钨铁与石墨为原料制备碳化钨陶瓷涂层的 组织及耐磨性研究

    任莹 钱继锋 王立辉

    

    

    

    摘 要：论文以钨铁与石墨为原料制备涂层试样，对试样的组织结构进行了观察分析，并且研究了涂层的耐磨料磨损性能。在涂层基体上弥散分布着大量的碳化钨硬质相，涂层与母材形成牢固的冶金结合。复合涂层的硬度远远高于母材的硬度，母材的平均硬度为172 HV，涂层的硬度最高达到698 HV。在常温磨料磨损条件下，钨铁与石墨为原料制备的试样的耐磨性是对照试样的1.82倍。

    关键词：原位合成;碳化钨;磨料磨损

    1 前 言

    碳化钨的晶体结构为六方型，具有高熔点、高硬度、高弹性模量、高抗压强度等特性[1]，而且与钢铁液的润湿角几乎为零。此外，碳化钨是高温下最硬的二元碳化物，并且具有较好的抗氧化、耐腐蚀能力。碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材料具有非常好的抗磨损性能，在涂层中，基体包裹碳化钨颗粒，对碳化钨颗粒有支撑和保护作用。由于钢铁液的成形性能好，与碳化钨颗粒完全润湿，几乎所有的钢铁材料都可以作为碳化钨增强颗粒的基体。

    目前，国内外对碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材料的制备工艺主要有铸渗法、热喷涂法、粉末烧结法、熔注法[2]、离子注渗法[3]、堆焊法[4，5]、激光熔覆法[6，7]、原位合成法[8，9]、电渣熔铸法等。

    原位合成法利用金属-金属之间或金属-化合物之间发生的放热反应，在金属内部原位生成一种或几种硬度高、模量高的陶瓷颗粒增强相，从而达到强化金属基体的目的。由于增强相原位生成，没有暴露于大气的机会，表面没有受到污染，界面匹配性好，结合致密[10，11]，基本上能克服其它工藝中通常出现的一系列问题，如浸润不良，界面反应产生脆性层，增强基体分布不均，特别是对微小的（亚微米和纳米级）增强体极难进行复合等，作为一种突破性的工艺方法而普遍受到重视。

    碳化钨（WC）为六方晶体，具有硬度高、熔点高、热膨胀系数小、耐磨性好等特点 ，而且与钢铁液的润湿角几乎为零。碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材料中，基体包裹碳化钨颗粒，对碳化钨颗粒有支撑和保护的作用。由于钢铁液的成形性能好，与碳化钨颗粒完全润湿，几乎所有的钢铁材料都可作为碳化钨增强颗粒的基体。本实验采用原位合成法，利用钨极氩弧的高温条件，在熔敷过程中引发特定喷涂原材料间的合成反应生成WC涂层，获得良好的使用性能。通过本课题的研究，在钨极氩弧为热源的条件下，能获得性能良好的高温涂层，为WC涂层在工业中实际应用提供理论基础。

    2 试样的制备

    2.1 制备涂层

    本实验使用的原料如下：

    钨铁：本实验使用的是西安凯通金属材料有限公司生产的W含量为80%的钨铁粉，粒度在-40～+100目之间。

    碳化硼：本实验使用的是牡丹江市前进碳化硼有限公司生产的碳化硼粉末。

    （1）首先将基体材料加工成所需要的形状，然后除去基体表面的氧化物，再用酒精、丙酮清洗表面油脂，并用吹风机烘干表面。

    （2）调制混合粉末膏体。

    将原料粉末按照一定比例在研钵中研磨混合均匀，添加适量水玻璃调制成膏状，均匀涂敷在基体表面，涂层时厚度控制在2 mm左右。

    （3）烘干。

    膏体涂敷均匀后在空气中静置一段时间，待水蒸发后，将试样放在干燥炉中烘干，炉温控制在100℃左右，保温一小时后随炉冷却。

    （4）加热熔敷。

    采用钨极氩弧作为热源，电流为100 A;混合粉末组成为：2.3 gW-Fe+0.12 gC;加热涂层使其熔化，与母材结合在一起。

    2.2 制备金相试样

    金相试样的制备包括切割、打磨、抛光和腐蚀四个步骤。

    （1）切割

    利用切割机沿试样中部垂直涂层表面切割试样，选择切面较光滑的半块试样进行打磨。

    （2）打磨

    采用试样砂纸打磨试样切面，要保证切面的绝对平整。在金相砂纸的使用上，应遵循“从粗到细”的原则。每次打磨方向与上次的方向垂直，直到抹平上次的磨痕为止，每次打磨后都要用流水冲洗切面，以避免磨屑影响下次的打磨工作。

    （3）抛光

    用金相试样抛光机进行抛光。当试样切面粗糙度接近镜面、边角锐利且无弧度时，即认为试样已经合格。

    （4）腐蚀

    试样抛光后，先用酒精擦去切面上的污物，之后用水冲，再用浓度为4%的硝酸酒精擦拭，用水冲，可以用硝酸酒精反复擦拭几次，直至试样切面稍微变色即可，再用酒精擦拭，最后用吹风机吹干即可。

    3 涂层的组织观察与成分分析

    在OLYMPUS GX51光学显微镜下观察金属陶瓷涂层组织，将典型组织照相。用XRD-6000型X射线衍射仪分析涂层的相结构，利用JSM-5600LV型扫描电子显微镜及能谱仪进行点扫描，确定不同组织所含的元素种类及各元素含量。用MHV2000型数显显微硬度计测量涂层截面的显微硬度，载荷0.98 N，保荷10 s。

    光学显微镜下观察金相组织如图1所示，母材平均硬度为201 HV，焊缝最高硬度值为734 HV。

    所得焊缝硬度较大，而且从金相照片中发现均不同程度的析出了颗粒状物质，用扫描电镜观察其显微组织并且做成分分析。

    用扫描电镜观测到的涂层显微组织如图2所示。

    从图片中可以观察到涂层中生成大量白色块状物和鱼骨状物质，与前一个试样的组织很相似，对其进行成分分析，结果如图3。

    由图3可知，白色块状物主要成分为C、W、Fe，其显微硬度在1531 ～ 1842 HV之间，可以判断其为WC，其中熔入了一定的Fe元素。

    由图4可知，鱼骨状物质主要成分为Fe、C、W元素，经测量，其显微硬度在921～ 1129 HV之间，对照焊接金相图谱可以判断，这是η共晶碳化物[（Fe，W）6C]。黑色部分是基体组织，它是高温奥氏体转变得到的马氏体和残余奥氏体组织。

    总结：在以钨铁与石墨为原料制备的涂层中，基体组织为马氏体和奥氏体，含有大量的WC硬质相、共晶碳化物。

    4 涂层的性能研究

    对试样进行编号如下：

    1号试样：钨铁与石墨为原料制备的试样;

    2号试样：等离子弧堆焊法制备的镍基碳化钨（WC质量分数为60%）涂层试样，作为对照试样。

    4.1 硬度测试

    硬度是材料抵抗表面局部变形的能力，是用于反映材料表面耐磨层的机械与工艺特性的物理参数，它是材料化学性质、物理性质和组织特性的综合表现。

    采用维氏硬度计测量试样的涂层硬度，实验条件：10 kg载荷，15 s保荷，结果如表1。

    可以看出：

    （1）在涂层内的基体上分布着硬度很高的硬质相碳化物，大大的提高了复合涂层的硬度，这样高的硬度也有利于涂层具有较高的耐磨损性能。

    （2）从涂层表面到母材区域，硬度先升高，再逐渐降低，这是因为硬质颗粒WC的密度较大，大部分分布在涂层中下部，所以涂层显微硬度最大值在曲线的中部。

    4.2 耐磨性测试

    采用自制的磨损实验机进行磨料磨损实验，主轴转速为120 r/min，对磨试样为45号淬火钢，磨料为Al2O3，粒度为-20～+40目。在法向方向上对试样施加30 N的载荷，对以上试样和对照试样分别进行磨损实验，采用称重法测量试样的磨损量，使用电子天平，精度为0.0001 g。实验分为预磨、清洗并称量、磨损、称重四个步骤。每次磨损的质量损失依次为ΔG1、ΔG2、ΔG3，平均质量磨损量为ΔG。

    各个试样的磨损实验数据如表2所示。

    由表2可见， 钨粉与石墨为原料制备的试样的耐磨性是对照试样的1.82倍。

    在磨损过程中，由于碳化钨颗粒有良好的抵御磨粒微切削能力，凸起的碳化钨颗粒起着主要的抗磨损作用，从而保护了基体，减少了复合材料的磨损率。

    在1号试样中，有大量硬质相WC生成，而且分布比较均匀，此外由于W具有固溶强化的作用，所以1号试样具有较高的耐磨性。

    等离子弧堆焊法制备的镍基碳化钨（WC质量分数为60%）涂层试样中，WC颗粒在堆焊过程中受热发生分解，降低了它的耐磨料磨损性能。

    5 结 论

    （1）在以钨铁与石墨为原料制备的涂层中，基体组织为马氏体和奥氏体，含有大量的WC硬质相、共晶碳化物。

    （2）复合涂层的硬度远远高于母材的硬度。

    （3）在常温磨料磨损条件下，钨铁与石墨为原料制备的试样的耐磨性是对照试样的1.82倍。

    参考文献

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