激光熔覆金剛石?金屬耐磨涂層的組織和性能

龐愛紅 孫貴乾 董俊言 龐誠(chéng)宇 郭宇 董書山

摘要 在10～30 μm 的細(xì)顆粒金剛石表面進(jìn)行鍍Cr 處理，并將其與Ni-Cr-B-Si 粉末混合置于碳鋼表面，采用激光熱源將預(yù)置粉末熔覆于碳鋼表面制備耐磨涂層。結(jié)果表明：金剛石表面的增厚鍍Cr 層在激光高溫?zé)釄?chǎng)中可有效保護(hù)金剛石，避免金剛石在高溫下發(fā)生氧化及石墨化，且可使金剛石與金屬基體間實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合。對(duì)涂層的金相、物相及形貌進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)金剛石可顯著提升涂層的冷卻速率，同時(shí)細(xì)化冷凝組織，提高其硬度并增強(qiáng)其耐磨性。添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 鍍Cr 金剛石的熔覆涂層的耐磨性較未添加鍍Cr 金剛石時(shí)的提升了4.6 倍，摩擦系數(shù)降低近50%。

關(guān)鍵詞 金剛石；表面金屬化；耐磨涂層；激光熔覆

中圖分類號(hào) TQ164; TG58; TG74 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2023）04-0514-09

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2023.0127

收稿日期 2023-06-11 修回日期 2023-07-05

金屬材料制品是全球應(yīng)用最廣泛的一類裝備構(gòu)件，年均消費(fèi)額超過數(shù)萬億美元。許多金屬裝備構(gòu)件需經(jīng)受沖擊、磨損、腐蝕等多種破壞作用，而磨損是其最常見、最基本的失效方式。國(guó)外統(tǒng)計(jì)資料顯示[1]，摩擦消耗掉全世界30% 的一次性能源，約有80% 的機(jī)器構(gòu)件因磨損而失效。發(fā)達(dá)國(guó)家每年因摩擦磨損造成的損失占其GDP 的5%～7%，損失高達(dá)上萬億美元。我國(guó)是制造大國(guó)，因此造成的損失比例更高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于摩擦磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失達(dá)上萬億元[2]。而且，隨著機(jī)械設(shè)備的工作環(huán)境越來越苛刻（高溫、高濕、高速、重載、高鹽霧環(huán)境等），金屬構(gòu)件表面因快速磨損而導(dǎo)致裝備系統(tǒng)失效的問題亦愈加突出[3]。因此，提高金屬構(gòu)件的耐磨性，延長(zhǎng)其使役壽命，提高整體裝備的綜合運(yùn)行效能，一直是全球裝備制造業(yè)的重大需求與重點(diǎn)研究領(lǐng)域[4-6]。

為此，國(guó)內(nèi)外許多科技工作者在此方面開展了全面、深入、系統(tǒng)的研究。采用表面改性/強(qiáng)化/硬化等技術(shù)進(jìn)行處理，如表面滲氮[7]、表面鍍鉻[8]、離子注入[9-10]、激光處理[11-12]、表面噴涂[13-14]、表面堆焊[15]、表面涂鍍[16]等技術(shù)工藝，賦予結(jié)構(gòu)件表面高于基材的特殊耐磨/耐蝕層。盡管上述技術(shù)在許多工程領(lǐng)域已成熟應(yīng)用，但隨著裝備技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)材料的耐磨性能等提出了更高要求，現(xiàn)有的表面耐磨材料體系仍難以滿足裝備構(gòu)件在苛刻條件下對(duì)于耐磨性能的需求。因此，開發(fā)具有超高耐磨性能的新型耐磨材料具有重要的科學(xué)意義與工程需求。

采用激光熔覆方法將耐磨金屬粉末顆粒熔覆于鋼制零部件表面來制備耐磨涂層，是提升鋼材耐磨性常用且有效的手段之一。熔覆涂層的硬度及磨損量是衡量涂層耐磨性優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)。目前，應(yīng)用最廣的耐磨涂層材料是氣霧法制備的鎳基或鐵基合金粉末，如Ni60 和Fe45 等[17-18]。但此類涂層材料的耐磨性有限，僅適用于在弱磨損環(huán)境下運(yùn)行的零部件。為了進(jìn)一步提升涂層耐磨性，研究人員在此基礎(chǔ)上將陶瓷或碳化鎢等硬質(zhì)顆粒作為耐磨增強(qiáng)相添加到涂層合金粉末中，使涂層的硬度和耐磨性較單一金屬基涂層的有所提升，但此種涂層在苛刻環(huán)境下的表現(xiàn)仍無法滿足實(shí)際的工程需求。因此，制備出適用于苛刻環(huán)境的超耐磨涂層具有重大的工程意義。

金剛石是自然界中硬度最高的物質(zhì)，具有極高的耐磨性、極低的摩擦系數(shù)和突出的化學(xué)穩(wěn)定性等。目前，磨料金剛石主要發(fā)揮“矛”的作用，用于制備加工其他材料的各種金剛石工具。然而，作為耐磨性極佳的物質(zhì)，也可以發(fā)揮“盾”的作用，即在耐磨焊接涂層領(lǐng)域中體現(xiàn)其優(yōu)異的功能，但目前在此領(lǐng)域中尚未得到工程化的開發(fā)與應(yīng)用。而一旦金剛石在耐磨“盾”（硬質(zhì)涂層）領(lǐng)域中取得應(yīng)用突破，將為金剛石在工具行業(yè)之外開辟一個(gè)全新的工程應(yīng)用領(lǐng)域，極具市場(chǎng)潛力。

基于金剛石的超硬/超耐磨特性，采用金剛石為合金耐磨涂層的硬質(zhì)增強(qiáng)相，與氣霧化Ni-Cr-B-Si 合金粉末混配，采用激光熔覆技術(shù)將混配粉末熔覆于金屬材料表面，可制備超耐磨的金剛石?金屬?gòu)?fù)合焊接涂層。但將金剛石應(yīng)用于耐磨涂層需要解決以下2 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)難題： （1）保護(hù)金剛石在激光熱場(chǎng)中不受損害。在激光焊接熱場(chǎng)環(huán)境下，金剛石極易氧化或石墨化，特別是細(xì)顆粒金剛石微粉，更易產(chǎn)生燒蝕損失。因此，如何使金剛石在激光焊接條件下避免高溫?fù)p害而保持其自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，是將金剛石應(yīng)用于激光熔覆耐磨涂層的首要考量因素。（2）金剛石與熔覆層金屬間的有效界面冶金結(jié)合。金剛石表面能高，很多金屬元素難以對(duì)其進(jìn)行有效潤(rùn)濕，更難以在瞬時(shí)焊接條件下與涂層金屬間形成冶金結(jié)合。上述這2 個(gè)難題可以通過在金剛石表面鍍覆金屬保護(hù)層來解決。但在金剛石金屬化鍍覆時(shí)，也需要解決一個(gè)實(shí)際應(yīng)用難題，即為了增加涂層中的耐磨質(zhì)點(diǎn)數(shù)量必須采用細(xì)顆粒金剛石微粉（一般基本顆粒尺寸＜30 μm），并且，為了使比重小的金剛石顆粒在比重大的金屬熔池中能夠均勻分布，必須增加金剛石表面鍍覆金屬的質(zhì)量（一般鍍覆增重質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞50%）?，F(xiàn)有的金剛石表面金屬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，需要開發(fā)新的鍍覆技術(shù)，以滿足其在焊接條件下的工程應(yīng)用需求。

基于以上問題，在10～30 μm 的細(xì)顆粒金剛石表面進(jìn)行鍍Cr 處理，使鍍覆后的金剛石表面形成1 層納米/亞微米級(jí)的Cr7C3 化學(xué)鍵層，獲得由內(nèi)自外依次是“金剛石?碳化鉻?金屬鉻”的“核?殼”結(jié)構(gòu)的金剛石復(fù)合粒子Dh-k；將鍍覆金剛石Dh-k 與Ni-Cr-B-Si 氣霧化合金粉末混合后，采用激光熔覆工藝在鋼材表面制備出耐磨涂層，并對(duì)其組織結(jié)構(gòu)和耐磨性能進(jìn)行分析及表征。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選取基本顆粒尺寸為10～30 μm 的金剛石微粉，要求其外部雜質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.50%， 灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜1.00%。利用馬弗爐高溫?zé)Хy(cè)得選取的金剛石微粉的灰分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.75%，表1 為采用PerkinElmerAvio 200 型電感耦合等離子體光譜儀（ICP）對(duì)金剛石微粉外部雜質(zhì)分析的數(shù)據(jù)。金剛石微粉經(jīng)表面潔凈化處理后，采用鹽浴鍍覆方式，在850 ℃、保溫30 min 的條件下，對(duì)金剛石進(jìn)行表面鍍Cr 處理，獲得具有“核?殼”結(jié)構(gòu)的復(fù)合金剛石Dh-k，其鍍覆金屬增重質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%。焊接基材選用中碳鋼板，其尺寸為200 mm ×40 mm × 3 mm。將Dh-k 金剛石分別按10%、20% 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加到Ni-Cr-B-Si 自熔性氣霧化合金粉末（粉末主粒度尺寸為0.075～0.150 mm）中，得到耐磨涂層粉料。中碳鋼基板與Ni-Cr-B-Si 合金粉末的化學(xué)成分見表2 及表3。

熔覆前將鋼基板置于酒精中超聲10 min 以去除表面油污，然后用電吹風(fēng)吹干，在9 060 型噴砂機(jī)中采用粒徑為0.60～2.00 mm 的剛玉砂對(duì)基板表面進(jìn)行噴砂粗化/潔凈處理，噴砂壓力為6 MPa，處理至表面露出金屬光澤。將噴砂處理后的基板再次置入酒精溶液中超聲處理5 min，取出后吹風(fēng)干燥。

1.2 試樣配制

配制3 組激光熔覆試樣：不含金剛石的Ni-Cr-B-Si原料粉末的試樣A、Ni-Cr-B-Si 粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% Dh-k 金剛石的試樣B、Ni-Cr-B-Si 粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% Dh-k 金剛石的試樣C。將Ni-Cr-B-Si 粉末與Dh-k 金剛石按一定比例在充有純度為99.99% 的Ar 氣、轉(zhuǎn)速為30 r/min 的混料罐中混合2 h，然后對(duì)混合粉末進(jìn)行造粒處理，造粒顆粒的尺寸為150～180 μm；將造粒顆粒在110 ℃、真空度為10?1 Pa 條件下烘干2 h，自然冷卻后真空封裝備用。

1.3 預(yù)鋪料

鋪料尺寸長(zhǎng) × 寬 × 厚為50 mm × 4 mm × 1 mm，將2 塊長(zhǎng) × 寬 × 厚為50 mm × 15 mm × 1 mm 的薄鋼板平行放置于待焊鋼板表面，兩板平行間距為4 mm，形成預(yù)鋪料料槽，如圖1 所示。用適量的工業(yè)純酒精潤(rùn)濕造粒顆粒，然后將其攤鋪于平行薄板所形成的4 mm 寬的鋪料槽中，并用壓板將潤(rùn)濕態(tài)的顆粒壓實(shí)，壓實(shí)后的預(yù)鋪顆粒靜置5～7 min，使酒精完全揮發(fā)，移除料槽外的2 塊薄鋼板，在待焊鋼板表面遺留干燥壓實(shí)的預(yù)鋪料層。

1.4 激光熔覆

采用YLR-2000-MM-WC 型CO2 激光器和TURIN6 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)搭配，使機(jī)器人的機(jī)械臂攜帶激光器沿預(yù)鋪料層長(zhǎng)度方向運(yùn)行。設(shè)置激光器加熱功率為1 000 W，激光橫移速度為10 mm/s，離焦量為0，使預(yù)鋪料熔覆于基底鋼板表面形成熔覆涂層，單道焊縫的熔覆時(shí)間為5 s，焊后空冷至室溫。激光熔覆作業(yè)過程中，采用側(cè)吹方式吹入純度為99.99% 的Ar 氣，對(duì)熔覆區(qū)域內(nèi)的預(yù)鋪料進(jìn)行保護(hù)，Ar 氣流量為20 L/min。調(diào)整熔覆工藝參數(shù)，在鋼板基底上制備出過渡平滑、熔覆層表面有均勻魚鱗紋、無氣孔和裂紋的激光熔覆層金屬。

1.5 金相試樣鑲嵌

沿熔覆層橫斷面切割截取激光熔覆試樣，將切割試樣置入ZXQ-50 型金相試樣鑲嵌機(jī)的樣品室中，裝填電木鑲嵌粉，在燒結(jié)溫度為120 ℃、升溫時(shí)間為25 min、降溫時(shí)間20 min 時(shí)鑲嵌電木塊試樣，試樣尺寸為 ?30mm × 10 mm。

1.6 分析測(cè)試

采用Rigaku D/Max-2500 型X-射線衍射儀對(duì)熔覆層橫斷面物相進(jìn)行分析， 分析參數(shù)為： 掃描速度，15°/min；掃描范圍2θ， 30°～90°。制備金相試樣，用光學(xué)顯微鏡對(duì)其金相進(jìn)行分析；并利用MAGELLAN 400掃描電子顯微鏡對(duì)試樣斷口和金相試樣表面形貌進(jìn)行觀察， 同時(shí)對(duì)其元素分布進(jìn)行線掃描分析。用HV-1000ZDT 維氏硬度儀測(cè)量樣品的顯微硬度。采用MRH 高速環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)激光熔覆涂層進(jìn)行耐磨性測(cè)試，測(cè)試參數(shù)為：載荷壓力，200 N；摩擦球轉(zhuǎn)數(shù)，200 r/min；時(shí)間， 360 s。采用精度為萬分之一的電子天平對(duì)摩擦前后涂層的質(zhì)量進(jìn)行稱量，計(jì)算其磨損質(zhì)量，考察對(duì)比涂層的耐磨性及摩擦系數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光熔覆層的物相分析

激光熔覆層由熔覆區(qū)（cladding zone， CZ）、結(jié)合區(qū)（binding zone， BZ）和熱影響區(qū)（heat affected zone，HAZ）組成。通常情況下，Ni-Cr-B-Si 自熔性合金的激光熔覆層主要由初晶γ-Ni 與晶間的NiB、Ni3B、Cr23C6等多元共晶所組成[19-20]。但隨著焊接條件的改變，激光熔覆層的物相結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生不同的變化。

圖2 為鍍Cr 后的金剛石SEM 形貌和XRD 圖譜。從圖2a 可以看出：由于包覆時(shí)增重量大（增重質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%），經(jīng)過鍍覆處理的金剛石表面金屬鍍Cr層較厚，原料金剛石顆粒的臺(tái)階面及棱邊均被鍍覆金屬層所覆蓋，金剛石呈厚重圓鈍顆粒形態(tài)。結(jié)合圖2b可知，鍍覆的金剛石顆粒表面物相有金剛石、Cr7C3 和Cr。事實(shí)上，鍍覆金剛石形成了具有“金剛石?碳化物?金屬鉻”的“核?殼”結(jié)構(gòu)，而且金剛石外層為“碳化物-金屬鉻”的雙殼層結(jié)構(gòu)。這種雙殼層結(jié)構(gòu)可對(duì)金剛石形成全封閉保護(hù)，保證金剛石在鍍覆的熱循環(huán)條件下不發(fā)生氧化及石墨化，從而始終保持金剛石自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

圖3 是A、B、C 3 個(gè)激光熔覆涂層試樣的XRD 圖譜，可以看出3 種熔覆涂層除金剛石相外，主要有γ-Ni、Cr7C3、NiB、Ni3B、Cr23C6、Ni2Si、Cr7C3 等物相。其中：Cr7C3、NiB、Ni2B 和Ni3B 是高溫下熔覆層內(nèi)部金屬與輕元素原位反應(yīng)生成的硬質(zhì)顆粒，這些硬質(zhì)顆粒的生成可提升熔覆層的硬度和耐磨性。在實(shí)驗(yàn)條件下，導(dǎo)熱系數(shù)極高的金剛石顆粒的加入，顯著影響了激光熔池的冷卻速度與物相的冷凝結(jié)晶過程，從而影響了熔覆層的組織結(jié)構(gòu)與性能。試樣B 和試樣C 的XRD 圖譜中可觀察到金剛石峰，且未發(fā)現(xiàn)石墨峰和其他類型碳峰出現(xiàn)，表明熔覆層內(nèi)部有金剛石結(jié)構(gòu)存在。這是由于圖2a 所示金剛石的鍍層較厚，而且包覆完整的鍍層形成了“碳化物?金屬鉻”雙殼層結(jié)構(gòu)，這種雙殼層組織可以很好地保護(hù)金剛石不受外部侵蝕而保持自身結(jié)構(gòu)，可以發(fā)揮其超高的耐磨性能。隨著涂層中金剛石含量的增加，熔覆涂層的物相組織及結(jié)構(gòu)形態(tài)也發(fā)生了進(jìn)一步的變化。從試樣C 的XRD 譜圖中可以看出：激光熔覆層的組織除了有常規(guī)存在的Cr7C3、NiB、Ni2B、Ni3B 硬質(zhì)相外，由于金剛石含量增加，進(jìn)一步增大了熔池的冷卻速度，與試樣B 相比，熔池內(nèi)部發(fā)生了部分γ-Fe 奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，這也輔助提高了熔覆層的耐磨性。

2.2 熔覆層的金相組織特點(diǎn)

圖4 為試樣A、B、C 激光熔覆層的截?cái)嗝娉叽缂昂暧^金相形貌。從圖4 中可以看出：在相同的熔覆工藝條件下，試樣A 和試樣B 的熔深較大，而試樣C 的熔深較淺，但熔縫寬度增加。

圖5 為各個(gè)試樣熔覆層頂部、中部及底部區(qū)域熔覆層組織的局部放大金相形貌圖。從圖5 的金相照片中可以看出： 試樣A 熔覆層底部（圖5a） 以平面晶（planar crysta，PC）、等軸晶（equiax crystal，EC）和柱狀晶（columnar crystal，CC）為主，而熔池的中部（圖5b）和頂部（ 圖5c） 則以EC 和枝狀晶（ dendrite crystal，DC）構(gòu)成的鎳基奧氏體組織及CC 為主；試樣B 熔覆層底部（圖5d）的CC 數(shù)量減小而EC 數(shù)量增加，且存在PC 組織；中部（圖5e）和頂部（圖5f）的γ-Ni 奧氏體則主要由EC 及DC 構(gòu)成，同時(shí)含有少量CC。產(chǎn)生這一變化的原因是：一方面，數(shù)量眾多的金剛石顆粒分散分布于熔池金屬中，打亂/阻斷了CC 的生長(zhǎng)，細(xì)化了CC 組織；另一方面，金剛石具備優(yōu)異的導(dǎo)熱性，熔覆層中的金剛石縮短了熔池金屬冷凝結(jié)晶時(shí)間而使晶粒細(xì)??；同時(shí)，數(shù)量眾多的金剛石顆?？梢宰鳛楫愘|(zhì)形核核心而促進(jìn)等軸晶的生成，因而結(jié)晶組織中出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的EC。而當(dāng)Dh-k 金剛石的添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)增到20%時(shí)，可以看出，受金剛石散熱能力強(qiáng)的影響，試樣C 的熔覆層寬度增大，但熔深減小、熔池底部變寬（圖4c）。同時(shí)，從圖5 中試樣C 的金相組織中可以觀察到：熔覆層底部（圖5g）除PC 以外，還產(chǎn)生了大量的針狀馬氏體（acicular martensite， AM）組織；同時(shí)，在熔池中部（圖5h）和頂部（圖5i）也均出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的AM?？梢姡鄹矊又薪饎偸康倪M(jìn)一步增加可以顯著提升熔覆層的冷卻速率，增大了熔覆層中上部區(qū)域的冷卻速度，使熔覆層內(nèi)部組織發(fā)生了由γ-Fe 奧氏體向針狀馬氏體的轉(zhuǎn)變，冷卻速度越快針狀馬氏體轉(zhuǎn)變的數(shù)量越多。

2.3 金剛石在激光熔覆層中的存在形態(tài)

圖6 為試樣B 及試樣C 熔覆層斷口的SEM 形貌。從圖6a 可以看出：金剛石在熔池頂部、中部和下部均有分布，且被殼層金屬完整包覆，形態(tài)圓潤(rùn)。此外，在試樣B 的熔覆融合線處出現(xiàn)裂紋，這是因?yàn)槿鄢氐撞磕覆膫?cè)的冷卻速度快，存在數(shù)量較多的CC，降低了此區(qū)域組織的強(qiáng)度與韌性，在熔覆冷卻收縮應(yīng)力的作用下發(fā)生開裂。然而，試樣C 熔覆層熔合線附近卻未產(chǎn)生裂紋（圖6b），這是由于隨著金剛石顆粒數(shù)量的增加，熔池底部的CC 數(shù)量減少，EC 數(shù)量增多，由此增強(qiáng)了熔池底部組織的強(qiáng)度與韌性，而在熔合線處未出現(xiàn)裂紋。

圖7 分別是試樣B、試樣C 熔覆層內(nèi)部金剛石與基體結(jié)合的SEM 形貌，可以看出金剛石的組織結(jié)構(gòu)保存十分完整，這表明金剛石的表面鍍層能夠很好地保護(hù)金剛石，可有效避免金剛石的石墨化及熱損傷，從而解決金剛石在激光高溫?zé)釄?chǎng)中的結(jié)構(gòu)生存與穩(wěn)定難題。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)：金剛石與基體金屬的交界區(qū)域未出現(xiàn)縫隙/裂紋，區(qū)域組織連續(xù)均勻，說明熔覆層基體金屬與金剛石之間的潤(rùn)濕性較好，且基體金屬與Dh-k 金剛石間形成了良好的冶金結(jié)合。

2.4 熔覆層內(nèi)部的元素分布

圖8 為A、B、C 試樣分別沿平行或垂直于涂層熔合線方向的SEM 及元素線掃描結(jié)果。從圖8a～圖8d可以看出，試樣A 的熔覆層中含有元素Fe、Ni、Cr、B、Si 和C。其中，從圖8a～圖8h 中可觀察到試樣A 和試樣B 熔覆層的各種元素分布較為均勻，表明在激光熔覆層中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10% 的Dh-k 金剛石后，并未影響熔覆層內(nèi)部元素分布的均勻性。而從圖8i～圖8l 中發(fā)現(xiàn)：當(dāng)Dh-k 金剛石的加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至20% 時(shí)，熔覆層中碳元素的線掃描測(cè)試含量明顯增加，表明熔覆層中的金剛石數(shù)量增加。這也說明隨著熔覆層中金剛石含量的增加，熔池的凝固速度加快，有相當(dāng)數(shù)量的金剛石來不及上浮擴(kuò)散而留存于熔池底部，作為異質(zhì)形核核心而起到了細(xì)化組織的作用。

2.5 金剛石添加量對(duì)熔覆層硬度和耐磨性的影響

圖9 為A、B、C 試樣熔覆層截面不同區(qū)域（頂部、中部和底部）的硬度測(cè)試結(jié)果，硬度測(cè)試以熔覆層弧形頂部為起點(diǎn)，同時(shí)沿中軸線及融合線方向分別進(jìn)行測(cè)試，每隔50 μm 測(cè)試1 個(gè)硬度點(diǎn)。圖9 中試樣B 和C的熔覆層硬度平均值分別為1 054.5 HV 和994.0 HV，均較試樣A 熔覆層的硬度平均值651.0 HV 提高了50% 以上。此外，從圖9 還可以看出：在熔池頂部， B試樣的熔覆層硬度略高于試樣C 的硬度，這與不同含量金剛石對(duì)熔池的冷卻速度產(chǎn)生影響、反過來又影響金剛石在熔池中的分布狀態(tài)有關(guān)。金剛石添加量越多，金屬熔池的散熱能力越強(qiáng)，冷卻速度越快；同時(shí)，金剛石的密度小于熔池金屬的密度，金剛石在熔融金屬中會(huì)呈現(xiàn)出上浮聚集的趨勢(shì)。從金剛石的含量比較來看，試樣C 的金剛石含量較試樣B 的高出1 倍，其熔覆層熔池處于熔融狀態(tài)的時(shí)間要少于試樣B 的，這也就意味著處于其中的金剛石顆粒的擴(kuò)散/上浮時(shí)間短，因而金剛石顆粒來不及上浮聚集，導(dǎo)致熔覆層頂部邊緣處的金剛石分布密度相對(duì)減少。相反，與試樣C 相比，試樣B 中的金剛石濃度相對(duì)較少，熔覆層熔池處于熔融液態(tài)的時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，金剛石顆粒有相對(duì)充裕的時(shí)間在熔池內(nèi)部沿著垂直于熔合線的方向上浮并富集于熔池上部，導(dǎo)致熔池頂部處的金剛石濃度相對(duì)富集提高。因此，試樣B 的頂部表面硬度略高于試樣C 的。相反，試樣C 熔池底部的金剛石濃度高于試樣B 的，其相應(yīng)的硬度也高于試樣B 的。

圖10 為A、B、C 試樣的摩擦磨損質(zhì)量及摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果。由圖10a 可知：在相同測(cè)試條件下，試樣C的磨損質(zhì)量最少為17 mg，與試樣A 相比，其耐磨性提升了4.6 倍。由此可見，金剛石在熔覆層中起到了“硬質(zhì)骨架”作用，顯著提升了熔覆層的耐磨性。由圖10b可知：隨著金剛石添加量的增加，金剛石在熔覆層中的絕對(duì)數(shù)量增多，在熔覆層頂部附近的分布密度也隨之增加，試樣C 的摩擦系數(shù)顯著減小，約比試樣A 的降低近50%。由于金剛石自身的摩擦系數(shù)小，將其加入熔覆層中，既可作為“硬質(zhì)骨架”增強(qiáng)涂層耐磨性，又起到了類似固體潤(rùn)滑劑的作用而降低熔覆層表面的摩擦系數(shù)，提升其耐磨性。

綜上，將細(xì)顆粒的金剛石微粉與Ni-Cr-B-Si 氣霧化合金粉末混配組合，采用激光熔覆技術(shù)將其熔敷于中碳鋼表面，制備出以金剛石為耐磨骨架的超耐磨熔覆涂層。通過對(duì)金剛石微粉實(shí)施大增重的表面鍍Cr處理，在金剛石表面形成連續(xù)、致密的碳化鉻化學(xué)鍵層，有效解決了金剛石在激光高溫場(chǎng)中易石墨化/氧化腐蝕及難以與熔覆層基體金屬間形成冶金結(jié)合的技術(shù)難點(diǎn)，所制備的激光熔覆涂層的耐磨性顯著提升，為采用增材制造技術(shù)制備具有超耐磨特性的金剛石?金屬涂層材料開辟了一條切實(shí)可行的技術(shù)路徑。

3 結(jié)論

（1）將細(xì)顆粒金剛石微粉作為硬質(zhì)功能相加入Ni-Cr-B-Si 合金粉末中，采用激光熔覆技術(shù)在中碳鋼基體表面制備出高耐磨的熔覆涂層。

（2） 通過對(duì)細(xì)顆粒金剛石表面進(jìn)行大增重（包覆的Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為100%）的鍍Cr 處理， 可有效保護(hù)金剛石在激光焊接高溫環(huán)境下不產(chǎn)生石墨化/氧化腐蝕，并可與熔覆層基體金屬間形成良好的冶金結(jié)合。

（3）金剛石加入熔覆涂層中，可顯著影響熔池金屬的凝固結(jié)晶環(huán)境，提升熔覆層的冷卻速度，改變其組織形態(tài)，細(xì)化組織晶粒。

（4）金剛石的加入可顯著提高Ni-Cr-B-Si 激光熔覆層的耐磨性，在Ni-Cr-B-Si 涂層中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 的鍍Cr 金剛石后，其耐磨性相比未添加時(shí)的提升了4.6 倍。

（5）金剛石在熔覆涂層中還可起到“固體潤(rùn)滑劑”的效果，顯著降低涂層表面摩擦系數(shù)，提高涂層耐磨性。在Ni-Cr-B-Si 涂層中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20% 的鍍Cr 金剛石的熔覆涂層與不加金剛石的涂層比，其摩擦系數(shù)降低近50% 。

作者簡(jiǎn)介

龐愛紅，女，1973 年生，助理工程師。主要研究方向：金剛石及其微粉的生產(chǎn)、加工、研發(fā)等。

E-mail：holddiamond@163.com

通信作者： 董書山，男，1966 年生，教授。主要研究方向：金屬預(yù)合金粉末、超硬功能材料及制品等。

E-mail：dongss@jlu.edu.cn

（編輯：王潔）