與金剛石在釬焊過(guò)程中所受的熱損傷而導(dǎo)致強(qiáng)度的不均勻及金剛石磨粒表面受熱不均勻、金剛石顆粒堆積等有關(guān).

圖11 金剛石磨損形貌Fig.11 Diamond wear morphology.(a) complete;(b)ground;(c) broken;(d) deciduous

3 結(jié)論

(1)通過(guò)感應(yīng)釬涂工藝在45 鋼基體表面制備金剛石/鎳基合金復(fù)合涂層，金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)，彌散分布于涂層中，與鎳基釬料合金發(fā)生冶金反應(yīng)，結(jié)合良好.受氧氣促進(jìn)金剛石石墨化因素的影響，復(fù)合涂層表面的金剛石顆粒燒蝕較內(nèi)部嚴(yán)重.

(2)金剛石顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)在一定范圍內(nèi)，其添加對(duì)復(fù)合涂層的宏觀硬度及耐磨性提升起到積極的作用，釬涂金剛石耐磨涂層抗磨損的本質(zhì)原因是高耐磨、高硬度的金剛石顆粒在抗磨損過(guò)程中承受了部分剛玉砂磨粒的作用力，一定程度上保護(hù)了涂層.20%含量的金剛石/鎳基合金復(fù)合涂層的洛氏硬度達(dá)到了63 HRC，較純鎳基釬料涂層的洛氏硬度41.2 HRC，提高了1.5 倍；相同磨損條件下，純鎳基釬料涂層磨損失重0.335 4 g，20%含量的金剛石/鎳基合金復(fù)合涂層磨損失重僅為0.097 9 g，耐磨性較純鎳基釬料涂層提高了3.4 倍.