序言
碳化硼是一种特殊陶瓷，是自然界中超硬材料之一，其硬度仅次于金刚石和立方氮化硼。特别是当温度大于1100 ℃时，良好的热稳定性使其成为最硬的材料，因而具有良好的耐磨性。此外，它还具有高熔点、高弹性模量、低密度、低热膨胀系数、优异的热电性能和大中子截获面积等特点，在研磨、耐磨、热电和核反应堆等领域都得到了广泛应用。表1列出了碳化硼的主要性能参数。
虽然碳化硼具有一系列优异的性能，但是在应用方面还有一些亟待解决的缺点：1) 断裂韧性很低；2) 抗氧化能力差；3) 与金属的结合力强，除了 Ag、Cu、Sn、Zn等之外, 碳化硼几乎与所有金属发生反应形成金属硼化物；4) 过高的烧结温度(约2300℃)；5) 制品的进一步加工困难。这些缺点在一定程度上制约了碳化硼的应用。
随着涂层技术特别是热喷涂技术的发展，碳化硼的很多特性都可以通过热喷涂来体现。目前，有关碳化硼在热喷涂领域的应用，国内外主要集中在等离子喷涂制备高硬度，高耐磨性的涂层，在电弧喷涂领域未见报道。电弧喷涂技术由于其高效、低成本、适合现场和大面积施工等优点具有巨大的吸引力。本文利用电弧喷涂添加碳化硼的粉芯丝材，制备出耐磨耐冲蚀涂层，探讨了碳化硼在涂层中的作用机理，分析了涂层的显微组织和结构，研究了涂层高温磨粒磨损性能和高温冲蚀性能。
摘 要：将碳化硼陶瓷热喷涂粉末和其它合金元素与 304L不锈钢带轧制成粉芯丝材，采用电弧喷涂技术制备金属陶瓷复合涂层。研究了碳化硼在电弧喷涂中应用的可行性。利用光学显微镜、SEM、XRD对涂层的形貌、相组成和磨损表面进行分析。利用自行设计的高温磨粒磨损装置和高温冲蚀设备分别评价了碳化硼对涂层耐高温磨粒磨损性能和耐高温冲蚀性能的影响。结果表明：粉芯丝材喷涂工艺良好；碳化硼陶瓷与其他合金元素原位合成了含Fe3B、CrB、FexNi 23-x B6、Fe23(C,B)6 和（Cr,Fe)7C3 等硬质相的复合涂层，大幅度提高了涂层的硬度和耐磨耐冲蚀性能。
1.试验材料及方法
1.1实验材料及涂层的制备
粉芯丝材的直径为Φ2.0mm ，填充率 32% 左右，外皮采用规格为 10mm ×0.3mm 的304L不锈钢带，丝材粉芯的主要成分见表2 。
基体材料为尺寸25mm ×25mm ×5mm的Q235钢（用于一般性能测试）、尺寸为 25mm ×5 mm ×2 mm 的304 不锈钢（用于高温冲蚀磨损）和退火态的Φ25.4mmGCr15轴承钢球（用于高温磨粒磨损）。在喷涂前先用丙酮对基体进行清洗和喷砂，然后使用 JZY-250 型电弧喷涂设备及 HAS-01高速喷枪进行喷涂，涂层厚度为0.6～0.8mm 。喷涂工艺参数为：喷涂电压32V ，喷涂电流180A，空气压力0.6MPa，喷涂距离180mm。
1.2 显微硬度及显微组织分析
采用HXD-1000 数字式显微硬度计测试涂层截面显微硬度，载荷 100g，加载时间为 15s，取十点的均值。采用Olympus PMG3 金相显微镜观察涂层的金相。采用X 射线衍射仪分析涂层的相组成。采用扫描电子显微镜(SEM) 观察涂层的显微组织形貌, 采用能谱仪(EDS) 分析涂层的化学成分。采用自行设计的HAWM-1型高温磨粒磨损装置进行高温磨粒磨损试验。试验参数：温度650℃，载荷30N ，转速 75r/min，16目的棕刚玉，每次磨损 2 小时，更换新砂，累积磨损时间为 10 小时。采用自行设计的HEWM-1 型高温冲蚀磨损设备进行高温冲蚀试验。试验参数：温度 650 ℃，送砂量300g/min ，速度80m/s，冲蚀距离40mm ，冲蚀时间5min，冲蚀角度90°。
2.实验结果与分析
2.1 电弧喷涂工艺性
B 4 C 具有非常好的流动性，但其密度很低，在混粉时比一般大比重的合金热喷涂粉末稍困难，填充率也会受到一定的限制。B 4 C 的电导率随着温度的升高而增大，在高温下是良好的半导体，而电弧喷涂温度高达4000 ℃，喷涂时不会因为不导电而导致断弧、燃烧不稳定。在整个喷涂过程中，送丝均匀，电弧燃烧稳定，熔化充分，涂层的表面质量也较好。
2.2 涂层组织和形貌
B1、B3、B5涂层的衍射图谱如图1 所示。由图1 可以看出，没有添加 B 4C 的B1涂层主要生成了 Ni-Cr-Fe、Fe-Cr 固溶体，B 6Fe23 、CrB硬质相；添加B 4C 和硼铁的 B3涂层主要生成 Cr-Ni-Fe-C、Fe-Cr 固溶体, Fe3 B 、CrB 、FexNi 23-x B6 、Fe23(C,B ）6 、（Cr,Fe）7C 3 硬质相；只添加 B 4C 的B5涂层主要生成 Cr-Ni-Fe-C、Fe-Cr 固溶体, Fe3 B、CrB 、Fe3C ，（Cr,Fe）7 C3 硬质相。比较这三种涂层的物相可知，粉芯中添加的硼铁或 B 4C 在涂层都形成了铁和铬的硼化物，但 B4 C 还能向涂层中过渡碳，一部分形成了碳化物硬质相，一部分固溶于基体中，提高了涂层的硬度。所制备的涂层中均没有B 4C，说明在喷涂过程中，B 4 C 完全分。随着B 4 C 和硼铁添加量的不同，涂层主要的物相种类并无太大变化，只是含量发生变化。
涂层的典型组织如图2 。从图 3 可以看出，涂层具有明显的层状结构，未见未熔颗粒，粒子的铺展性较好，涂层与基体结合良好存在较多的均匀分布的细小孔隙，这是由于 B 4C 极易氧化生成低熔点（577℃）的 B 2 O3 ，在高温下挥发而形成的。随着 B 4C 添加量的增加，涂层的孔洞和层间间隙增多。
2.3 显微硬度
B1～B4涂层显微硬度如图 3 所示。
由图4 可以看出，B1涂层和 B2涂层的硬度较低，在1000 左右，但仍比一般的金属型涂层7Cr13（HV0.1=650 ）高很多，B3涂层和B4涂层的硬度均在1300以上，随着 B 4C 添加量的增加和硼铁的减少，硬度逐渐升高，这是由于与硼铁相比，相同百分含量的B 4C 能向涂层过渡更多的硼和碳，生成较多的硼化物和碳化物，这些硬质相硬度非常高（例如（Cr,Fe）7C 3 的HV0.1≥1350，CrB 的HV0.1≥1600），能大幅度提高涂层的硬度，所以随着B 4C 的添加量增大，涂层硬度逐渐增大。
2.4 高温磨粒磨损性能分析
B 4 C 系列涂层单位面积磨损量如图 4 所示。随着B 4C 的含量逐渐增加，涂层的耐磨粒磨损性能逐渐提高，但是添加量达到 30% 时，耐磨粒磨损性能又降低。随着 B 4 C 的含量逐渐增加，硼铁含量减少，涂层中硼化物和碳化物硬质相的数量增多，塑性相的数量减少。硬质相能有效阻止硬质颗粒的嵌入，但是 B 4 C 的添加量达到 30% 时，硬质颗粒过多，导致硬质相与塑性基体的内聚强度减小，致密性下降，所以耐磨性降低。
图5 是耐高温磨粒磨损性能最好的 B3涂层和最差的 B4涂层磨损后的 SEM照片。B3涂层表面主要是硬质颗粒脱落形成的微坑与切削形成的沟槽和皱状隆起金属，大部分未脱落的皱状金属在反复的磨损下被压成扁平状，附着在涂层表面。B4涂层表面也有大量的微坑和少量未脱落的皱状金属，且未被压平。
两种涂层的磨损机制相同：当磨粒对涂层切削时，硬度较低的塑性基体被磨粒切削，在磨粒反复作用下，切削沟槽两侧形成皱状隆起的金属，一部分隆起的金属形成碎片剥落，一部分在磨粒的碾压下附着在涂层表面，同时，硬度较高的硬质颗粒暴露出来，基体对硬质颗粒的锚固作用下降，使硬质颗粒在砂粒的切削作用下从基体崩落，形成微坑。此外，硬质颗粒周围的孔隙和氧化物夹杂等相对较多，磨损时也容易崩落。
2.5 高温冲蚀磨损性能分析
图6 为B1～B4涂层的单位面积冲蚀失重量。
可以看出，B3涂层的冲蚀失重失重最小，B4涂层的冲蚀失重最大。随着 B 4 C 含量的增加，其冲蚀规律与高温磨粒磨损的规律一致。随着 B4C 的含量逐渐增加，涂层的冲蚀失重量逐渐减小，但是添加量达到30% 时，冲蚀失重量急剧增大。
图7 是B3和B4的冲蚀形貌。B3涂层和 B4涂层的冲蚀表面主要是裂纹、片状剥落、冲蚀坑和冲蚀沟。B4涂层的微裂纹数量比B3涂层多，片状剥落较多，冲蚀沟较少。这是由于添加 B 4C 较多的B4涂层中硬质相的含量较多，涂层硬度较高，塑性下降，在粒子垂直冲击下，吸收冲击功的能力降低，加速了裂纹的萌生和扩展，因而片状剥落较多。B3涂层的塑性较好，能保护硬质颗粒在固体颗粒冲击下不易脱落，同时能有效抑制脆性裂纹的萌生和扩展，所以冲蚀失重较小。B1和B2涂层由于其硬度较低，所以耐冲蚀性能比B3稍差。
3.结论
1 ）加入B4 C 陶瓷粉芯线材，导电性良好，熔化充分，喷涂工艺稳定，涂层质量良好。
2 ）B 4C 与Fe 、Cr、Ni 等合金元素原位合成了Fe3B 、CrB 、FexNi 23-x B6 、Fe23 (C,B ）6 和（Cr,Fe）7 C 3 等硬质相。
3) 随着B 4C 含量的增加，涂层的显微硬度大幅度提高，650℃下单位面积磨粒磨损失重量和冲蚀磨损失重量逐渐降低，含量为20% 时失重最小。
参考文献略
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