周許升，鄒 偉，龍偉民，黃俊蘭，王德智

（1.鄭州機械研究所有限公司新型釬焊材料與技術國家重點實驗室，河南鄭州450001；2.休斯敦大學，美國休斯敦77204）

0 前言

近年來我國的高鐵技術飛速發展，在高鐵機車制造和配套基建生產過程中需要一些工件具有較好的耐磨性。耐磨件的生產和再制造通常是將耐磨層涂覆在常規材料表面，耐磨層的涂覆方法有熱噴涂法、物理氣相沉積、化學氣相沉積、堆焊法以及釬涂法。

釬涂的原理是液態釬料在母材上潤濕、鋪展，在母材表面形成具有特殊性能的涂層。與其他方法相比，釬涂具有以下優點：（1）涂層與母材為釬焊冶金結合，其結合強度高于熱噴涂的機械結合；（2）釬涂涂層組織均勻，孔隙率低；（3）與堆焊相比加熱溫度低，對母材性能影響較小；（4）釬涂法制備的耐磨層厚度范圍較大，能制備厚度0.05～4 mm的耐磨層[1-4]。

釬涂的耐磨層由低熔點釬料和高熔點硬質相兩部分組成。在合適的溫度下，釬料熔化，潤濕母材和硬質相，并在母材表面鋪展形成耐磨涂層。目前釬涂常用釬料為鎳基合金，如BNi82CrSiB和BNi76CrP，增強相通常采用WC、Cr3C2等陶瓷相[5-11]。

釬涂多在真空或氣保護爐中加熱，成本較高，且工藝復雜。氧乙炔火焰操作簡單，成本較低，很適合在生產現場對工件進行釬涂再制造。目前火焰釬涂工藝的研究報道較少，且針對WC粒度對釬涂耐磨層組織和性能影響的系統研究較少。本研究采用鄭州機械研究所研發的鎳芯藥皮焊條對低碳鋼板進行火焰釬涂，研究不同粒度WC對釬涂層組織和性能的影響規律，以期對釬涂技術的研究有一定的借鑒意義。

1 試驗材料與方法

試驗使用鄭州機械研究所開發的釬涂用鎳芯藥皮焊條，該焊條芯部為純鎳絲，外皮由WC粉、BNi82CrSiB釬料粉和粘結劑組成，WC和BNi82CrSiB的質量分數為15%、85%。實驗采用3種不同粒度WC粉的焊條，如表1所示。

表1 釬涂用鎳芯藥皮焊條

采用手工氧乙炔火焰，母材為普通低碳鋼板，厚度2 mm。將氧乙炔火焰調整至弱碳化焰，先將試板預熱至適宜溫度，再將焊條熔覆至試板上，待焊條熔化并充分鋪展后結束加熱。

用平面磨床將試件表面涂層打磨平整，測試涂層的洛氏硬度，每個試樣取5個點的硬度并取其平均值。

用線切割切開試件，制備金相試樣。從鋼母材一側至涂層表面，每隔0.2 mm取一個點測試其顯微硬度，共取8個點，并用掃描電鏡進行顯微組織觀察和能譜分析。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織分析

試樣1的WC-Ni涂層與鋼的界面背散射電子像如圖1所示，可以看出，該界面組織與典型釬焊界面組織類似，上側為鋼基板，中間有明顯的過渡層，下側為WC-Ni涂層。圖中A區為鋼母材，B區為鎳釬料與母材的反應層。由于背散射電子像反映的是原子序數襯度，而W的原子序數在涂層界面是所有元素中是最高的，因此涂層一側白色呈彌散分布的為W顆粒（見圖1中的E）。而在過渡層中存在的長條狀應該是W與Ni反應后形成的富W相。圖中D、F應為釬料基體，可能有部分的W和來自母材的Fe。

相對于釬涂前20 μm的顆粒尺寸，從圖中標尺可以發現WC顆粒的直徑經過釬涂后明顯減小。這是因為圖片中呈灰色的富鎳組織在釬涂過程中與WC顆粒發生反應，WC顆粒直徑較小，容易被熔融態的Ni釬料溶蝕、消耗。

圖1 試樣1背散射電子像

試樣1能譜分析數據如表2所示，可以看出A點為Fe、C元素。B點是以Fe、Ni為主并含有少量Cr的界面冶金反應層。C點是以W為主并含有少量Fe、Ni、Cr的長條狀富W相，釬涂過程中部分WC顆粒完全與液態釬料反應并熔入液態釬料，釬涂結束后隨著溫度的降低，高熔點的W首先形核，并形成圖中G所示的枝晶狀組織。結合Ni-W二元合金相圖以及能譜分析數據，C點應為NiW化合物為主的富W相。D點為過渡層，以Ni、Fe為主，熔入一定量的W。E點為涂層中的WC顆粒，能譜分析的結果也驗證了這一點。F點為熔入一定量Fe、W元素的Ni釬料基體，與D點相似。

表2 試樣1能譜分析結果%

試樣1釬涂界面的面掃描圖像如圖2所示，母材中的Fe向釬料基體中發生了明顯的擴散現象，母材中的Fe擴散到涂層中。而W與Ni發生反應，并沒有擴散到鋼母材里面，Ni保留在涂層里面。

圖2 試樣1面掃描圖像

圖3為WC粒度為200 μm的WC-Ni涂層與鋼的界面顯微組織。由圖3a可知，該試樣的釬涂界面由母材和涂層兩部分構成，與圖1相比無明顯的過渡層組織，亮白色為大顆粒的WC，其四周分布著細小顆粒。這些細小顆粒的灰度介于亮白色WC和灰色Ni釬料基體之間，應該是W與Ni釬料擴散反應形成的NiW相。這與圖1過渡層中存在的長條狀NiW相形成鮮明的對比，說明隨著WC粒度的增大，W與Ni釬料的反應程度呈減弱趨勢。

圖3 試樣2背散射電子像

表3 試樣2能譜分析結果%

試樣2能譜分析結果如表3所示，圖3b中A區為鋼母材，F區為WC硬質相；B點為釬料與鋼的界面層，以Ni為基體含有一定量的Fe；遠離界面的C點的Fe含量明顯低于界面處B點，而B、C兩點均不含有W元素，這說明大顆粒WC在熔融Ni釬料中的熔解、反應的程度很低。由E點的能譜分析結果可推斷，僅在WC顆粒的表面與熔融釬料發生冶金反應。反應后生成的Ni、W相剝落進入釬料基體，由D點的能譜分析結果推斷出D點應為NiW化合物。

試樣2釬涂界面面掃描圖像如圖4所示，可以看出各種元素擴散的大致趨勢，Fe明顯擴散、熔解進入Ni釬料基體中，W與Ni發生反應生成化合物相使少部分W擴散進入Ni釬料基體。

圖4 試樣2面掃描圖像

試樣3的WC-Ni涂層與鋼的界面顯微組織如圖5所示。由圖5可知，釬涂層顯微組織與前兩個試樣相比較為簡單，由WC顆粒、包圍在其周圍的少量NiW相和Ni釬料基體組成。

對比圖5a與圖3a可知，圖3a涂層中WC顆粒之間存在著大量的NiW相組織，而圖5a僅有薄薄一層NiW相包圍著WC顆粒。由此可推斷，隨著WC粒度的增加，WC顆粒在Ni釬料中的熔解、擴散作用明顯減弱，所生成的顆粒狀NiW相的數量也明顯減少[12]。

試樣3能譜分析數據如表4所示，試樣3的能譜數據結果與試樣2相差不大，A區為鋼母材，F區為WC大顆粒。界面層B區與釬料基體C區的成分相似，區別之處在于界面層B區以Fe元素為主，不含W，而C區以Ni元素為主，少量的W熔入釬料基體。D區為W與釬料作用而生成的NiW相，這些NiW相是由熔融Ni釬料與WC顆粒表面發生反應生成的NiW相（E區）剝落進入釬料基體中。

試樣3面掃描圖像如圖6所示。由圖6可知，Fe向涂層中擴散、溶解，Fe優先與釬料中的Ni作用，不與W反應；W向釬料基體中擴散，但是其擴散程度較弱，擴散生成的少量NiW相依附在WC顆粒周圍。

圖5 試樣3背散射電子像

表4 試樣3能譜分析結果%

2.2 顯微硬度

3個試樣的顯微硬度對比如圖7所示，3個試樣的前4個點顯微硬度基本一致，逐漸升高。這是因為第1點硬度值打在鋼母材上，第2點打在界面層上，這兩點均是以Fe為主成分，其硬度值相差不大。第3、4點打在了NiW相區域，2、3、4三個點的W含量呈逐漸升高的趨勢，而由于W的硬度很高，所以其顯微硬度值也逐漸升高。

圖6 試樣3面掃描圖像

圖7 涂層界面顯微硬度

到第5個測試點時，試樣2和3均打在WC相上，而WC作為硬質相，其硬度達到1 800 HV，由于試樣1的第5個測試點的WC顆粒與Ni釬料已經發生冶金反應，形成富W合金相，其硬度值應與W合金相當，相比陶瓷增強相WC，其硬度值自然要小得多。第6、8測試點打在Ni釬料基體上，所以硬度值較低。

從顯微硬度測試結果來看，試樣1的顯微硬度較為平穩，這是因為WC粒度較小，在釬涂過程中與液態釬料發生冶金反應，其顯微組織趨向于以Ni釬料為基體，并彌散分布富W相顆粒，所以其硬度值更接近于Ni釬料基體。或者說由于WC粒度太小，彌散分布在涂層中，并且一部分WC被Ni釬料消耗，導致其粒度進一步減小，涂層的顯微組織是以Ni釬料為基體，因此其宏觀力學性能應更接近于Ni釬料基體的性能。

2.3 洛氏硬度

釬涂耐磨層外表面洛氏硬度測試結果如圖8所示，隨著WC粒度的升高，其洛氏硬度值也逐漸增加。推斷其原因是：WC粒度過小時，WC顆粒彌散分布于Ni釬料基體中，并且有一部分WC與Ni釬料發生冶金反應，所以涂層的力學性能接近于釬料基體。隨著增強相WC粒度的升高，大顆粒的WC具有極高的硬度，而Ni釬料此時作為粘結劑將WC增強相包覆起來，這種組織是理想的耐磨組織，在服役條件下，釬料被磨損后露出高硬度的WC顆粒，極大提高了工件的耐磨性能。

圖8 涂層表面洛氏硬度

3 結論

（1）WC粒度為20 μm時，過渡層中出現長條狀的NiW相，涂層顯微組織呈現以Ni釬料為基體，彌散分布著富W相；而當WC粒度增加至200 μm以上時，涂層顯微組織以大顆粒WC增強相為主，Ni釬料起到粘結劑的作用。

（2）隨著WC粒度的增加，Ni釬料與WC增強相的冶金反應程度減弱。

（3）WC粒度為400 μm時，涂層的洛氏硬度最高，涂層的耐磨性最好。

（4）火焰釬涂法制備的WC-Ni涂層冶金反應良好，界面組織致密，是一種低成本、高性能的釬涂工藝。

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