本文關(guān)鍵詞：中國表面工程雜志，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《中國表面工程雜志》2015年第六期

摘要：

為了進(jìn)一步挖掘鎳基碳化鎢涂層的潛能，在４０Ｃｒ基材上利用火焰噴涂制備Ｎｉ６０＋３５％ＷＣ復(fù)合涂層并對涂層進(jìn)行感應(yīng)重熔及熱處理，利用掃描電鏡（ＳＥＭ）、顯微硬度計(jì)和摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分析測定了涂層的顯微組織、顯微硬度及摩擦磨損性能。結(jié)果表明，感應(yīng)重熔使涂層與基材形成良好的冶金結(jié)合，涂層致密，硬度、耐磨性顯著優(yōu)于基材。經(jīng)淬火及回火后，涂層硬度有所提高。８５０℃淬火，４００℃回火的涂層硬度最高，達(dá)到８６６ＨＶ０．１，耐磨性也最好，磨損量僅為基材的４３％。

關(guān)鍵詞：

火焰噴涂；感應(yīng)重熔；鎳基涂層；耐磨性；顯微硬度

鎳基自熔性合金由于其良好的耐磨耐蝕性、抗氧化性和優(yōu)良的工藝性，被廣泛地應(yīng)用于材料表面防護(hù)和強(qiáng)化領(lǐng)域［１２］。ＷＣ由于其耐磨性好、硬度高、塑性好并與鎳基合金相互潤濕，結(jié)合強(qiáng)度好，被廣泛用作熱噴涂鎳基合金的增強(qiáng)相，目前常在鎳基自熔性合金中加入微米級的碳化鎢粉末，以獲得耐磨效果較為理想的金屬陶瓷復(fù)合涂層［３５］�；鹧鎳娡恐频玫耐繉右蚩锥炊唷⑴c基材結(jié)合強(qiáng)度低等缺點(diǎn)，常需進(jìn)行重熔。感應(yīng)重熔易控制、加熱頻率高、涂層能迅速熔化，且對基材熱影響小，得到廣泛的應(yīng)用［６７］。但感應(yīng)重熔是典型的高溫快冷過程，類似于淬火，涂層的組織、應(yīng)力狀態(tài)等是不穩(wěn)定的。熱處理能夠改善熱噴涂涂層的組織和性能，張發(fā)云等［８］人采用電弧噴涂技術(shù)在低碳鋼Ｑ２３５基體上制備了鐵基ＴｉＣ復(fù)合涂層并進(jìn)行熱處理，得出５００～７００℃熱處理能夠改善涂層的耐磨性；王立生等［９］的試驗(yàn)表明熱處理提高了鎳基合金涂層的硬度和界面結(jié)合強(qiáng)度；洪永昌等［１０］的試驗(yàn)則顯示熱處理使得鎳基合金噴焊層硬度得到了提高。目前對熱噴涂鎳基碳化鎢涂層進(jìn)行熱處理的研究較少，且重點(diǎn)在于對重熔后的涂層直接進(jìn)行回火。文中對火焰噴涂在４０Ｃｒ基體上制備的鎳基碳化鎢復(fù)合涂層進(jìn)行感應(yīng)重熔，又進(jìn)行了淬火和回火處理，對涂層的組織和性能進(jìn)行了初步的研究，以期為進(jìn)一步的研究提供依據(jù)。

１材料與方法

１．１試驗(yàn)材料試驗(yàn)用基材為退火態(tài)４０Ｃｒ，尺寸Φ３０ｍｍ×１０ｍｍ。涂層材料選用市售Ｎｉ６０＋ＷＣ３５粉末，粒度為８０～１０６μｍ（－１５０～＋３２０目），其中Ｎｉ６０質(zhì)量分?jǐn)?shù)為６５％，ＷＣ質(zhì)量分?jǐn)?shù)為３５％。

１．２試驗(yàn)方法４０Ｃｒ基材試樣經(jīng)凈化和噴砂處理后，采用上海大豪瑞法噴涂機(jī)械有限公司生產(chǎn)的粉末火焰噴涂槍進(jìn)行噴涂。氧氣壓力０．４～０．５ＭＰａ，乙炔壓力０．０７～０．０８ＭＰａ，噴嘴距試樣表面約２００ｍｍ，噴涂槍與試樣的角度約９０°，試樣預(yù)熱溫度１００～２００℃。噴涂過程中盡量保持試樣表面涂層厚度均勻，獲得涂層厚度０．７～１．０ｍｍ。利用ＪＱ２５ＫＷ型高頻感應(yīng)爐對噴涂完畢的試樣進(jìn)行感應(yīng)重熔，設(shè)備功率為２５ｋＷ，輸入電壓３８０Ｖ，頻率５０～６０Ｈｚ，感應(yīng)線圈為３匝，直徑４０ｍｍ。隨后部分試樣進(jìn)行淬火并回火，淬火溫度８５０℃，保溫１０ｍｉｎ后油冷，回火溫度分別為２００、４００、６００℃，保溫２ｈ。試樣利用線切割制備成小塊金相試樣和磨損試樣，經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨和拋光后，進(jìn)行組織觀察和性能測試：利用ＨＸＳ１０００Ａ型顯微硬度計(jì)測量涂層到基體的截面硬度，載荷１００ｇ，保壓１５ｓ；利用帶有ＯＸＦＯＲＤ能譜儀的Ｑｕａｎｔａ２５０型環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行涂層截面組織形貌觀察及元素線分布分析；利用ＨＳＲ２Ｍ型高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對磨球材料為ＧＣｒ１５，直徑１０ｍｍ，硬度約６１ＨＲＣ，加載載荷５０Ｎ，運(yùn)行速度２００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎ，試驗(yàn)時(shí)間３０ｍｉｎ。磨損前后，試樣用丙酮、乙醇清洗吹干，用精度為０．１ｍｇ的天平進(jìn)行稱量，采用失重法并觀察磨損形貌評價(jià)涂層的耐磨性。

２結(jié)果與分析

２．１涂層的顯微硬度圖１為涂層試樣從表面到基體的顯微硬度分布圖，圖中折線每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為相同層深５個(gè)測試點(diǎn)的平均值。由圖可見，涂層截面的硬度隨距表面距離的增大先上升后下降，僅經(jīng)感應(yīng)重熔的涂層截面硬度最低，其平均值為８０６ＨＶ０．１，感應(yīng)重熔后又經(jīng)淬火，２００、４００、６００℃回火的涂層截面硬度平均值分別為８２５、８６６、８４３ＨＶ０．１，４００℃回火的涂層截面硬度平均值最大，較熱處理前提高約６０ＨＶ０．１。分析認(rèn)為涂層粉末中存在Ｃ、Ｃｒ、Ｂ、Ｓｉ等元素及ＷＣ，重熔時(shí)溫度較高，合金元素一方面溶解進(jìn)入固溶體起到強(qiáng)化作用，形成以γＮｉ固溶體為基體，ＷＣ顆粒為增強(qiáng)相的復(fù)合噴焊層；另一方面在冷卻過程中Ｃ、Ｃｒ、Ｂ等合金元素形成一些細(xì)小的硬質(zhì)相，如Ｃｒ３Ｃ２、Ｂ４Ｃ、Ｃｒ７Ｃ３等，這些硬質(zhì)相彌散在固溶體間起到強(qiáng)化作用，因此Ｎｉ基ＷＣ復(fù)合涂層有較高的硬度［１１１２］。涂層表面因質(zhì)量較差，組織疏松而硬度較低。在淬火和回火過程中，合金元素充分?jǐn)U散，大量碳化物、硼化物析出，并有新的硬質(zhì)相產(chǎn)生，同時(shí)由于涂層合金中Ｃｒ、Ｓｉ、Ｃ等元素含量較高，促使涂層產(chǎn)生了二次硬化現(xiàn)象，涂層得到了進(jìn)一步的強(qiáng)化，因而熱處理后涂層的硬度又得到了提高［１３］。而溫度過高則會發(fā)生涂層晶粒的長大和硬質(zhì)粒子的聚集、長大，使得涂層硬度下降。

２．２涂層的組織形貌圖２是涂層經(jīng)感應(yīng)重熔及淬火并４００℃回火后截面的掃描電鏡（ＳＥＭ）照片。從圖２（ａ）可見，涂層經(jīng)感應(yīng)重熔后，組織致密，其中的孔洞、雜質(zhì)較少，涂層和基體界面處無機(jī)械嵌合而產(chǎn)生了過渡帶，形成了冶金結(jié)合，涂層中出現(xiàn)了呈多邊形的白亮顆粒。圖２（ｂ）顯示經(jīng)過８５０℃淬火及４００℃、２ｈ回火后，涂層變得更加致密平整，孔洞更少，涂層與基體間的過渡帶平滑且變寬，部分白亮顆粒在原來的塊狀周圍出現(xiàn)了須狀。圖３是感應(yīng)重熔的涂層與基體界面處的元素線分布。由圖可見，感應(yīng)重熔使涂層和基材界面處發(fā)生了元素互擴(kuò)散，即基材中的Ｆｅ、Ｃ元素向涂層擴(kuò)散，而涂層中的Ｎｉ、Ｃｒ、Ｗ元素向基材擴(kuò)散，互擴(kuò)散使界面處形成了冶金結(jié)合，還形成了富碳區(qū)，降低了界面兩側(cè)材料的性能差異，提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度［１２］。由元素線分布特征結(jié)合粉末成分可知感應(yīng)重熔涂層中存在的白亮塊狀物為ＷＣ，ＷＣ顆粒與涂層形成良好的結(jié)合且在局部分布較多。這是由于鎳基自熔性合金熔點(diǎn)較低，在重熔過程中，涂層及基體表面淺層熔化，液態(tài)合金和４０Ｃｒ基體相互滲透、擴(kuò)散，凝固后涂層形成致密組織且與基體形成冶金結(jié)合。ＷＣ顆粒因熔點(diǎn)高而未熔，僅少量發(fā)生分解與氧化，故保持原有的形狀。同時(shí)可能由于ＷＣ比重大、易團(tuán)聚以及噴涂粉末不均勻造成涂層局部ＷＣ較多的現(xiàn)象。由于高溫過程促進(jìn)元素?cái)U(kuò)散和ＷＣ的分解，因而經(jīng)過淬火和回火的熱處理后，涂層與基體之間元素的互擴(kuò)散距離有所增大。部分ＷＣ發(fā)生了分解、氧化或與鎳基合金中的元素發(fā)生了反應(yīng)，故呈現(xiàn)須狀。

２．３涂層的摩擦磨損性能對４０Ｃｒ基體、重熔的涂層和重熔后淬火并４００℃回火的涂層進(jìn)行摩擦磨損對比。帶涂層的試樣先預(yù)磨１０ｍｉｎ，以減少表面疏松層對結(jié)果的影響。經(jīng)兩次摩擦磨損試驗(yàn)后，３種試樣的平均磨損量見圖４。由圖４可見，４０Ｃｒ試樣的磨損量最大，感應(yīng)重熔涂層的磨損量為４０Ｃｒ的５４％，熱處理后的涂層磨損量僅為４０Ｃｒ的４３％，有涂層的試樣耐磨性大幅提高。圖５為試樣磨損后的表面形貌。從中可以更直觀地看出試樣表面摩擦磨損性能的優(yōu)劣。圖５（ａ）中，４０Ｃｒ表面的劃痕深且寬，平直而連續(xù)，表面有明顯被外物擠壓的痕跡。圖５（ｂ）（ｃ）中，涂層表面疏松層磨掉后，致密部分的劃痕淺、窄而不連續(xù)，表面無外物明顯壓入的痕跡。這是由于４０Ｃｒ硬度低，外來磨粒容易壓入表面，對其進(jìn)行擠壓，留下深的犁溝。而鎳基ＷＣ復(fù)合涂層中ＷＣ和其他硬質(zhì)相的彌散強(qiáng)化和元素的固溶強(qiáng)化作用，使得涂層具有較高的硬度，磨粒嵌入表面的深度小，部分磨粒在涂層表面滾動，不能對涂層進(jìn)行犁削，總體減弱了犁溝效應(yīng)，減少了對涂層的磨損。即使有部分磨粒切入涂層基體，犁削作用也會在ＷＣ等硬質(zhì)顆粒處中斷，同時(shí)部分磨粒在犁削過程中被壓碎或磨損，大大減弱其對涂層的犁削能力，進(jìn)而減弱了對涂層的磨損［５，１４］。涂層中鎳基合金起基體和支撐作用，其中分布的ＷＣ和其他硬質(zhì)相成為承載磨損的主體，這些硬質(zhì)相能夠有效地阻礙磨粒對涂層的犁削作用，大大提高涂層的耐磨性。圖５（ｃ）中涂層的劃痕較圖５（ｂ）中劃痕淺而窄，劃痕的連續(xù)性更差。分析認(rèn)為，經(jīng)淬火和４００℃回火后，一方面涂層組織得到改善，殘余應(yīng)力減少，利于涂層抵抗疲勞破壞；另一方面涂層中析出了更多的碳化物和硼化物，且在涂層中均勻分布，同時(shí)產(chǎn)生二次硬化，提高了涂層的硬度，抵抗擠壓和微觀切削的能力增強(qiáng)，利于磨損失重的下降［１３］。熱處理后，涂層中硬質(zhì)相的增多且分布均勻，提高了涂層的硬度及硬度均勻性，在摩擦磨損過程中，硬質(zhì)點(diǎn)更有效地阻止了對涂層的犁削作用，進(jìn)而使得涂層具有更好的耐磨性。

３結(jié)論

（１）火焰噴涂ＷＣ增強(qiáng)Ｎｉ６０復(fù)合涂層經(jīng)感應(yīng)重熔，涂層組織致密，與基體形成良好的冶金結(jié)合。由于合金元素的固溶強(qiáng)化及ＷＣ等硬質(zhì)相的彌散強(qiáng)化作用，涂層具有較高的硬度和良好的耐磨性。（２）感應(yīng)重熔的涂層經(jīng)８５０℃淬火和回火后，硬質(zhì)相增多，涂層硬度提高，且經(jīng)４００℃、２ｈ回火的涂層硬度最高，其耐磨性也優(yōu)于感應(yīng)重熔后的涂層。

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作者：張生欣 狄平 徐夢廓 朱世根 單位：東華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 紡織裝備教育部工程研究中心

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