马世博;邵明杰;侯瑞东;闫华军;张双杰;刘玉忠;李云匣
【摘 要】Tungsten carbide can significantly enhance performance of wear⁃resisting coating, improve the service life of wearing parts, has been widely used in the composite coating material.The influence of the morphology and content of tungsten carbide on the microstructure and performance of Iron⁃based composite coating was studied by experiments in this paper.In order to improve micro⁃hardness and wear resistance of coating, a method of mechanical alloying( MA) is adopted to prepare powder of coating whose rela⁃tive wear resistance increases 2~3 times than prepared by non mechanical alloying.Through the MA, the infiltrative of coating alloy self⁃melting alloy bonding phase and tungsten carbide hard phase was improved.The effect of tungsten carbide in various amounts on the performance of metal ceramic coating was studied. The change mechanism of microstructure of coating, wear resistance, micro⁃hardness and density were analyzed with the increase of tungsten carbide amount.The results show that the coating wi
th 60% tung⁃sten carbide could obtain optimal performance.%碳化钨广泛应用于复合涂层材料，可显著增强涂层耐磨性能，提高耐磨零件的使用寿命。本文采用实验对比研究了碳化钨形态和含量对真空熔覆铁基复合涂层组织和性能的影响。采用机械合金化方式改善了涂层自熔性合金粘结相与碳化钨硬质相间的浸润性能，提高了涂层的显微硬度及耐磨性能，其相对耐磨性为非合金化方式制备涂层的2～3倍。研究了不同含量碳化钨对金属基陶瓷涂层性能的影响，分析了随着碳化钨含量的增加，涂层组织、耐磨性能、显微硬度及致密度变化的机理，得出碳化钨含量为60％的涂层具有较优的性能。 【期刊名称】《燕山大学学报》
【年(卷),期】2016(040)002
【总页数】7页(P116-122)
【关键词】复合涂层;耐磨性能;机械合金化;碳化钨
【作 者】马世博;邵明杰;侯瑞东;闫华军;张双杰;刘玉忠;李云匣
【作者单位】河北科技大学 河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄050018; 河北省精密冲裁工艺与模具工程技术研究中心，河北 沧州061500;河北科技大学 河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄050018;河北科技大学 河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄050018;河北科技大学 河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄050018; 河北省精密冲裁工艺与模具工程技术研究中心，河北 沧州061500;河北科技大学 河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄050018; 河北省精密冲裁工艺与模具工程技术研究中心，河北 沧州061500;河北科技大学 河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄050018; 河北省精密冲裁工艺与模具工程技术研究中心，河北 沧州061500;河北科技大学 河北省材料近净成形技术重点实验室，河北 石家庄050018
【正文语种】中 文
【中图分类】激光熔覆工艺TG174.4
在工件表面通过熔覆等方法制备高性能耐磨涂层是解决材料磨损的重要途径之一，近年来得到了迅速发展。铁基合金材料与钢基体相似，降低了稀释率对熔覆层性能的影响，且铁基合金与镍基合金和钴基合金相比成本较低，受到了越来越多的关注［1］。为了进一步提 高涂层的耐磨性能，涂层中常添加硬质陶瓷相，其中碳化钨具有高硬度、高熔点（2 800℃）、低热膨胀系数、优良的耐磨性和抗热冲击性等一系列独特的性能，被广泛地用于增强耐磨金属陶瓷材料［2-3］。
目前，国内采用碳化钨作为硬质相熔覆铁基合金的研究主要集中在涂层微观组织、显微硬度和耐磨性能等方面。如李彬分析了CeO2含量对熔涂Fe60-WC涂层碳化钨形貌、溶解和分布的影响［4］；李连颖和郭伟等人研究了激光熔覆Fe313合金和316不锈钢合金添加碳化钨涂层的组织及耐磨性［5-6］；江少、黄凤晓等人采用等离子熔覆铁基合金添加WC-Co，分析了涂层组织形貌及性能［7-8］；时海芳采用氩弧重熔 Fe55合金添加碳化钨，研究了涂层的物相结构、显微硬度和耐磨性［9］；宁爽研究了碳化钨对铁基熔覆层显微组织及耐磨性能的影响，并探讨了其强化机理［10］。随着涂层中碳化钨含量的增多，涂层的耐磨性和硬度有不同程度的增加［11-13］，不同粒度的碳化钨、不同的制备工艺对涂层的性能也有重要影响［14-15］。对于真空熔覆Fe60合金添加碳化钨，熔覆后涂层的性能优劣和碳化钨对涂层性能的影响，在国内未见报道。因此，本文采用Fe60自熔性合金添加碳化钨金属陶瓷粉末熔覆制备金属陶瓷涂层。基于理论分析和实验，研究不同形态、不同含量和不同工艺生产的碳化钨对涂层组织和性能的影响，分析涂层相结构及组织形貌，测试
涂层与基体的结合强度、显微硬度、耐磨性、抗冲击能力。
1.1 实验材料
实验基体材料为42CrMo钢，涂层材料为如表1所示自行配制的3种不同状态的碳化钨粉末和铁基自熔性合金粉末质量百分比为1∶1的混合物，自熔性合金粉末成分为Fe-T（Fe60:C0.5%～1%、Cr15%～20%、Si3%～5%、B3%～4%、Ni10%～ 20%、Fe余），各种粉末的SEM形貌如图1所示。
用线切割机将基体材料切割成 100 mm× 100 mm×20 mm的试样，机械加工后表面喷砂处理，酒精清洗表面，保证基体表面无锈迹、无油污。用有机粘结剂分别将3种试验用粉末调成膏状，在基体表面涂覆厚度约为1.2 mm的均匀粉末层，然后将试样放入烘干箱，在200℃烘干1 h，确保粉末层内有机成份完全挥发。
将制备好的试样快速置入真空炉内，熔覆工艺参数为:温度1 180℃，真空度5×10-2Pa，保温10 min，熔覆完成后，取出试样，空冷至室温。
1.3 组织分析
试样HW的微观组织观测如图2（a）所示，涂层中硬质相（碳化钨）与Fe基合金粘结相之间没有完全浸润，存有孔隙，与基体间有明显结合带。试样ZW在金相显微镜下观测如图2（b）所示，硬质相与粘结相之间结合情况较好，有少量的气孔和未浸润结合的间隙存在，与基体间出现间断的结合带，但涂层与基体出现裂纹。试样YHW在金相显微镜下观测如图2（c）所示，涂层致密，硬质相与粘结相间浸润良好，有极少孔隙存在，与基体间实现完全的结合带。
图2表明，粘结相与基体浸润良好，熔覆后形成良好的扩散冶金结合。还原碳化钨与粘结相浸润一般，熔覆后涂层有孔隙和夹渣。铸造碳化钨与粘结相浸润较好，熔覆后涂层有少量的孔隙和夹渣，由于铸造碳化钨的加工工艺使表面游离碳含量高导致粘结相与基体之间的浸润变差。合金化混合粉由于经过球磨破碎、焊合、再挤压，形成层状的复合颗粒。复合颗粒在球磨机械力的不断作用下，产生新生原子面，表面活性能增大，层状结构不断细化，形成元素间合金化，提高粘结相与硬质相及涂层与基体之间的浸润性，可实现碳化钨粉与自熔合金粉熔覆后涂层的组织致密化且与基体间的完全扩散冶金结合。
1.4 显微硬度测试
显微硬度在HVS1000型显微硬度计上测量，加载时间10 s。各试样均在垂直于涂层表面的方向上间隔30 μm取点测量。显微硬度值读取于硬度计数码显示屏，为5次测量的平均值，测量的显微硬度如表2所示。
1.5 磨损测试
对上述3种涂层制作3种块形磨损试样及对比试样各3块，在MM200型磨损试验机上进行，实验方式为环块干摩擦。磨损试样为环形试样（其外环面的环槽上制备涂层），试样为Φ40 mm× 10 mm的环形，环面上预加工宽9 mm、深1 mm的环槽，在环槽上制备涂层，实验前先在磨床上把环面磨削到试样尺寸，清洗干净后即可进行实验。
对磨块选用GCr15钢，尺寸同试样，硬度为HRC60～62。先对试样进行5 min的跑合，以消除涂层表面状态对实验结果的影响误差，然后进行正式抗磨损试验计量，经正磨2 h、4 h、6 h、8 h、10 h后计算其失重量。为了比较各种材料的磨损量及与42CrMo淬火钢标准试样相对磨损量，将磨损数据绘制成曲线图，如图3所示。结合涂层的显微组织分析可见，
HW、ZW涂层组织疏松，结合差，硬质相与粘结相的粘结力不足而在磨损过程中发生脱落，导致耐磨性能大大下降。YHW涂层组织致密，耐磨硬质相细小均匀。
为了分析碳化钨含量对涂层性能的影响，按不同碳化钨含量制备4种熔覆涂层试样，涂层制备工艺同上，涂层材料均为Fe-T与碳化钨的混合物机械合金化处理，粒度均为12～15μm。其中FW1碳化钨含量为 20%，FW2碳化钨含量为40%，FW3碳化钨含量为60%，FW4碳化钨含量为80%。
2.1 微观组织分析
如图4所示，随着碳化钨含量的增加，涂层硬质相比例有所增加，块状碳化钨含量增加。当碳化钨含量低时，由于碳化钨在铁基合金中的溶解，碳化钨颗粒状分布不如碳化钨含量高的涂层明显，在熔覆过程中，不同含量的碳化钨涂层中均有碳化钨溶解现象。由于碳化钨加入改变了熔池的传热传质特性，增加了熔覆层组织的非均匀性，产生了一定的组织梯度［16］，邻近基体结合处组织碳化钨硬质相含量少，并向涂层表面线性增多。
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