第35卷1999
第1期
年1月
ACTA M ETALL U R GICA SIN ICA
Vol.35No.1
January1999 NiCrBSi-WC耐磨钎焊涂层的制备3 陆善平 董秀中 吴 庆 郭 义
(中国科学院金属研究所，沈阳110015)
许先忠 朱仲为
(北京石油机械厂，北京100083)
摘 要 采用滚压工艺，将WC粉或Ni-Cr-B-S i粉与有机连接物的混合物制备成具有良好柔性的金属粉末布.金属粉末布贴装到零件表面，经过高温钎焊形成耐磨钎焊涂层.涂层与基体间具有很强的冶金结合强度，其拉伸强度σb>78MPa，剪切强度σt>155MPa.钎焊涂层的耐磨性远高于C o-Cr-W堆焊层. 关键词 钎焊，涂层，耐磨
中图法分类号 TG454 文献标识码 A 文章编号 0412-1961(1999)01-0083-85 FABRICATION OF NiCrBSi-WC WEAR BRAZING COATING
L U S hanpi ng,DON G Xi uz hong,W U Qi ng,GU O Yi
(Institute of Metal Research,The Chinese Academy of Sciences,Shenyang110015)
X U Xianz hong,ZHU Zhongwei
无线报警系统Beijing Petroleum Mechanical Factory,Beijing100083
Correspondent:L U S hanpi ng,Tel:(024)23843531-55245,Fax:(024)23891320
Manuscript received1998-03-30,in revised form1998-06-04
ABSTRACT Mixed powder consisting of WC or NiCrBSi powder and organism could be made into flexible metal cloth using rolling technology.A wear brazing coating was fabriacated through high temperature brazing in vacuum furnace after the flexible metal clothes were assembled to substrate.The interface strengths between the brazing coating and substrate are higher(σb>78MPa,σt>155MPa).The wear resistance of brazing coating is better than Co-Cr-W overlaying coating.
KE Y WOR DS brazing,coating,wear
石油水平钻井是石油开采的先进技术，其中螺杆钻具耐磨贴面轴承是水平钻井设备中的关键部件之一.由于这种轴承在井下工作条件恶劣，不但要求转动接触面上具有很高的耐磨性，而且要求耐磨涂层和基体界面间具有较高的结合性能.为此轴承表面涂层工艺先后采用了热喷涂、堆焊、硬质合金镶块等方法，但这些涂覆工艺都存在一些不足之处，热喷涂的涂层厚度受到一定限制(0.2—0.6 mm)且涂层与基体的结合强度不高(30—50MPa)[1]；堆焊过程中基体受热不均匀，温度场梯度大，容易引起较大焊接残余应力及变形，影响轴承的装配和使用寿命，而且堆焊层表面粗糙，机加工量大[2]；合金镶块法的表面耐磨性均质化较差，涂层使用寿命短.与常用钎焊涂层方法(真空钎焊烧结自熔合金法和硬质合金镶块法)相比，本文提供的耐磨钎焊涂层克服了真空钎焊烧结法装配的困难和耐磨性不佳的缺点，解决了硬质合金镶块法表面耐磨性的不均
3收到初稿日期:1998-03-30，收到修改稿日期:1998-06-04
作者简介：陆善平，男,1970年生，博士研究生质性，有效地防止了涂层整块脱落.该方法制备的涂层表面光洁度较高(相当于精铸表面)；可在各种金属表面(包括平面、曲面、螺旋面等)上制造涂层.成功地应用于螺杆钻具耐磨贴面轴承上.在农业机械、矿山机械中具有广阔的应用前景.
1 实验材料和方法
实验所用母材为42CrM o钢.涂层中耐磨硬质粒子为WC粉，粒度75—125μm；钎焊合金为Ni-Cr-B-S i合金粉(A WS BNi-2钎料)，粒度为75—88μm.作为对比实验的堆焊合金选用C o-Cr-W系Stellite合金.
耐磨钎焊涂层形成过程可归纳如下:(1)混料制布.将金属粉与有机连接物混合均匀，并滚压成柔性金属粉末布;(2)裁剪装贴.根据零件表面形状，裁剪柔性金属布，并装贴到零件表面;(3)高温真空钎焊.将装配好的零件放于真空钎焊炉中，加热到预定温度，使钎焊合金润湿硬质点相和基体金属冷却凝固形成耐磨钎焊涂层.
金属粉与有机连接物经混合，滚压后可制备成具有良好柔韧性的金属布.本实验中，研制了两种金属布，一种是
耐磨硬质点WC布，它的厚度决定耐磨涂层的厚度(一般为0.1—5mm)；另一种为Ni-Cr-B-S i钎料合金
柔性布.金属布与纺织布相似，具有良好的柔韧性，能与复杂形状的曲面、内表面很好地贴合，为高温钎焊前的装配提供了方便.
2 实验结果与讨论
2.1 柔性金属粉布的微观结构
在柔性金属布的制备过程中，有机连接物起着关键作用.混料时，有机连接物均匀分布在金属颗粒表面及颗粒间隙中，轧辊挤压时，金属颗粒受到一个正压力，对金属颗粒表面及金属颗粒之间的有机连接物产生挤压作用，有机物在挤压作用下形成纤维状.随着轧制次数的增加，有机纤维形成一个纵横交错的立体蛛网式结构，金属颗粒镶嵌或包裹在其中(图1)，使分散的金属粉成为一个相互联系的整体.
2.2 钎焊涂层微观结构分析
将硬质点WC布与钎焊合金Ni-Cr-B-S i布叠放在基体(42CrM o)表面，送入真空炉中进行高温钎焊.真空度为1.3×10-3Pa，钎焊规范温度为1050℃,10m in.图2为焊后涂层的金相照片，图中灰颗粒为耐磨硬质点相WC，颗粒间的白区为Ni-Cr-B-S i钎料.钎焊涂层结构与建筑中的水磨石地面相似,WC颗粒相当于水磨石地面中的“石子”，钎料相当于水磨石中的“水泥”面袋
.
图1 柔性金属布的SEM照片
Fig.1 SEM photo of flexible metal powder
cloth
图2 钎焊涂层结构
Fig.2 Structure of brazing coating
图像分析仪测定表明，钎焊涂层中耐磨WC相占80%—90%，提高了涂层的耐磨性,WC相分布均匀.真空钎焊过程中，基体与涂层受热均匀，有效地避免了热喷涂、堆焊过程中因不均匀温度场产生的残余应力，减少了涂层中裂纹的产生.
从涂层与基体的界面照片(图3)看出，钎料同时润湿了硬质点WC相和基体金属.高温下，液态钎料与母材发生相互溶解扩散形成钎焊缝，涂层与基体之间是典型的钎焊冶金连接.液态钎料在向基体渗流过程中，将细小的WC微粒带到涂层与基体交界处，从而在涂层与基体间形成一层由细小WC微粒构成的过渡层.
耐磨钎焊涂层的冶金过程见示意图4.将剪裁好的WC布、Ni-Cr-B-S i钎料布叠装在零件表面(图4a)；布中有机物在升温过程中发生燃烧或升华(图4b)；高温下钎料熔化，并向硬质点表面和基体界面浸润、铺展和渗流(图4c)；液态钎料与固态基体及硬质点发生固-液界面反应，冷却时形成钎焊涂层(图4d).
2.3 钎焊涂层的界面接合性能与耐磨性
采用标准拉伸与剪切试样，接头中间夹放WC布，接头外侧放钎料，在真空炉中钎焊成拉伸与剪切试样，
导线分流器
钎焊规范温度1050℃,10m in.通过拉伸强度与剪切强度来评价涂层与母材以及内部的结合性能，测试结果见表1.
接头强度表明：拉伸与剪切接头均破坏在接头中的涂层上，钎焊涂层与基体间的结合强度要高于涂层自身的结合强度，涂层与基体间的结合强度取决于钎缝的强度,Ni
热熔螺母
-
图3 钎焊涂层与基体界面结构
Fig.3 Interface structure of brazing c oating/substrate
表1 钎焊涂层接头强度
T ab le1 B onding strength of brazing coating
T est C oating thickness Strength Fracture
m eth od mm MPa location
T ens ile 1.093In coating
1.578In coating
Shear 1.0168In coating
1.5155In coating
48
金 属 学 报35卷
图4 钎焊涂层冶金过程示意图
Fig.4 Metallurgy process of brazing c oating
10.10.0.10(a )asembling (b )organism v olatilization (c )filler wetting (d )brazing c oating
表2 钎焊涂层与堆焊试件的耐磨性
T ab le 2 W ear res istance of brazing coating and overlaying coating
S am ple Fabrication W eight loss
Relative wear res istance
m eth od mg η=ΔW o /ΔW b
W ear plate Brazing coating 0.78 162
C o -Cr -W surfacing 126.51W ear wheel
Brazing coating 0.31 44.4螺杆钻具
C o -Cr -W surfacing
13.77
Cr -B -S i (BNi -2)钎料形成的钎缝拉伸强度可达200MPa
以上[3]
，因此涂层与基体的结合强度较高.在涂层内部,80%以上是脆性WC 硬颗粒，钎料仅占接头截面积的10%—20%.由于WC 的弹性模量(6×102G Pa )要高于Ni -Cr -B -S i (BNi -2)钎料的弹性模量(2×102—3×102G Pa )，承载时，两种材料变形不协调，导致在钎料与WC 的界面上产生应力集中，使涂层自身的强度下降.
对WC /Ni -Cr -B -S i 钎焊涂层与C o -Cr -W 堆焊涂层进行了磨损性能实验.涂层厚度为1.5mm ，加工成标准尺寸，在Amsler 试验机上进行磨损实验.试验规范如下：载荷P =49N ，转速n =200r/m in ，时间10m in ，摩擦副为同种材料无润滑油滑动摩擦，通过磨损试件的失重来评价其耐磨性(表2).实验结果表明：钎焊涂层的耐磨性明显好于堆焊涂层.钎焊涂层中耐磨硬质点WC 相的含量高且分布均匀、耐磨性好.堆焊过程中，基体表面熔化形成熔池，进入堆焊层中，对涂层起到稀释作用，降低了涂层的耐磨性.在堆焊涂层的厚度方向上，其成分也是不均匀的，离基体越近，耐磨性越差.由于钎焊涂层工艺性好，耐磨性高，在螺杆钻具的耐磨贴面轴承等零件上已得到应用.
3 结论
(1)采用滚压工艺制备的柔性金属布可与多种形状的工具表面贴合，在表面改性领域具有广阔的开发应用前景.
(2)NiCrBS i -WC 钎焊涂层的耐磨性好于C o -Cr -W 堆焊涂层，涂层与基体的结合强度高.
(3)本工艺制备的钎焊涂层中耐磨WC 相含量高且分
布均匀.参考文献
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58 1期陆善平等:NiCrBS i -WC 耐磨钎焊涂层的制备
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