YG8硬質(zhì)顆粒增強(qiáng)鎳基合金-WC復(fù)合涂層的組織與性能研究

丁天然，黃俊蘭，路全彬，張 林

(1.鄭州機(jī)械研究所有限公司 新型釬焊材料與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450001;2.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044)

前 言

某些零件工作表面在實(shí)際應(yīng)用中要求有高的耐磨性和抗腐蝕性[1-2]，這些零件如果用整體的耐磨合金或抗腐蝕材料來制造，不但成本較高，而且在整體力學(xué)性能方面往往不能滿足要求。合理的解決方法是用表面技術(shù)在常規(guī)材料表面施加一層耐磨或耐腐蝕的金屬或合金[3]。

就耐磨層來說，常用方法有物理氣相沉積法、化學(xué)氣相沉積法、熱噴涂法、堆焊法以及近年開發(fā)的釬涂法。前幾種方法獲的耐磨層厚度受限，而釬涂法能獲得厚度范圍較大的涂層。另外，火焰釬涂所用設(shè)備簡單、工藝靈活性較高，能以較低的成本在工件表面制備具有耐磨損、耐腐蝕等優(yōu)異性能的表面功能涂層[4-7]。

釬涂實(shí)質(zhì)上是一種特殊的釬焊，與常規(guī)釬焊不同的是釬涂材料由兩部分組成：一是釬料，通稱低熔點(diǎn)組分；二是熔點(diǎn)高的硬質(zhì)合金，通稱高熔點(diǎn)組分。

釬涂用釬料主要有鎳基、鈷基、鐵基和銅基合金粉末，其中鎳基釬料具有耐磨粒磨損、抗黏著磨損、耐腐蝕、抗氧化性能好的優(yōu)點(diǎn)，且價(jià)格適中，是目前應(yīng)用最廣的自熔性合金釬料[8-10]。釬涂中高熔點(diǎn)組分，即強(qiáng)化相顆粒，常添加的有WC、TiC、SiC及TiB等陶瓷顆粒[11-12]。因WC顆粒具有高硬度、耐磨損、對(duì)鎳基合金有很好的潤濕性等特性，制備WC為增強(qiáng)相的鎳基合金復(fù)合熔覆層具有良好的耐磨損、抗腐蝕、耐高溫氧化等性能，所以其應(yīng)用更為廣泛[13-15]。

WC為增強(qiáng)相的鎳基復(fù)合熔覆層要想具備良好的耐磨性能，熔覆層中WC比例必須達(dá)到一定程度。這是因?yàn)閃C具有硬度過高和脆性較大的特性，加之與鎳基釬料的線脹系數(shù)差別較大，過多的WC易導(dǎo)致涂層中產(chǎn)生大量的裂紋和縮孔，從而降低涂層整體的耐磨性能。

與WC顆粒相比，YG8顆粒塑性較好，YG8中Co能夠脫溶到釬料中，與釬料表現(xiàn)出更好的親潤性，同時(shí)Co以面心立方體形式存在于涂層中，可有效減弱涂層脆性，減少強(qiáng)化相與鎳基釬料間的線脹系數(shù)差異，從而減少裂紋與孔洞的形成。因此，本文考慮用部分YG8硬質(zhì)合金顆粒代替WC顆粒，從而降低涂層的空隙率、提高涂層的致密性，提高耐磨性能。

為此，本文運(yùn)用氧-乙炔火焰釬涂技術(shù)，人為引入YG8硬質(zhì)合金顆粒，制備含不同YG8硬質(zhì)合金顆粒的鎳基合金-WC復(fù)合涂層，并分析了YG8對(duì)鎳基合金-WC復(fù)合涂層組織與性能的影響。

1 試驗(yàn)材料及涂層制備

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)?zāi)覆臑?5號(hào)鋼，涂層材料為BNi-2釬料粉、WC顆粒和YG8顆粒的復(fù)合粉末。涂層材料的化學(xué)成分如表1所示。涂層材料中BNi82CrSiB粒度為200目，WC粒度和YG8顆粒均為40～60目。涂層所用粘結(jié)劑為水玻璃。采用PhenomXL掃描電子顯微鏡對(duì)涂層進(jìn)行顯微組織分析，采用掃描電子顯微鏡自帶的X射線散射能譜儀(EDS)對(duì)涂層元素分布進(jìn)行分析，采用MH-3顯微硬度計(jì)和HRS-150數(shù)碼洛氏硬度計(jì)測試熔覆涂層的硬度。

表1 涂層材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.2 涂層制備

選用45號(hào)鋼作為基板，熔覆前先對(duì)基板進(jìn)行打磨和清洗，去除表面的氧化膜，再把基板放在煤油中清洗，最后用吹風(fēng)機(jī)徹底吹干。用水玻璃將復(fù)合粉末調(diào)成糊狀后，均勻涂抹在基體表面上，然后放入DF206電熱干燥箱內(nèi)加熱烘干，加熱溫度80℃，保溫時(shí)間8h。取出烘干的基板，開啟火焰槍，調(diào)到深藍(lán)色的還原焰，對(duì)基板上的熔覆材料進(jìn)行加熱熔覆(深藍(lán)色還原焰可以防止基板氧化)。熔覆完成后，試樣自然冷卻，完成涂層制備。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 顯微組織分析

圖1為不同YG8含量的鎳基合金-WC復(fù)合涂層的SEM照片。圖1(a)為YG8含量0%時(shí)的復(fù)合涂層的SEM照片，涂層組織中有兩大相，硬質(zhì)相WC顆粒和釬料基體相，其中白色顆粒為耐磨硬質(zhì)相WC，顆粒間灰色區(qū)為釬料基體相。WC顆粒表面有明顯被溶解的痕跡，說明WC顆粒與鎳基體潤濕良好，并發(fā)生了相互擴(kuò)散。從圖1(a)還可以看出，涂層組織中缺陷較多，WC顆粒產(chǎn)生了嚴(yán)重的碎裂且釬料基體中產(chǎn)生了較多的孔洞和夾雜。圖1(b)為YG8含量10%時(shí)的復(fù)合涂層SEM照片，與圖1(a)相比，涂層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，硬質(zhì)相出現(xiàn)兩種：WC顆粒和YG8顆粒，二者邊緣均有明顯溶解痕跡，均與釬料發(fā)生了相互擴(kuò)散。釬料基體中擴(kuò)散形成的白色物相形態(tài)由原來的枝狀或條狀變成了“魚骨”狀；并且涂層釬料組織中孔洞、夾雜等缺陷明顯減少，但WC顆粒仍碎裂嚴(yán)重。圖1(c) 為YG8含量25%時(shí)的復(fù)合涂層SEM照片，與圖1(b)相比，涂層組織結(jié)構(gòu)相同，只是涂層中大塊的WC顆粒邊緣相對(duì)較完整、裂紋明顯減少，且釬料基體中幾乎沒有孔洞和夾雜。圖1(d) 為YG8含量30%時(shí)的復(fù)合涂層SEM照片，圖1(e)為YG8含量40%時(shí)的復(fù)合涂層SEM照片，二者與圖1(c)相比，涂層組織結(jié)構(gòu)仍沒變，只是涂層組織中WC顆粒更加完整，涂層組織致密。圖1(f)為YG8含量50%時(shí)的復(fù)合涂層SEM照片，與圖1(e)相比，涂層組織結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，涂層組織中硬質(zhì)相只有YG8顆粒，釬料基體中沒有孔洞、夾雜等缺陷，涂層組織致密。

圖1 YG8含量不同的合金涂層SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM images of the alloy coatings with different YG8 content(a)YG8為0%；(b)YG8為10%；(c)YG8為25%；(d) YG8為30%；(e)YG8為40%；(f)YG8為50%

2.2 能譜分析

對(duì)YG8含量為0%和YG8含量為25%的熔敷試樣進(jìn)行EDS能譜對(duì)比分析，結(jié)果見表2、表3。對(duì)于界面處(圖2a中點(diǎn)12和圖2b中點(diǎn)2)，除去測不準(zhǔn)的碳元素和氧元素以外，二者均含少量的鎢和大量的鐵元素，說明WC中的鎢擴(kuò)散到了釬料中，同時(shí)鋼基體中鐵也擴(kuò)散到了釬料中，形成了明顯的界面結(jié)合層。對(duì)于WC顆粒(圖2a中點(diǎn)2和圖2b中點(diǎn)4)，除去測不準(zhǔn)的碳元素和氧元素以外，二者均只含有鎢元素，應(yīng)該為WC顆粒，其組織可能為WC或W2C的共晶體。對(duì)WC顆粒邊緣處大量小的灰白色物相(圖2a中點(diǎn)4和圖2b中點(diǎn)5)進(jìn)行EDS分析，發(fā)現(xiàn)圖2a中點(diǎn)4主要含42.93%的W，8.41%的Ni和35.45%的Fe，圖2b中點(diǎn)5主要含38.68%的W，7.52%的Ni和36.77%的Fe，說明這些小的灰白色物相是從WC顆粒中脫離出來的小塊物相，其成分與原來的鑄造WC顆粒大致相當(dāng)，只是在表層與鎳基體之間發(fā)生了相互擴(kuò)散，使其含有少量的Ni元素和大量的Fe元素。對(duì)于YG8顆粒和YG8顆粒邊緣(圖2b中點(diǎn)6和點(diǎn)7)進(jìn)行EDS對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)YG8顆粒邊緣鎢元素增多、鐵元素減少，可能YG8顆粒邊緣重聚形成了鎢含量高的大塊的η相。對(duì)于釬料基體(圖2a中點(diǎn)6和圖2b中點(diǎn)9)進(jìn)行對(duì)比，均含有鎢元素和大量的鐵元素，可以說明釬料基體均與WC和鋼基體發(fā)生了擴(kuò)散，且圖2(b)中點(diǎn)9還含有少量鈷元素，說明YG8也與釬料基體發(fā)生了擴(kuò)散。對(duì)于釬料基體中白色物相進(jìn)行對(duì)比(圖2a中點(diǎn)10和圖2b中點(diǎn)10)，主要含W、Ni和Fe，成分與原來的鑄造WC顆粒相當(dāng)，說明這些小的白色“魚骨”狀物相是從WC顆?；験G8顆粒中脫離出來的η相。

圖2 能譜掃描位置Fig.2 Spectral scanning position(a) YG8為0%的涂層;(b) YG8為25%的涂層

表2 不含YG8涂層的EDS分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)

由上述對(duì)比分析可知，硬質(zhì)相WC和YG8均與釬料基體發(fā)生了相互擴(kuò)散，釬料基體與鋼基體也發(fā)生了擴(kuò)散。

表3 YG8含量25%涂層的EDS分析結(jié)果(原子分?jǐn)?shù)，%)

2.3 硬度測試

采用MH-3型顯微硬度計(jì)測試6種試樣涂層的顯微硬度，測試結(jié)果如圖3(a)所示。

圖3 涂層硬度測試Fig.3 Hardness distribution of the coatings

從圖3(a)可以看出，不含YG8涂層試樣，亦即1號(hào)試樣中WC顆粒的顯微硬度值最小，平均顯微硬度值為1803.1HV0.1，涂層中釬料基體顯微硬度值最小的也是1號(hào)試樣，為402.5HV0.1；WC顆粒顯微硬度值最大的是3號(hào)試樣，即YG8含量為25%的試樣，其涂層組織中WC顆粒平均顯微硬度值為1988.1HV0.1，釬料基體顯微硬度值最大的也是3號(hào)試樣，為707.5HV0.1。6個(gè)涂層試樣中，試樣6中硬質(zhì)相只有YG8，YG8顆粒的顯微硬度約為1200.6HV0.1。

之所以1號(hào)涂層試樣中WC和釬料基體的顯微硬度值較低，3號(hào)涂層試樣中WC和釬料基體的顯微硬度值較高，主要是因?yàn)?號(hào)試樣硬質(zhì)相只有WC顆粒，且WC顆粒碎裂嚴(yán)重，加之釬料基體產(chǎn)生大量的孔洞和夾雜，涂層致密度較差，從而導(dǎo)致WC顆粒和釬料基體的顯微硬度值較低；相反，3號(hào)試樣硬質(zhì)相是復(fù)合硬質(zhì)相，含適量YG8和WC，YG8彌補(bǔ)了WC的脆性大，WC彌補(bǔ)了YG8的硬度低，使釬料基體致密性提高，WC顆粒裂紋明顯減少，因此涂層中WC和釬料基體的顯微硬度值較高。

采用HRS-150數(shù)碼洛氏硬度計(jì)測試6種試樣涂層的宏觀硬度，測試結(jié)果如圖3(b)所示。

從圖3(b)可以看出，6個(gè)涂層試樣中，HRC硬度值大小為：3號(hào)試樣>2號(hào)試樣>4號(hào)試樣>1號(hào)試樣>5號(hào)試樣>6號(hào)試樣。

之所以3號(hào)試樣的洛氏硬度值最大，同樣是因?yàn)?號(hào)試樣中含有適量的WC顆粒和YG8顆粒，二者相互彌補(bǔ)，提高了涂層的致密性、減少了WC的裂紋和孔洞，宏觀硬度值較高；其次是2號(hào)試樣，2號(hào)試樣中WC較多，整體硬度值較大；接著是4號(hào)試樣，4號(hào)試樣中有WC顆粒和稍多的YG8顆粒，整體顯微硬度值比2號(hào)試樣稍低；接著是1號(hào)試樣，1號(hào)試樣WC最多，但涂層缺陷最多，致密度最差，因此整體宏觀硬度值排第四；接著是5號(hào)試樣，5號(hào)試樣雖然涂層致密度高、但WC較少，整體宏觀硬度值排第五；接著是6號(hào)試樣，6號(hào)試樣硬質(zhì)相只有YG8，雖然涂層組織致密度最高，但YG8本身硬度值低，導(dǎo)致涂層宏觀硬度值最低。

由分析可知，涂層的宏觀硬度測試結(jié)果與顯微硬度測試結(jié)果相一致。

3 結(jié) 論

(1)采用火焰釬涂法在鋼表面制備不同YG8含量的鎳基合金-WC復(fù)合涂層，涂層組織由硬質(zhì)相WC顆?；験G8顆粒與釬料基體相組成。釬料基體與WC顆粒或YG8顆粒潤濕良好，均發(fā)生了相互擴(kuò)散。

(2)涂層中WC顆粒邊緣發(fā)生了溶解；YG8顆粒邊緣發(fā)生了W元素重聚，形成了W含量高的大塊η相。

(3)涂層中添加適量YG8能明顯減少裂紋、孔洞和夾雜等缺陷，改善涂層致密性，提高涂層的顯微硬度和宏觀硬度。當(dāng)YG8含量從0增加到25%時(shí)，涂層中WC顯微硬度達(dá)最大值，約1988.1HV0.1，釬料基體顯微硬度也達(dá)最大值，為707.5HV0.1，同時(shí)涂層宏觀硬度值也達(dá)最大值，為HRC48。