【摘要]為了提高零件表面的硬度和耐磨性，使用真空熔燒法，在45#鋼上涂覆1層碳化鎢耐磨涂層，并通過(guò)顯微硬度計(jì)和耐磨試驗(yàn)得到了 WC耐磨涂層不同深度的硬度分布及耐磨性變化數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：涂層中擴(kuò)散層部分的硬度最低，涂層的硬度 較基體和擴(kuò)散層都有較大的提高，而且涂層部分不同深度硬度變化不大;在干摩擦條件下，涂層最外層的耐磨性最好，中間幾層的耐 磨性能相當(dāng)，靠近擴(kuò)散層處的涂層的性能最差。

[關(guān)鍵詞]真空熔燒法;鎳基合金;碳化鎢;顯微硬度;磨損量

0引言

 磨損是材料三大主要失效形式之一，它造成的經(jīng)濟(jì)損失是十分巨大的，粘著磨損是最常見(jiàn)的磨損形式之一，它的發(fā)展十分迅速，容易使零件或機(jī)器發(fā)生突然事故，造成巨大損失。磨損失效的各類(lèi)零件中起因于粘著磨損的大約占15%，而影響固體材料粘著磨損的主要因素之一是材料的硬度，對(duì)摩擦副材料的硬度而言，材料的硬度越高，耐磨性越好，因此，研究零件材料的硬度和耐磨性有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。另外，使用表面工程技術(shù)，可使材料表面獲得它本身沒(méi)有而又希望具有的特殊性能（如要求表面耐磨性好，心部韌性好），而且表層很薄，用材十分少，性能價(jià)比高,節(jié)約材料和節(jié)省能源，減少環(huán)境污染，是實(shí)現(xiàn)材料可持續(xù)發(fā)展的一項(xiàng)重要措施。正是在這樣的背景下，本文試圖使用試驗(yàn)的手段,對(duì)真空熔燒法制備所得的鎳基合金碳化鎢(WC)耐磨涂層的硬度及耐磨性作一些研究。

1試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備

將鎳基碳化鎢合金粉末FN15-WC35和鎳鉻自熔合金Ni45B按3：1（質(zhì)量比）的比例混合均勻，然后加飽和松節(jié)油，將混合后的粉末調(diào)制成膏狀備用。粉末成分見(jiàn)表1。用煤油將要涂覆層的45鋼表面清洗干凈，并在電烤箱中烘干，檢查涂覆的耐磨涂層是否存在缺陷。如有涂覆不足或涂層有流失處，一定要進(jìn)行補(bǔ)涂，以保證涂層比較平整，不能存在缺陷。涂覆好后再放入電烤箱中進(jìn)行烘干，烘干溫度為110℃，烘干時(shí)間應(yīng)大于8h，使得涂層不易剝落。

上圖鎳鉻自熔合金NI45B與鎳基碳化鎢合金粉末FN15-WC35化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

     將涂覆好合金粉末的45#鋼試樣放在真空爐中熔燒，熔燒溫度為1150℃，此溫度比鎳基合金的熔點(diǎn)高約30℃，使涂層合金處于熔融狀態(tài)。熔燒時(shí)爐內(nèi)真空度要保持在50Pa以下，避免合金在高溫下發(fā)生氧化。然后將涂層表面手磨床磨平和拋光。

1.2洛氏硬度的測(cè)試

1 2 1測(cè)量涂層表面和基體的硬度

測(cè)量涂層的洛氏硬度的目的是為了與其它金屬材料的硬度進(jìn)行比較。被測(cè)量涂層面為涂層表面，被測(cè)量基體為距離結(jié)合界面大于3mm處基體。測(cè)量時(shí)將試樣從中間剖開(kāi)，切開(kāi)截面作為測(cè)量表面。使用的硬度計(jì)為CHX-1型顯微硬度計(jì)，每個(gè)值測(cè) 量5個(gè)點(diǎn)，后取平均值。測(cè)量硬度載荷為300N，保壓時(shí)間為 5 s。測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2。

表2鎳基合金涂層與基體的洛氏硬度

Table 2 HRC hardness of Ni-base coating and substrate

材料 測(cè)量值                           平均值

涂層 59. 8 60. 4 62 7 56 3 55. 9 59. 0

基體 22 6 21. 7 19. 6 18. 5 23. 1 21. 1

1 2 2測(cè)量涂層到基體的顯微硬度分布

仍然使用CHX-1型顯微硬度計(jì)，測(cè)量涂層不同深度的硬度 值，每個(gè)深度測(cè)5個(gè)點(diǎn)，然后取其平均值。測(cè)量硬度載荷為 300N，保壓5s，從涂層表面向基體以0 1為1個(gè)步長(zhǎng)。測(cè)量時(shí)若測(cè)量點(diǎn)正好在缺陷處，則刪除該點(diǎn)，另補(bǔ)加1個(gè)點(diǎn)。測(cè)量結(jié) 果見(jiàn)圖1。

1.3磨損性能試驗(yàn)

磨損試驗(yàn)是在MPX-2000A盤(pán)銷(xiāo)式磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的。 涂層盤(pán)式樣是將熔燒后的鎳基合金涂層試樣進(jìn)行加工，將式樣涂層表面磨削加工至Ra=1.6。盤(pán)試樣為被測(cè)磨損件。每測(cè)定完1層后，將磨損后的試樣表面再磨削加工，將磨損部分去掉，同時(shí)再磨削出另1層Ra= 1. 6的磨損面,依次進(jìn)行不同深度的磨損性能試驗(yàn)�，F(xiàn)假設(shè)以過(guò)渡層與基體的結(jié)合界面為0界面， 正方向指向涂層表面，分別測(cè)量5種不同深度的耐磨性，深度分 別為0.76、0.64、0.49、0.36、0.2mm。5種深度的磨損試驗(yàn)均在相同的試驗(yàn)條件下進(jìn)行:轉(zhuǎn)速為1 100r/min(相當(dāng)滑動(dòng)速度是 1. 5m/s),載荷為50N,無(wú)潤(rùn)滑干摩擦狀態(tài)。應(yīng)用稱重法檢測(cè)磨損量,磨損量的測(cè)量是用TG328A型電子分析天平，精度為10-4 g。每隔2h稱被測(cè)磨損件的質(zhì)量，每次測(cè)量5次，取其平均值，每組試樣總的磨損時(shí)間為22h，取其前10h的變化。銷(xiāo)試樣作 為對(duì)磨件，采用淬火工具鋼（HRC55～60)，它的直徑為<5mm。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖 2。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2 1碳化鎢耐磨涂層硬度分析

由表2可知，涂層的硬度要遠(yuǎn)大于基體部分的硬度，涂層對(duì)基體的性能有1個(gè)很大的提 高。圖1是從基體到涂層不同深度的顯微硬度分布曲線。由圖 1可知，涂層在擴(kuò)散層部分的硬度最低，由于擴(kuò)散層是1個(gè)在熔 燒過(guò)程中形成的高鐵的單相組織，硬度較低，但是擴(kuò)散層的耐蝕 性很好。而涂層部分由于分布有塊狀的WC顆粒和WC與合金元素形成的塊狀復(fù)相化合物（見(jiàn)圖3)，而這些顆粒的硬度都遠(yuǎn)大于擴(kuò)散層組織的硬度，使得涂層部分具有很高的硬度。由 圖1曲線可知，從基體到擴(kuò)散層有1個(gè)略微下降的趨勢(shì)，這是由于熔燒過(guò)程中元素的擴(kuò)散使得基體靠擴(kuò)散層部分的硬度有所增 加，而擴(kuò)散層是較軟的高鐵單晶組織。

從擴(kuò)散層到涂層部分曲 線幾乎成直線上升，這說(shuō)明涂層部分的硬度要優(yōu)于擴(kuò)散層;且在 涂層部分，涂層硬度有上下起伏，這是由于WC顆粒在測(cè)量部分 的分布并不是十分均勻造成的，在涂層表面處的硬度比涂層內(nèi) 部高，這是由于在熔燒時(shí)，WC在表面附近的“偏聚”造成的。

圖（3）碳化鎢顆粒在涂層表面的分布

2. 2涂層耐磨性分析

由圖2中干摩擦測(cè)試結(jié)果的試驗(yàn)曲線可知，涂層在最外層 的磨損量最低，中間3層的變化量相差不大，最靠近界面層的磨 損量最大，且在磨最里層時(shí)，磨損試驗(yàn)機(jī)震動(dòng)較劇烈，磨損量加大。在同等條件下，如果對(duì)淬火45#鋼進(jìn)行磨損試驗(yàn)，則機(jī)器震 動(dòng)劇烈，基體表面大片脫落，同時(shí)發(fā)出刺耳的噪聲，磨損試驗(yàn)無(wú) 法繼續(xù)進(jìn)行�？梢�(jiàn)涂層的耐磨性要遠(yuǎn)比基體材料的耐磨性好。

涂層的耐磨性較好的原因是:涂層所用的鎳基合金為低熔點(diǎn)自熔鎳基合金。為了降低鎳基合金的熔點(diǎn)，在其中加入較高含量Fe和Ni，還能溶解一定量的Si形成固溶體，根據(jù)X射線衍，射結(jié)果，在涂層中Ni是以Ni3Si2、Ni4B3、NiSi化合物、Ni16Cr6Si7 復(fù)相化合物和Ni29Cr07FeQ 36共晶的形式存在,而且這些化合物具有較高的硬度,它們對(duì)合金組織起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化的作用,在鎳基合金中,Si大部分溶于Ni奧氏體中,起固溶強(qiáng)化作用；B除少量溶于Ni奧氏體中,大部分以金屬間化合物的形式彌散在合金中,起彌散強(qiáng)化作用.另外,合金中的Cr也 是以CeBC4和CrB化合物的形式存在,并且同樣彌散在涂層中起固溶強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用。再者鎳基合金共晶組織有較高的 韌性，在摩擦?xí)r，磨損表面不易產(chǎn)生裂紋和剝落。

由于在鎳基合金中加入一定量的WC硬質(zhì)相，WC是1種硬度高耐磨性好的材料。合金耐磨涂層材料在磨損時(shí)，合金基體材料主 要起支撐和粘結(jié)硬質(zhì)相的作用，而硬質(zhì)相是抗磨的主體，它們抵 御外來(lái)堅(jiān)硬磨料嵌入基體，并能夠有效地將部分磨料在涂層表 面的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)和犁削變?yōu)闈L動(dòng)運(yùn)動(dòng)，部分磨料在涂層表面滾動(dòng)，增大接觸面積，減小接觸面的正應(yīng)力，起到保護(hù)摩擦表面的作用。同時(shí)硬質(zhì)相也能有效地阻擋表面裂紋的萌生和擴(kuò)展。 再者，WC與基體的結(jié)合強(qiáng)度也直接影響涂層的耐磨性，因此，在鎳基合金中加入的硬質(zhì)相是Ni包WC粉末，克服了普通 WC顆粒與鎳基合金基體間浸潤(rùn)角小的缺點(diǎn)，在熔燒時(shí)使得WC 顆粒與基體合金粘合性增加，而且在磨損試驗(yàn)時(shí)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)有 WC顆粒剝落現(xiàn)象。

最外層之所以具有最好的耐磨性，是因?yàn)樵谌蹮�過(guò)程中，WC顆粒有“上浮”見(jiàn)象，在涂層表面附近WC分布較內(nèi)部密集，而WC及其與合金元素形成復(fù)相化合物是抗磨的主體，且此處 涂層的硬度較涂層內(nèi)部要高，故最外層具有最好的耐磨性。

中間3層的耐磨性差別很小，這是由于在涂層內(nèi)部WC分 布較均勻，且涂層內(nèi)部組織類(lèi)似，故耐磨性差不多，由圖2中曲 線可知，越靠近涂層外測(cè)，耐磨性越好，但在內(nèi)部不同層的耐磨 性相差并不大，這有利于涂層的應(yīng)用，當(dāng)1層涂層被磨損時(shí)，可 通過(guò)將磨損層加工掉，繼續(xù)使用里面的層作為功能涂層使用。

最里層的耐磨性最差，從圖2中曲線可以看出在磨損的前幾個(gè)小時(shí)里，該層的耐磨性與之前的幾層相差不多，但后面幾個(gè)小時(shí)涂層的磨損量突然增大，這是由于涂層磨損到了擴(kuò)散層，擴(kuò)散層相對(duì)于涂層來(lái)說(shuō)，硬度要小，相對(duì)較軟，故磨損量增大，但由于擴(kuò)散層組織較致密，雖然軟，磨損量的增加值并不是很大。

3結(jié)論

1) 涂層中擴(kuò)散層部分的硬度最低，基體靠擴(kuò)散層側(cè)的硬度 較擴(kuò)散層略有上升，但變化不大，這是在熔燒過(guò)程中涂層向基體的元素?cái)U(kuò)散造成的。

2) 涂層的硬度比基體和擴(kuò)散層硬度都大，這是由于涂層中 彌散分布的WC以及WC和涂層元素發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生的塊狀復(fù)相化合物造成的。

3) 由于塊狀硬質(zhì)相在涂層中分布較均勻，涂層部分硬度變化不大。

4) 在干摩擦條件下，涂層最外層的耐磨性最好，中間幾層 的耐磨性能相當(dāng)，靠近擴(kuò)散層處的涂層的性能最差。

文章導(dǎo)讀：
比金剛石硬度還要高的高硬度涂層材料