鎢鐵與碳化硼為原料在鋼鐵表面原位合成耐磨涂層的組織及耐磨性研究*

任 瑩 王立輝 錢繼鋒

(陸軍軍事交通學(xué)院投送裝備保障系 天津 300161)

前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，有1/3～1/2的能源在摩擦和磨損過程中被消耗，大約有80%的零件失效是由磨損造成的[1]。磨損的形式有4種，分別是腐蝕磨損、磨料磨損、表面疲勞磨損和粘著磨損等，其中磨料磨損最為普遍，磨料磨損會(huì)造成非常大的材料損失，可以占到全部磨損損失的一半左右。在摩擦學(xué)術(shù)語中，磨料磨損是這樣定義的：硬質(zhì)顆?；蛴驳耐黄鹞飳?dǎo)致材料表面遷移而產(chǎn)生的磨損。

與其他材料不同，復(fù)合材料是由多種原材料復(fù)合而成的，它是一種多相材料。在復(fù)合材料中，各組分的一部分性能被保留下來，通過復(fù)合效應(yīng)和材料的設(shè)計(jì)，還可以使其具有原組分所不具有的新的性能，可以更大限度發(fā)揮材料的性能優(yōu)勢(shì)[2]，減少材料用量。

從20世紀(jì)60年代開始，金屬基復(fù)合材料就開始成為研究人員和各大企業(yè)研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域，目前在航空航天、汽車等領(lǐng)域都得到了較大規(guī)模的應(yīng)用[3]。

金屬基復(fù)合材料分為兩類：分別是纖維增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料和顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料。纖維增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料的高溫性能比較好，比強(qiáng)度、比模量都比較高，導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性良好；但是纖維增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料也有很多不足，比如制造工藝比較復(fù)雜、加工溫度較高、界面反應(yīng)控制困難、成本比較高、性能不太穩(wěn)定，因此應(yīng)用范圍較小[4]。顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料不僅制備工藝比較簡單，而且生產(chǎn)成本低廉[5～6]。

顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的顯微組織與白口鑄鐵類似，由于硬質(zhì)顆粒具有可設(shè)計(jì)性，使顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的抗磨料磨損潛力可能比合金白口鑄鐵更高，所以，作為一種新型耐磨材料，從一開始研究人員就認(rèn)為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料研究將具有良好的發(fā)展前景和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

采用表面技術(shù)，將顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料涂覆在零部件的表層，內(nèi)層仍然是金屬材料。零部件表層的復(fù)合材料用于承受磨損，而內(nèi)部的金屬材料則不必承受磨損。筆者利用原位合成法，以鎢極氬弧為熱源，讓原材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成硬質(zhì)涂層，觀察涂層的組織結(jié)構(gòu)并測(cè)量涂層的硬度及耐磨性。

1 試樣制備

1.1 實(shí)驗(yàn)所用原料

鎢鐵：W 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為80%的鎢鐵粉，粒度為-40～+100目。碳化硼：碳化硼粉末?；旌戏勰┙M成為：2.3 g W-Fe+0.56 gB4C。

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

1.2.1 基體的預(yù)處理

加工基體材料成一定形狀后，去除表層的氧化物，用酒精、丙酮將油脂清洗掉，再用吹風(fēng)機(jī)烘干。

1.2.2 調(diào)制混合粉末膏體

將原料粉末按一定比例均勻混合，加入水玻璃調(diào)成膏狀，將膏體均勻涂在基體表層，控制厚度在2 mm左右。

1.2.3 烘干膏體

將膏體均勻涂敷在基體表層之后，放置在空氣中，等涂層干燥后，將試樣放入100℃干燥爐中烘干，保溫1 h后爐冷。

1.2.4 加熱熔敷

用鎢極氬弧加熱，電流為100 A，加熱涂層使其熔化，與母材緊密融合在一起。

1.2.5 制備金相試樣其包括四個(gè)步驟，依次為切割、打磨、拋光和腐蝕。

2 組織觀察及成分分析

利用光學(xué)顯微鏡觀察涂層的組織，并對(duì)典型組織拍照。利用掃描電鏡觀察涂層中較小尺寸范圍內(nèi)的涂層的組織、分布特征、尺寸和形態(tài)。

通過X 射線衍射儀對(duì)涂層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，通過掃描電鏡和能譜儀對(duì)金相組織進(jìn)行點(diǎn)掃描，來確定不同組織的元素構(gòu)成及各個(gè)元素的百分含量。

通過數(shù)顯顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層截面的顯微硬度，載荷大小為0.98 N，保持載荷時(shí)間為10 s。

觀察到的金相組織如圖1所示，母材平均硬度為195 HV，涂層的最高硬度值達(dá)到882 HV。

圖1 (W-Fe+B4 C)涂層組織Fig.1 Structure of the(W-Fe+B4 C)coating

用掃描電子顯微鏡觀察到的涂層顯微組織如圖2所示。

圖2 W-Fe+B4 C)涂層顯微組織Fig.2 Microstructure of the(W-Fe+B4 C)coating

由圖2可知，大量的白色團(tuán)聚物分布在涂層底部，而白色塊狀物均勻的分布在涂層的上部和中部。

利用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)白色團(tuán)聚物的顯微組織與成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，白色團(tuán)聚物的主要成分為Fe、W、C 3種元素，因?yàn)闊o法檢測(cè)出B元素，所以無法準(zhǔn)確判斷該組織的具體組成，白色團(tuán)聚物出現(xiàn)在涂層的底部，無法用X-rays衍射進(jìn)行物相鑒定。顯微硬度在1 121～1 507 HV 之間，可以判斷該組織為(Fe，W)的合金硼化物或合金碳化物。

圖3 白色團(tuán)聚物的能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of white agglomerates

利用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)白色塊狀物的顯 微組織和成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4所示。

圖4 白色塊狀組織的能譜分析Fig.4 Energy spectrum analysis of white blocks

由圖4可知，白色塊狀組織的主要成分為Fe、W、C的3種元素，與前面的合金WC組織相比，含碳量明顯偏低，經(jīng)測(cè)量，其顯微硬度值在1 842～2 549 HV 之間，該組織可能是為(Fe，W)的合金硼化物或合金碳硼化物。

利用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)黑色塊狀物的顯微組織和成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5所示。

圖5 黑色塊狀組織的能譜分析Fig.5 Energy spectrum analysis of black blocks

由圖5可知，黑色塊狀組織的主要成分為Fe、C的2種元素，因?yàn)闊o法檢測(cè)出B 元素，所以沒有辦法確定黑色塊狀組織的具體組成，經(jīng)測(cè)量，該組織顯微硬度在1 826～2 173 HV 之間，可能為Fe的硼化物。利用掃描電子顯微鏡及能譜儀對(duì)網(wǎng)狀組織的顯微 組織和成分進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)狀組織的能譜分析Fig.6 Energy spectrum analysis of the mesh

由圖6可知，網(wǎng)狀組織的主要成分為Fe、C 的2種元素，原子比接近3∶1，與Fe3C的組成類似。經(jīng)測(cè)量，網(wǎng)狀組織的顯微硬度在752～1 069 HV 之間，可以確定該組織為Fe3C。

涂層試樣的X 射線衍射分析結(jié)果如圖7所示。

總結(jié)：以鎢鐵與碳化硼為原料，鎢極氬弧為熱源，原位合成的涂層中，涂層的組織為(Fe，W)的合金硼化物、Fe的硼化物、Fe3C等。

3 硬度測(cè)量

圖7 (W-Fe+B4 C)涂層的X 射線衍射分析Fig.7 X-ray diffraction analysis of(W-Fe+B4 C)coating

硬度表示材料抵抗表面局部塑性變形的能力，一般來說，材料的硬度越大，耐磨性越好。

對(duì)試樣進(jìn)行如下編號(hào)：

1號(hào)試樣：鎢鐵與碳化硼原位合成的試樣；

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

利用維氏硬度計(jì)來測(cè)量原位合成試樣的涂層硬度，實(shí)驗(yàn)條件：10 kg載荷，15 s保荷，結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出：

1)實(shí)驗(yàn)得到了硬度很高的硬質(zhì)相，分布在基體上，使得涂層的硬度大大提高，高硬度有助于涂層耐磨損性能的提高。

表1 維氏硬度沿層深方向分布Tab.1 Vickers hardness distribution along the depth of the layer

2)因?yàn)橛操|(zhì)顆粒主要分布在涂層中下部，而且密度比較大，所以從涂層的表面到內(nèi)部的母材區(qū)域，硬度先升高，再逐漸降低，最大的顯微硬度值出現(xiàn)在硬度曲線的中間位置。

4 耐磨性測(cè)量

利用磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)2個(gè)試樣進(jìn)行耐磨性能測(cè)量。磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速為120 r/min，以45號(hào)淬火鋼作為對(duì)磨試樣，粒度在-20～+40目之間的Al2O3作為磨料。對(duì)待測(cè)試樣施加大小為30 N、方向?yàn)榉ň€方向的載荷，分別測(cè)量2個(gè)試樣的耐磨性。采用精度為0.000 1 g的電子天平測(cè)量來測(cè)量兩個(gè)試樣的磨損量。每次磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)出的質(zhì)量變化分別為ΔG1、ΔG2、ΔG3，計(jì)算出平均質(zhì)量變化量ΔG。2個(gè)試樣的耐磨性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各個(gè)試樣的耐磨性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 Wear test data of each sample

由表2可見，原位合成法制備的1號(hào)試樣的耐磨性是對(duì)照試樣的1.15倍，隨著磨程的不斷進(jìn)行，質(zhì)量損失值有下降的趨勢(shì)。

在1號(hào)試樣中，沒有生成大量的WC硬質(zhì)顆粒，不過因?yàn)榧尤肓薆 元素，生成了硬度比較高的硼化物，所以該試樣也具有比較高的耐磨料磨損性能(相對(duì)于基體組織來說)，耐磨性也高于采用等離子弧堆焊法直接將碳化鎢加入鋼鐵基體中制備的2號(hào)對(duì)照試樣。

在2號(hào)試樣的實(shí)驗(yàn)過程中，原有的WC 顆粒受熱分解，耐磨料磨損性能降低。

5 結(jié)論

在以鎢鐵與碳化硼為原料制備的涂層中，得到的組織為Fe，W 的合金硼化物、Fe的硼化物、Fe3C。雖然沒有生成WC顆粒，但是涂層的硬度大大高于母材的硬度，且具有較高的耐磨料磨損性能。