鋼鐵表面原位合成碳化鎢涂層的耐磨性研究*

任 瑩 王立輝 錢(qián)繼鋒

(陸軍軍事交通學(xué)院軍用車(chē)輛工程系 天津 300161)

磨損是材料與能源消耗的主要因素，機(jī)器零部件 在使用中會(huì)不斷磨損而導(dǎo)致報(bào)廢，所以抗磨技術(shù)一直是材料學(xué)與摩擦學(xué)的重要組成部分。由于磨損主要發(fā)生在部件的接觸表面，因而也是表面工程中的重要內(nèi)容[1]。在某些情況下，若選用貴重金屬或合金制造整體設(shè)備及零件，有時(shí)也能滿足表面性能的要求，但從經(jīng)濟(jì)性上考慮往往是行不通的，因?yàn)榻档筒牧铣杀疽彩菣C(jī)械工業(yè)對(duì)材料學(xué)工作者提出的任務(wù)之一，同時(shí)在許多情況下也無(wú)法找到一種能夠同時(shí)滿足整體和表面要求的材料。使用表面處理的方法，可以在普通、價(jià)格較低的金屬材料表面涂覆或滲入稀貴金屬，既能滿足性能要求，又能降低成本[2]。

碳化鎢顆粒增強(qiáng)鋼鐵基表面復(fù)合材料具有非常良好的抗磨損性能，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(casting infiltration)、熱噴涂法 (ther mal spraying)、粉末燒結(jié)法 (powder metall ur gy)、熔注法(melting injection)[3]、離子注滲法 (ion i mplanting)[4]、堆焊法[5～6]、激光熔覆法[7～8]、原位合成法[9～10]、電渣熔鑄法等。

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，對(duì)涂層的耐磨損性能進(jìn)行研究。

1 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)使用的原料如下:

基體材料:45鋼。

三氧化鎢、石墨、鎢鐵、碳化硅、碳化硼、鎢粉。

三氧化鎢:本實(shí)驗(yàn)使用的是重慶涵美礦業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)的WO3含量不小于99.95%的三氧化鎢粉末，粒度在-300目，松裝容重為2.0～2.8 g/c m3。

石墨:采用粒度為-20目的片狀石墨。

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。

碳化硅:本實(shí)驗(yàn)使用的是臨沂市金蒙碳化硅有限公司生產(chǎn)的Si C含量不小于98.5%的綠碳化硅，粒度在-20～+40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。

鎢粉:本實(shí)驗(yàn)使用的是湖南鴻瑞新材料有限公司生產(chǎn)的W含量不小于99.75%的鎢粉，粒度在-60～+160目之間。

以鎢極氬弧作為熱源，選擇不同的原料進(jìn)行原位合成WC涂層的實(shí)驗(yàn)，對(duì)得到的涂層進(jìn)行組織觀察和硬度測(cè)試，從中選擇幾個(gè)有可能生成WC的試樣，利用自制的磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層進(jìn)行耐磨性的測(cè)試。

對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)如下:

1號(hào)試樣:鎢粉與碳化硅為原料制備的試樣；

2號(hào)試樣:鎢鐵與石墨為原料制備的試樣；

3號(hào)試樣:鎢鐵與碳化硅為原料制備的試樣；

4號(hào)試樣:鎢鐵與碳化硼為原料制備的試樣；

5號(hào)試樣:鎢粉與碳化硼為原料制備的試樣；

6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。

2 硬度測(cè)試

采用維氏硬度計(jì)分別測(cè)量5個(gè)試樣的涂層硬度，實(shí)驗(yàn)條件為:10 kg載荷，15 s保荷，結(jié)果如表1所示。

表1 維氏硬度沿層深方向分布

圖1 (W+Si C)涂層橫截面硬度分布曲線

維氏硬度沿層深方向分布曲線如圖1～圖5所示。

圖2 (W-Fe+C)涂層橫截面硬度分布曲線

圖3 (W-Fe+Si C)涂層橫截面硬度分布曲線

圖4 (W-Fe+B4 C)涂層橫截面硬度分布曲線

圖5 (W+B4 C)涂層橫截面硬度分布曲線

從測(cè)定結(jié)果可以看出:

1)在涂層內(nèi)(熔化區(qū))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。

3 耐磨性的表征

質(zhì)量磨損量:在一定條件下，材料磨損前后的整體質(zhì)量的變化量稱為質(zhì)量磨損量，即指材料的質(zhì)量損失。

磨損速度:即為單位時(shí)間的磨損量，V=磨損量/磨損時(shí)間(kg/h)。

應(yīng)用較多的是耐磨性和相對(duì)耐磨性。耐磨性指在某個(gè)磨損過(guò)程中抵抗磨損的能力，相對(duì)耐磨性指在相同磨損條件下，標(biāo)準(zhǔn)試樣的磨損量和實(shí)驗(yàn)試樣磨損量的比值ε=標(biāo)準(zhǔn)試樣磨損量/實(shí)驗(yàn)試樣磨損量[11]。

4 涂層磨損實(shí)驗(yàn)

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5個(gè)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0.000 1 g。

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

1)預(yù)磨。首先除去試樣表面的氧化層，之后預(yù)磨10 min，磨出一個(gè)平面。

2)清洗并稱量。對(duì)預(yù)磨后的每一個(gè)試樣進(jìn)行清洗，采用酒精作為清洗液，清洗后烘干，在電子天平上稱量，并記錄稱量的質(zhì)量。

3)磨損。依次對(duì)各個(gè)試樣進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，每磨5 min測(cè)量一次質(zhì)量，每個(gè)試樣磨損3次。

4)磨損后稱量。將每一次磨損后的試樣用酒精一一清洗并烘干，在電子天平上稱量，記錄下每次磨損后的質(zhì)量。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。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在磨損過(guò)程中，由于碳化鎢顆粒的高硬度，可以抵抗磨料的侵入，保護(hù)基體，使其免于直接受到磨粒的作用。但由于碳化鎢是孤立的，它又需要依靠基體對(duì)它的支持。各個(gè)試樣的磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各個(gè)試樣的磨損實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表2可見(jiàn)，1號(hào)試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的2.24倍，2號(hào)試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.82倍，3號(hào)試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的0.84倍，4號(hào)試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.15倍，5號(hào)試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.16倍。其中，1號(hào)試樣的耐磨性最好，2號(hào)試樣次之，3號(hào)試樣的耐磨性最差。

復(fù)合材料隨著磨程的增加，其質(zhì)量損失值有下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)樵谀p初期，復(fù)合材料復(fù)合層中的金屬基體接觸磨料的幾率較大，所以磨損初期復(fù)合層中金屬基體損失較多，而隨著磨程的繼續(xù)進(jìn)行，復(fù)合層中金屬基體接觸磨料的幾率逐漸下降，所以復(fù)合材料總的質(zhì)量損失值就有所下降。而且復(fù)合層中靠近內(nèi)層的復(fù)合層質(zhì)量較好，這也是造成質(zhì)量損失減小的一個(gè)原因。

質(zhì)量磨損量對(duì)比如圖6所示，相對(duì)耐磨性對(duì)比如圖7所示。

圖6 質(zhì)量磨損量對(duì)比

圖7 相對(duì)耐磨性對(duì)比

在1號(hào)、2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)、2號(hào)試樣具有較高的耐磨性。雖然3號(hào)試樣中也有大量的WC生成，但是WC硬質(zhì)相與基體之間有明顯的分界，而且涂層中有裂紋生成，所以該試樣的耐磨性較差。在4號(hào)、5號(hào)試樣中，涂層中并沒(méi)有生成大量的WC硬質(zhì)相，但是由于B元素的加入，生成了硬度較高的硼化物，形成了強(qiáng)大的耐磨骨架，能有效地抵抗高硬度磨料的切入，所以具有比較高的耐磨性。

在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)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。

2)在常溫磨料磨損條件下，鎢粉與碳化硅為原料制備的試樣的耐磨性最好，是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(對(duì)照試樣)的2.24倍；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；鎢鐵與碳化硼為原料制備的試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.15倍；鎢粉與碳化硼為原料制備的試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.16倍；鎢鐵與碳化硅為原料制備的試樣的耐磨性最差，是對(duì)照試樣的0.84倍。