摘 要：采用气体保护的方式进行低碳钢 Ni-WC 涂层钎涂工艺试验；选用 Ni60 为基体，添加不同含量的 WC 颗粒(WC 含量为 5%、15%、25%)，基体为 Q235，进行磨粒磨损试验、硬度测试、金相观察及扫描电镜观察。 实验结果表明：添加 WC 颗粒的涂层中，随着 WC 含量的增多，合金涂层的硬度、耐磨性有明显的提升，但不呈线性关系；当 WC 含量达到 Ni60 合金质量的 15%时，硬度和耐磨性都达到最高值；超过 15%后，硬度和耐磨性都会下降。
关键词：气体保护钎涂； WC 硬质颗粒； 组织； 性能
磨损和腐蚀破坏都是从损坏材料的表面开始的。 研究和发展机械产品的表面保护和表面强化技术，对提高零件的使用寿命和可靠性、改善机械设备的性能和质量， 增强产品竞争能力，推动高技术和新技术发展， 以及节约材料和能源等都具有重要意义[1-3]。 在表面工程技术当中，表面涂层技术占有极为重要的位置。 由于涂层的界面行为直接决定着涂层的结合性能与使用效果， 因而深入研究各种涂层的结合机理与涂层性能，尤其是成分、结构和工艺方法， 是获得满足使用性能要求的优质涂层的前提条件与基础工作[4]。
资料表明， 与表面技术直接相关的产业已占国民经济总产值的 7%。 但采用这些工艺制得的涂层材料有的成本高，有的厚度较薄，有的与基体结合也不够牢固。因此在恶劣工况条件下，其应用受到一定的限制。本文利用气体保护钎涂工艺制备 Ni-WC 涂层， 将从一个新的角度找出一个合理有效的加工工艺， 进一步讨论钎涂材料与钎涂工艺之间的关系及Ni-WC 涂层的性能。
1 工艺实验
基体为 Q235；所选 Ni60 自熔性合金粉末，粒度45～105μm，化学成分见表 1。 WC 颗粒为 200 目。粘结剂为水玻璃。
将钢板加工成 40mm×40mm×8mm 的试样，机械打磨表面去除氧化层，用丙酮清洗，烘干，防止再次被氧化。 Ni60 粉末分别添加水玻璃，搅拌使其能与低碳钢粘合后，1 份为纯 Ni60 粉末， 放置在试样上，放入烘干箱于 80℃保温 8h。
用电子天平称量质量配置 Ni-WC 粉末，WC 的含量分别为 5%、15%和 25%。 研磨均匀后，放入干燥箱里于 80℃保温 8 h。 在待钎涂部位打磨出 1～2mm 的凹槽以防止粉末的流动，然后用酒精丙酮清洗试样，烘干，防止被氧化，放入合金粉末。 试样加热温度 1120～1140℃， 保温时间 20～30min，氩气的通入量为 2～3L/min， 随炉冷却至 700℃取出空冷。
采用 ML-10 磨损实验机进行磨损试验，磨损试样尺寸为 准6mm×4mm，其中 准6mm 所在圆的面积为将要测试的磨损平面， 在磨损试验之前将涂层表面磨平以免影响试验结果。 圆盘转动试样沿圆盘的径向作直线运动， 试验参数如表 2 所示。 用精度为0.001g 的电子天平称量试样磨损前后的质量，注意称重前的清洗要用丙酮和酒精清洗干净， 然后计算失重。
待试样观察完金相组织后，对表面进行处理，放到维氏硬度机上进行维氏硬度测量， 平面试样每个取 5 个点，最后求取平均值。端面试样待观察到熔合区之后再在熔合区附近沿与熔合界面垂直的直线测量， 分别测量涂层中间位置、 熔合区附近 (靠近涂层)、熔合区、熔合区附近(靠近基体)、基体。
2 实验结果分析
2.1 金相及扫描电镜试验结果及分析
金相照片如图 1 所示。 可以看出，WC 颗粒做为硬质相，弥散分布在 Ni 基合金中，起到了弥散强化的作用，并且由于 WC 颗粒自身的熔点较高，并未熔化，而直接“镶嵌”在基体上，也会增加涂层的硬度及耐磨性。
Ni60 和 Ni-WC(15%WC)扫描电镜照片如图 2所示。 可以看出，WC 颗粒弥散分布在 Ni 基合金中，有聚集趋势；Ni 基合金与基体之间存在扩散现象，并且有一道明显的熔合区， 使母材与基体之间形成冶金结合。
Ni60 中由于有 B、Si 元素的存在， 在高温下会生成 Ni-B、Fe-B 与 Ni 的固溶体低熔点共晶， 使合金熔点大幅度降低(950～1200℃)。冶金结合可以使涂层材料与基体在界面形成共同晶粒 (联生结晶)，或者在界面只是晶粒相接触并存在晶粒界限 (不形成共同晶粒)，也可以相互间发生反应生成金属间化合物。 当合金粉末被加热到液固两相区并保温一定时间时，则在加热和保温阶段，涂层与基材有足够的时间和能量相互扩散。由图 2(b)可以看到一条亮带，宽度约几十微米。 这条亮带的组织结构不同于基体也有别于涂层，是加热保温后扩散反应的结果。
2.2 磨损试验数据及分析
分别计算试样的磨损质量损失和相对耐磨性，其中选择 Ni60 作为标准试样。 计算数据如表 3 所示。可看出，相对磨损量随碳化钨含量的增多先是呈现上升趋势，到一定的碳化钨含量后，又开始呈现下降趋势。 主要原因为镍基合金对耐磨性的影响和硬质相 WC 对磨擦磨损性能的影响。 涂层的粘结金属中加入较高含量的 Cr、B、Si 和 C 元素，元素 B 和 Si的主要作用是它们能与 Ni 和 Fe 形成低熔点共晶合金，显著降低它们的熔点，同时 Fe 和 Ni 还能熔解一定量的 Si 形成固溶体，B 和 Cr 除少量溶于 Ni 奥氏体中外， 大部分以金属间化合物的形式弥散在合金中，所形成的化合物具有较高的硬度，它们对合金组织起固溶强化和弥散强化的作用；WC 硬质颗粒突出在涂层表面有效地抵御了外来硬质磨粒对基体的磨损，这对摩擦副的切削有很大的抵抗作用，它们能抵御外来坚硬磨料嵌入基体， 从而能够有效地将部分磨料在涂层表面的滑动运动和犁削变为滚动运动;部分磨料在涂层表面滚动，增大接触面积，减小接触面的正应力，起到保护摩擦表面的作用。
以上两点是相对耐磨性呈现上升趋势的主要原因。 后期下降的原因，主要是由于 WC 硬质相含量过高，使 Ni 基合金不能良好的润湿母材，不能形成可靠的结合，且涂层表面缺陷较多，导致耐磨性下降。
2.3 硬度试验结果及分析
测得硬度值，求取平均值，结果如表 4 所示。 硬度值随 WC 的含量的增多而呈现上升趋势，但不是线性关系，当 WC 含量的增大到一定程度，硬度随WC 的含量的增多而呈现下降趋势。 其原因是 WC含量的增多会使涂层表面的硬质颗粒数增多， 起到了强化作用，是硬度上升的根本原因，但 WC 含量过高会影响 Ni 基合金的润湿性，润湿性降低，造成涂层表面的总缺陷数增多， 有气孔、 裂纹等缺陷产生，导致涂层表面的硬度下降。
端面硬度结果如图 3 所示。 表层到过渡区：当WC 含量 <15%时，由于 WC 颗粒在 Ni60 熔化的时候有个沉积的过程， 使得表面的硬度没有涂层中间的硬度高； 当 WC 含量≥15%时，Ni60 熔化时 WC颗粒沉积，但随着 WC 颗粒的聚集增多，影响 Ni60的流动性，导致涂层表面的硬度略高于基体硬度。过渡区大量 C、B 原子的扩散与 Ni、Cr 原子的扩散使临近界面的母材表层形成合金组织而强化了母材基体， 使得熔合区靠近母材位置的硬度比低碳钢基体的硬度高出 100HV。 同时在过渡区的涂层因失去C、B 原子和 Fe 原子的增加使该处不易形成 C 与 B的硬质相，而形成一条单相白层，被认为是镍基固溶体，其对应的硬度达 420～470HV，具有很高的强韧性。 因此，显著提高了界面结合强度。
3 结论
(1) Ni 基合金与基体之间存在扩散现象，WC颗粒做为硬质相，弥散地分布在 Ni 基合金中，起到了弥散强化的作用，并且由于 WC 颗粒自身的熔点较高，并未熔化，而直接“镶嵌”在基体上。 钎涂工艺中涂层与基体的结合面为冶金结合， 能够有比较高的结合强度和使用性能。
(2) 镍基合金部分元素以金属间化合物的形式弥散在合金中，对合金组织起固溶强化和弥散强化的作用，WC 硬质颗粒在涂层表面有效地抵御了外来硬质磨粒对基体的磨损。 随 WC 含量增多，Ni60 合金涂层的硬度、耐磨性有明显的提升，但不呈线性关系。 当 WC 含量达到 Ni60 合金质量的 15%时， 硬度和耐磨性都达到最高值。 超过 15%后，硬度和耐磨性都会下降。
(3) 钎涂层表面硬度值随 WC 的含量的增多而呈现上升趋势，但不是线性关系；当 WC 含量的增多到一定程度的时候，硬度随着 WC 的含量的增多而呈现下降趋势。
参考文献略
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