鎢鐵與石墨為原料制備碳化鎢陶瓷涂層的 組織及耐磨性研究

任瑩 錢繼鋒 王立輝

摘 要：論文以鎢鐵與石墨為原料制備涂層試樣，對(duì)試樣的組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了觀察分析，并且研究了涂層的耐磨料磨損性能。在涂層基體上彌散分布著大量的碳化鎢硬質(zhì)相，涂層與母材形成牢固的冶金結(jié)合。復(fù)合涂層的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材的硬度，母材的平均硬度為172 HV，涂層的硬度最高達(dá)到698 HV。在常溫磨料磨損條件下，鎢鐵與石墨為原料制備的試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.82倍。

關(guān)鍵詞：原位合成;碳化鎢;磨料磨損

1 前 言

碳化鎢的晶體結(jié)構(gòu)為六方型，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高彈性模量、高抗壓強(qiáng)度等特性[1]，而且與鋼鐵液的潤(rùn)濕角幾乎為零。此外，碳化鎢是高溫下最硬的二元碳化物，并且具有較好的抗氧化、耐腐蝕能力。碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料具有非常好的抗磨損性能，在涂層中，基體包裹碳化鎢顆粒，對(duì)碳化鎢顆粒有支撐和保護(hù)作用。由于鋼鐵液的成形性能好，與碳化鎢顆粒完全潤(rùn)濕，幾乎所有的鋼鐵材料都可以作為碳化鎢增強(qiáng)顆粒的基體。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料的制備工藝主要有鑄滲法、熱噴涂法、粉末燒結(jié)法、熔注法[2]、離子注滲法[3]、堆焊法[4，5]、激光熔覆法[6，7]、原位合成法[8，9]、電渣熔鑄法等。

原位合成法利用金屬-金屬之間或金屬-化合物之間發(fā)生的放熱反應(yīng)，在金屬內(nèi)部原位生成一種或幾種硬度高、模量高的陶瓷顆粒增強(qiáng)相，從而達(dá)到強(qiáng)化金屬基體的目的。由于增強(qiáng)相原位生成，沒(méi)有暴露于大氣的機(jī)會(huì)，表面沒(méi)有受到污染，界面匹配性好，結(jié)合致密[10，11]，基本上能克服其它工藝中通常出現(xiàn)的一系列問(wèn)題，如浸潤(rùn)不良，界面反應(yīng)產(chǎn)生脆性層，增強(qiáng)基體分布不均，特別是對(duì)微小的（亞微米和納米級(jí)）增強(qiáng)體極難進(jìn)行復(fù)合等，作為一種突破性的工藝方法而普遍受到重視。

碳化鎢（WC）為六方晶體，具有硬度高、熔點(diǎn)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好等特點(diǎn) ，而且與鋼鐵液的潤(rùn)濕角幾乎為零。碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料中，基體包裹碳化鎢顆粒，對(duì)碳化鎢顆粒有支撐和保護(hù)的作用。由于鋼鐵液的成形性能好，與碳化鎢顆粒完全潤(rùn)濕，幾乎所有的鋼鐵材料都可作為碳化鎢增強(qiáng)顆粒的基體。本實(shí)驗(yàn)采用原位合成法，利用鎢極氬弧的高溫條件，在熔敷過(guò)程中引發(fā)特定噴涂原材料間的合成反應(yīng)生成WC涂層，獲得良好的使用性能。通過(guò)本課題的研究，在鎢極氬弧為熱源的條件下，能獲得性能良好的高溫涂層，為WC涂層在工業(yè)中實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

2 試樣的制備

2.1 制備涂層

本實(shí)驗(yàn)使用的原料如下：

鎢鐵：本實(shí)驗(yàn)使用的是西安凱通金屬材料有限公司生產(chǎn)的W含量為80%的鎢鐵粉，粒度在-40～+100目之間。

碳化硼：本實(shí)驗(yàn)使用的是牡丹江市前進(jìn)碳化硼有限公司生產(chǎn)的碳化硼粉末。

（1）首先將基體材料加工成所需要的形狀，然后除去基體表面的氧化物，再用酒精、丙酮清洗表面油脂，并用吹風(fēng)機(jī)烘干表面。

（2）調(diào)制混合粉末膏體。

將原料粉末按照一定比例在研缽中研磨混合均勻，添加適量水玻璃調(diào)制成膏狀，均勻涂敷在基體表面，涂層時(shí)厚度控制在2 mm左右。

（3）烘干。

膏體涂敷均勻后在空氣中靜置一段時(shí)間，待水蒸發(fā)后，將試樣放在干燥爐中烘干，爐溫控制在100℃左右，保溫一小時(shí)后隨爐冷卻。

（4）加熱熔敷。

采用鎢極氬弧作為熱源，電流為100 A;混合粉末組成為：2.3 gW-Fe+0.12 gC;加熱涂層使其熔化，與母材結(jié)合在一起。

2.2 制備金相試樣

金相試樣的制備包括切割、打磨、拋光和腐蝕四個(gè)步驟。

（1）切割

利用切割機(jī)沿試樣中部垂直涂層表面切割試樣，選擇切面較光滑的半塊試樣進(jìn)行打磨。

（2）打磨

采用試樣砂紙打磨試樣切面，要保證切面的絕對(duì)平整。在金相砂紙的使用上，應(yīng)遵循“從粗到細(xì)”的原則。每次打磨方向與上次的方向垂直，直到抹平上次的磨痕為止，每次打磨后都要用流水沖洗切面，以避免磨屑影響下次的打磨工作。

（3）拋光

用金相試樣拋光機(jī)進(jìn)行拋光。當(dāng)試樣切面粗糙度接近鏡面、邊角銳利且無(wú)弧度時(shí)，即認(rèn)為試樣已經(jīng)合格。

（4）腐蝕

試樣拋光后，先用酒精擦去切面上的污物，之后用水沖，再用濃度為4%的硝酸酒精擦拭，用水沖，可以用硝酸酒精反復(fù)擦拭幾次，直至試樣切面稍微變色即可，再用酒精擦拭，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干即可。

3 涂層的組織觀察與成分分析

在OLYMPUS GX51光學(xué)顯微鏡下觀察金屬陶瓷涂層組織，將典型組織照相。用XRD-6000型X射線衍射儀分析涂層的相結(jié)構(gòu)，利用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡及能譜儀進(jìn)行點(diǎn)掃描，確定不同組織所含的元素種類及各元素含量。用MHV2000型數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層截面的顯微硬度，載荷0.98 N，保荷10 s。

光學(xué)顯微鏡下觀察金相組織如圖1所示，母材平均硬度為201 HV，焊縫最高硬度值為734 HV。

所得焊縫硬度較大，而且從金相照片中發(fā)現(xiàn)均不同程度的析出了顆粒狀物質(zhì)，用掃描電鏡觀察其顯微組織并且做成分分析。

用掃描電鏡觀測(cè)到的涂層顯微組織如圖2所示。

從圖片中可以觀察到涂層中生成大量白色塊狀物和魚(yú)骨狀物質(zhì)，與前一個(gè)試樣的組織很相似，對(duì)其進(jìn)行成分分析，結(jié)果如圖3。

由圖3可知，白色塊狀物主要成分為C、W、Fe，其顯微硬度在1531 ～ 1842 HV之間，可以判斷其為WC，其中熔入了一定的Fe元素。

由圖4可知，魚(yú)骨狀物質(zhì)主要成分為Fe、C、W元素，經(jīng)測(cè)量，其顯微硬度在921～ 1129 HV之間，對(duì)照焊接金相圖譜可以判斷，這是η共晶碳化物[（Fe，W）6C]。黑色部分是基體組織，它是高溫奧氏體轉(zhuǎn)變得到的馬氏體和殘余奧氏體組織。

總結(jié)：在以鎢鐵與石墨為原料制備的涂層中，基體組織為馬氏體和奧氏體，含有大量的WC硬質(zhì)相、共晶碳化物。

4 涂層的性能研究

對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)如下：

1號(hào)試樣：鎢鐵與石墨為原料制備的試樣;

2號(hào)試樣：等離子弧堆焊法制備的鎳基碳化鎢（WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%）涂層試樣，作為對(duì)照試樣。

4.1 硬度測(cè)試

硬度是材料抵抗表面局部變形的能力，是用于反映材料表面耐磨層的機(jī)械與工藝特性的物理參數(shù)，它是材料化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)和組織特性的綜合表現(xiàn)。

采用維氏硬度計(jì)測(cè)量試樣的涂層硬度，實(shí)驗(yàn)條件：10 kg載荷，15 s保荷，結(jié)果如表1。

可以看出：

（1）在涂層內(nèi)的基體上分布著硬度很高的硬質(zhì)相碳化物，大大的提高了復(fù)合涂層的硬度，這樣高的硬度也有利于涂層具有較高的耐磨損性能。

（2）從涂層表面到母材區(qū)域，硬度先升高，再逐漸降低，這是因?yàn)橛操|(zhì)顆粒WC的密度較大，大部分分布在涂層中下部，所以涂層顯微硬度最大值在曲線的中部。

4.2 耐磨性測(cè)試

采用自制的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨料磨損實(shí)驗(yàn)，主軸轉(zhuǎn)速為120 r/min，對(duì)磨試樣為45號(hào)淬火鋼，磨料為Al2O3，粒度為-20～+40目。在法向方向上對(duì)試樣施加30 N的載荷，對(duì)以上試樣和對(duì)照試樣分別進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，采用稱重法測(cè)量試樣的磨損量，使用電子天平，精度為0.0001 g。實(shí)驗(yàn)分為預(yù)磨、清洗并稱量、磨損、稱重四個(gè)步驟。每次磨損的質(zhì)量損失依次為ΔG1、ΔG2、ΔG3，平均質(zhì)量磨損量為ΔG。

各個(gè)試樣的磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2可見(jiàn)， 鎢粉與石墨為原料制備的試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.82倍。

在磨損過(guò)程中，由于碳化鎢顆粒有良好的抵御磨粒微切削能力，凸起的碳化鎢顆粒起著主要的抗磨損作用，從而保護(hù)了基體，減少了復(fù)合材料的磨損率。

在1號(hào)試樣中，有大量硬質(zhì)相WC生成，而且分布比較均勻，此外由于W具有固溶強(qiáng)化的作用，所以1號(hào)試樣具有較高的耐磨性。

等離子弧堆焊法制備的鎳基碳化鎢（WC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%）涂層試樣中，WC顆粒在堆焊過(guò)程中受熱發(fā)生分解，降低了它的耐磨料磨損性能。

5 結(jié) 論

（1）在以鎢鐵與石墨為原料制備的涂層中，基體組織為馬氏體和奧氏體，含有大量的WC硬質(zhì)相、共晶碳化物。

（2）復(fù)合涂層的硬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于母材的硬度。

（3）在常溫磨料磨損條件下，鎢鐵與石墨為原料制備的試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.82倍。

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