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，對試樣的組織結構進行了觀察分析，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相，涂層與母材形成牢固的冶金結合。復合涂層的硬度遠遠高于母材的硬度，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照試樣的1.82倍。

關鍵詞：原位合成;碳化鎢;磨料磨損

1 前 言

碳化鎢的晶體結構為六方型，具有高熔點、高硬度、高彈性模量、高抗壓強度等特性[1]，而且與鋼鐵液的潤濕角幾乎為零。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。碳化鎢顆粒增強鋼鐵基表面復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，對碳化鎢顆粒有支撐和保護作用。由于鋼鐵液的成形性能好，與碳化鎢顆粒完全潤濕，幾乎所有的鋼鐵材料都可以作為碳化鎢增強顆粒的基體。

目前，國內外對碳化鎢顆粒增強鋼鐵基表面復合材料的制備工藝主要有鑄滲法、熱噴涂法、粉末燒結法、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-化合物之間發生的放熱反應，在金屬內部原位生成一種或幾種硬度高、模量高的陶瓷顆粒增強相，從而達到強化金屬基體的目的。由于增強相原位生成，沒有暴露于大氣的機會，表面沒有受到污染，界面匹配性好，結合致密[10，11]，基本上能克服其它工藝中通常出現的一系列問題，如浸潤不良，界面反應產生脆性層，增強基體分布不均，特別是對微小的（亞微米和納米級）增強體極難進行復合等，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、熔點高、熱膨脹系數小、耐磨性好等特點 ，而且與鋼鐵液的潤濕角幾乎為零。碳化鎢顆粒增強鋼鐵基表面復合材料中，基體包裹碳化鎢顆粒，對碳化鎢顆粒有支撐和保護的作用。由于鋼鐵液的成形性能好，與碳化鎢顆粒完全潤濕，幾乎所有的鋼鐵材料都可作為碳化鎢增強顆粒的基體。本實驗采用原位合成法，利用鎢極氬弧的高溫條件，在熔敷過程中引發特定噴涂原材料間的合成反應生成WC涂層，獲得良好的使用性能。通過本課題的研究，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涂層在工業中實際應用提供理論基礎。

2 試樣的制備

2.1 制備涂層

本實驗使用的原料如下：

鎢鐵：本實驗使用的是西安凱通金屬材料有限公司生產的W含量為80%的鎢鐵粉，粒度在-40～+100目之間。

碳化硼：本實驗使用的是牡丹江市前進碳化硼有限公司生產的碳化硼粉末。

（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，并用吹風機烘干表面。

（2）調制混合粉末膏體。

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

（3）烘干。

膏體涂敷均勻后在空氣中靜置一段時間，待水蒸發后，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、拋光和腐蝕四個步驟。

（1）切割

利用切割機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，要保證切面的絕對平整。在金相砂紙的使用上，應遵循“從粗到細”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

用金相試樣拋光機進行拋光。當試樣切面粗糙度接近鏡面、邊角銳利且無弧度時，即認為試樣已經合格。

（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，最后用吹風機吹干即可。

3 涂層的組織觀察與成分分析

在OLYMPUS GX51光學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構，利用JSM-5600LV型掃描電子顯微鏡及能譜儀進行點掃描，確定不同組織所含的元素種類及各元素含量。用MHV2000型數顯顯微硬度計測量涂層截面的顯微硬度，載荷0.98 N，保荷10 s。

光學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現均不同程度的析出了顆粒狀物質，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骨狀物質，與前一個試樣的組織很相似，對其進行成分分析，結果如圖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，魚骨狀物質主要成分為Fe、C、W元素，經測量，其顯微硬度在921～ 1129 HV之間，對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，它是高溫奧氏體轉變得到的馬氏體和殘余奧氏體組織。

總結：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硬質相、共晶碳化物。

4 涂層的性能研究

對試樣進行編號如下：

1號試樣：鎢鐵與石墨為原料制備的試樣;

2號試樣：等離子弧堆焊法制備的鎳基碳化鎢（WC質量分數為60%）涂層試樣，作為對照試樣。

4.1 硬度測試

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械與工藝特性的物理參數，它是材料化學性質、物理性質和組織特性的綜合表現。

采用維氏硬度計測量試樣的涂層硬度，實驗條件：10 kg載荷，15 s保荷，結果如表1。

可以看出：

（1）在涂層內的基體上分布著硬度很高的硬質相碳化物，大大的提高了復合涂層的硬度，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域，硬度先升高，再逐漸降低，這是因為硬質顆粒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 耐磨性測試

采用自制的磨損實驗機進行磨料磨損實驗，主軸轉速為120 r/min，對磨試樣為45號淬火鋼，磨料為Al2O3，粒度為-20～+40目。在法向方向上對試樣施加30 N的載荷，對以上試樣和對照試樣分別進行磨損實驗，采用稱重法測量試樣的磨損量，使用電子天平，精度為0.0001 g。實驗分為預磨、清洗并稱量、磨損、稱重四個步驟。每次磨損的質量損失依次為ΔG1、ΔG2、ΔG3，平均質量磨損量為ΔG。

各個試樣的磨損實驗數據如表2所示。

由表2可見， 鎢粉與石墨為原料制備的試樣的耐磨性是對照試樣的1.82倍。

在磨損過程中，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，從而保護了基體，減少了復合材料的磨損率。

在1號試樣中，有大量硬質相WC生成，而且分布比較均勻，此外由于W具有固溶強化的作用，所以1號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質量分數為60%）涂層試樣中，WC顆粒在堆焊過程中受熱發生分解，降低了它的耐磨料磨損性能。

5 結 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硬質相、共晶碳化物。

（2）復合涂層的硬度遠遠高于母材的硬度。

（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照試樣的1.82倍。

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