摘 要 碳化钨陶瓷因具有极高的熔点、高的化学稳定性、高的硬度和优异的耐磨耐蚀性，已成为近年来金属陶瓷研究的热点之一。笔者采用钨极氩弧堆焊设备，通过原料粉末之间的高温冶金反应，在堆焊过程中原位合成碳化钨金属陶瓷涂层，对所制备的涂层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的磨损性能。
关键词 碳化钨 涂层 磨料磨损
前言
颗粒增强金属基复合材料作为一种高性能、低成本的金属基复合材料，被认为是应用范围最广、开发和应用前景最大的一类金属基复合材料，目前国外已将其应用于航空、航天、军械、汽车、农机、电子、体育等行业，军事工业、航空航天工业中某些关键零部件的制造一直是其特殊的应用领域。在耐磨材料领域，由于颗粒增强复合材料可针对不同的工况人为地对材料的主要组成相进行设计、控制及选用，因此可突破传统金属材料设计的局限性，全面地提高材料在各种复杂工况下要求的各种性能。
碳化钨颗粒增强钢铁基表面复合材料具有非常良好的抗磨损性能，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［1］、离子注渗法［2］、堆焊法［3 ～4］、激光熔覆法［5 ～6］、原位合成法［7 ～8］、电渣熔铸法等。
本实验采用原位合成法( 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［9 ～10］) ，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，对得到的涂层进行组织观察和硬度测试，利用环境扫描电子显微镜对其进行组织观察、成分分析，利用自制的磨损实验机对涂层进行耐磨性的测试。
1 制备涂层
采用上海电焊机厂生产的 SW － 300 型交直流氩弧焊机作为热源，在钢铁母材上制备涂层。
本实验以钨粉和碳化硅为原料。使用的钨粉是由湖南鸿瑞新材料有限公司生产，W 含量不小于 99． 75%，粒度在 － 60 ～ + 160 目之间; 使用的碳化硅是由临沂市金蒙碳化硅有限公司生产，SiC 含量不小于 98． 5%，粒度在－ 20 ～ + 40 目之间。
将原料粉末按照一定的比例在研钵中研磨混合均匀，添加适量的水玻璃调制成膏状体，再均匀地涂敷在基体表面。涂敷涂层时厚度控制在 2 mm 左右，不仅能保证涂层表面的质量和耐冲击能力，而且还比较有利于涂层中的水分和气体排出。膏体涂敷均匀后在空气中静置一段时间，待涂层表面的水玻璃完全蒸发后，将试样放在干燥炉中烘干，炉温控制在 100 ℃左右，保温 1 h 后随炉冷却，既可以保证涂层中的水玻璃充分挥发，又可以保证涂层表面材料不会在炉中被氧化。
采用钨极氩弧作为热源，选择合适的电流加热涂层使其熔化，与母材结合在一起。若电流过大，则涂层熔化后粘度下降容易流失，而且容易产生熔沟和龟裂，也不利于涂层中的元素与基体元素充分扩散，产生较大的硬度梯度，降低界面结合强度; 若电流过小，则涂层熔解不完全，无法与基体形成冶金结合，涂层很容易剥落。
2 涂层的组织与成分分析
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; 采用 JSM － 5600LV 型环境扫描电子显微镜及能谱仪进行点扫描，观察涂层组织并确定不同组织所含的元素种类及各元素的含量; 用维氏硬度计测量涂层的硬度，载荷为 98 N，保荷为 15 s; 用MHV2000 型数显显微硬度计测量涂层截面的显微硬度，载荷为 0． 98 N，保荷为 10 s; 用 XＲD －6000 型 X 射线衍射仪分析涂层的相结构。
混合粉末组成为: 1． 8 gW + 0． 4 gSiC。电流为 140A，金相组织如图 1 所示，母材平均硬度为 213 HV，焊缝最高硬度为 824 HV。由图 1 可知，所得涂层硬度较大，而且从金相照片中发现析出了颗粒状物质，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 2 中可以观察到涂层中生成大量白色块状物和鱼骨状物质，分别对其进行成分分析。白色块状物的显微组织和成分分析如图 3、表 1 所示。由图 3 和表 1 可知，白色块状物的成分主要是 W 和C，经测量，其显微硬度在 1 621 ～ 1 926 HV 之间，可以判断这是 WC 颗粒。
鱼骨状物质的显微组织和成分分析如图 4、表 2 所示。由图 4 和表 2 可知，鱼骨状物质主要成分为 Fe 元素，还含有 C、W、Si 元素。经测量，其显微硬度在 892 ～1055 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。
灰色基体的显微组织和成分分析如图 5、表 3 所示。由图5 和表3 可知，该组织主要成分为 Fe 和 C。经测量，其显微硬度在734 ～851 HV 之间，可以判断这是渗碳体 Fe3C。总之，在以钨粉与碳化硅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、渗碳体。
3 涂层的耐磨性研究
3． 1 硬度的测量
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。
对于碳化钨陶瓷材料，位错是以很大的键能固定在晶格中那些具有共价键的原子上，所以只有在施加很大的剪切应力时，这些位错才能从原子固定中脱开，而高硬度的碳化钨颗粒使涂层产生弥散强化，提高了涂层的强度和硬度，这是碳化钨涂层得以广泛应用的一个重要原因。采用维氏硬度计测量试样的涂层硬度，实验条件: 10kg 载荷，15 s 保荷，结果如表 4 所示。维氏硬度沿层深方向分布曲线如图 6 所示。
从测定结果可以看出:
1) 在涂层内( 熔化区) 的基体上分布着硬度很高的硬质相碳化物，大大地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，其大部分分布在涂层的中下部，所以涂层显微硬度最大值在曲线的中部。
3． 2 耐磨性测试
衡量金属的耐磨性通常以硬度作为标准，但是研究表明，硬度并不是惟一的影响因素。金属的显微组织、合金元素的种类和含量都对堆焊金属的耐磨性起着重要的作用。对于金属材料而言，显微组织对其耐磨性有着重要的影响［11 ～12］，其中基体组织、硬质相的种类和分布以及内部缺陷等对耐磨性都有不同程度的影响。
本实验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，采用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。在法向方向上对试样施加 30 N 的载荷，对制备的涂层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。在磨损实验过程中，首先除去试样表面的氧化层，之后预磨10 min，磨出一个平面; 对预磨后的试样进行清洗，采用酒精作为清洗液，清洗后烘干，在电子天平上称量，并记录称量的质量; 对试样进行磨损实验，每磨 5 min 测量一次质量，磨损 3 次; 将每一次磨损后的试样用酒精一一清洗，并烘干，在电子天平上称量，记录下每次磨损后的质量。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 5 所示。由表 5 可见，钨粉与碳化硅合成的试样的耐磨性是对照试样的 2． 24 倍。
4 结语
在以钨粉与碳化硅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、渗碳体。
涂层的硬度与钢铁母材相比大大提高，涂层的耐磨性为对照试样的 2． 24 倍。这主要是因为，在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，所以该试样具有较高的耐磨性。
参考文献略
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