WC对感应钎涂金刚石涂层组织及性能的影响

吴奇隆　董显　张雷　钟素娟　陈治强　贾连辉　罗灵杰

在镍基钎料中加入WC 微粉，采用钎涂的方法在Q235 钢上制备金刚石涂层，研究WC 微粉对金刚石涂层组织及耐磨性的影响，并通过扫描电镜、能谱分析、显微硬度和磨损失重测试表征金刚石钎焊涂层的组织和耐磨性能。结果表明：在钎涂过程中，金刚石、WC 微粉与镍基钎料合金发生冶金结合，WC 颗粒在镍基基体中具有弥散强化与细晶强化作用，添加质量分数为10%WC 的钎料合金的洛氏硬度与未添加WC 时的比较提高了7.5%；且在相同的磨损实验条件下，未添加WC 微粉的钎涂金刚石涂层质量损失为0.196 g，而添加WC 微粉后的涂层质量损失为0.148 g，后者的耐磨性能提高了24.5%。

关键词 WC；金刚石；感应钎焊涂层；耐磨性

中图分类号 TQ164; TG454 文献标志码 A

文章编号 1006-852X（2023）05-0579-07

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0205

收稿日期 2022-11-21 修回日期 2023-03-03

钎涂技术制备耐磨涂层是一种重要的材料表面改性技术，被广泛用于减少机械部件的磨损，提高其使用寿命等方面[1-3]。涂层的摩擦系数、显微硬度和显微结构对其耐磨性起重要作用[4]。通过在涂层中加入适量的碳化硅、金刚石、WC 等硬颗粒增强材料，可以改善涂层的力学和摩擦学性能[5-6]。

人造金刚石具有优良的物理化学性能，近年来作为增强相受到了研究者的青睐[7-11]。ZHANG 等[9] 采用氩气保护感应钎涂的方法在钛合金表面制备了金刚石涂层，具有耐磨涂层的钛合金表现出优良的耐磨性能；秦建等[10] 在钢表面制备了金刚石涂层，材料的耐磨性提高了6 倍；龙伟民等[11] 在大气环境下，采用感应加热的方式制备金刚石钎焊涂层，研究了铝粉对涂层耐磨性能的影响规律，结果表明在金刚石涂层中添加一定量的铝粉可以提高金刚石钎焊涂层的耐磨性。然而金刚石涂层部件在使用过程中，其磨损失效形式主要是由于涂层基体合金的磨损导致基体对金刚石的把持力下降，使金刚石颗粒脱落失效所致。因此，增强涂层基体合金对金刚石的把持力，理论上可以提高涂层的耐磨性。

金刚石钎焊涂层具有极高的耐磨性，但是金刚石钎焊涂层中的钎料组织硬度偏低，会使金刚石在涂层部件服役过程中过早失效[12-14]。与铜基和银基钎料合金相比，镍基钎料合金具有机械强度高、成本低、耐腐蚀性好等优点[15]。因此，镍基钎料合金已广泛应用于钎焊金刚石工具的制造中。同时，WC 作为涂层增强相早已受到了广泛的关注，激光熔覆的WC 增强Ni 基涂层不仅可以提高涂层的硬度，而且可以提高涂层的耐腐蚀性能[16]。为此，在金刚石涂层中引入WC 微粉硬質颗粒，研究WC 微粉颗粒对涂层组织和性能的影响，以期进一步提高金刚石钎焊涂层的耐磨性。

1 实验材料与方法

1.1 实验原材料

采用Q235 钢为涂层制备的基体材料，钎涂所用原材料分别是镍基钎料、金刚石和球形WC 微粉。镍基钎料颗粒尺寸为10～70 μm，其化学成分如表1 所示，扫描电镜图片如图1a 所示。人造金刚石颗粒尺寸为230～300 μm，其光学显微镜照片如图1b 所示。球形WC 微粉颗粒尺寸为30～50 μm，其扫描电镜图片如图1c所示。

1.2 实验方法

（1）将镍基钎料与球形WC 微粉原料粉末烘干后，再按照质量比7∶1 混合，使用混料机混合均匀获得钎料与WC 的混合粉末；（2）使用混料机将镍基钎料混合粉末和金刚石混合均匀，钎料与WC 的混合粉末、金刚石的质量比8∶2（金刚石质量分数为20%），获得含金刚石的混合粉末；（3）将含金刚石的混合粉末均匀铺于70 mm × 20 mm × 10 mm 的长方体Q235 钢板上，其厚度为2 mm，再进行感应加热钎焊[17]，获得含WC 的钎焊样品。未加WC 的钎焊样品制备过程及方法相同，只是步骤（1）中使用纯镍基钎料，而不添加WC 粉。

感应加热钎焊采用深圳双频有限公司生产的SP-35 型感应加热设备，采用红外测温仪测试钎涂温度，控制钎涂温度在1 050 ～1 100 ℃ 之间，钎涂时间为35 s；钎涂完成后，试样自然冷却至室温，就完成了钢板表面涂层的制备。

采用德国ZEISS EVO 10 型扫描电子显微镜配合能谱仪对钎焊涂层组织进行观察与分析。使用HR-150A 硬度计测试钎料合金基体硬度。采用MML-1G型干砂橡胶轮摩擦磨损实验机，按照JB/T 7705-1995 中的规定，分别对未添加WC 的金刚石钎涂层试样和添加WC 的金刚石钎涂层试样进行三体磨粒磨损实验。实验时载荷，30 N；橡胶轮转速，150 r/min；使用颗粒尺寸为16～ 60 μm 的棕刚玉砂进行磨损试验。设置磨损时间为40 min，每间隔5 min 使用电子分析天平测量一次被测试样质量，并计算涂层损失质量，精确至0.000 1 g。

2 结果与分析

2.1 钎焊涂层组织分析

图2 是在镍基钎料中未添加WC 但添加20% 金刚石感应钎涂涂层的微观组织及其EDS 面扫描结果。由图2 可知：不加WC 微粉的金刚石钎焊涂层组织中主要含有C、Ni、Cr、Fe 和Si 元素，且可明显看出C 元素集中分布在金刚石颗粒上；Cr 元素主要分布在钎料合金基体中和金刚石界面处，Cr 元素在涂层中呈网状分布，金刚石界面周围Cr 元素含量出现明显上升现象。这是由于金刚石石墨化后，Cr 元素作为强碳化合物形成元素，与C 元素结合形成化合物，导致Cr 元素在金刚石周围富集；同时，Ni、Fe 和Si 主要分布在镍基钎料中。

图3 是添加WC 微粉质量分数为10% 时的感应钎涂金刚石涂层微观组织。由图3 可知：与不加WC 微粉的金刚石钎涂层相比，在涂层金刚石颗粒之间，钎料与金刚石界面处出现了灰白色球形物质。

将灰白色球形颗粒形貌放大，结果如图4a 所示。从图4a 可以看出，灰白色颗粒周围出现了点状灰白色新相。对图4a 的黄线进行线扫面分析，其结果如图4b所示。图4b 的球形灰白色颗粒为加入的球形WC 微粉，而球形灰白色颗粒外的镍基钎料合金与WC 发生冶金结合，W 和Ni 之间存在元素扩散层。

图5 所示是图3 的显微组织的EDS 面扫描结果。由图5 可知：C 集中在金刚石和金刚石界面处的碳化物中；与不加WC 微粉金刚石钎涂层相比， Cr、Ni、Fe和Si 元素分布情况与不添加WC 时的金刚石涂层的类似，主要分布在镍基合金基体中；W 元素集中分布在球形碳化钨中，且WC 微粉的添加会导致Cr 元素的富集区域减小。这是因为WC 颗粒在钎焊温度下不会熔化，WC 颗粒被钎料合金润湿并与Ni 结合，实现钎料合金与WC 颗粒之间的润湿反应。由于镍基钎料合金中的Ni 是引起金刚石石墨化的元素，结合图4 的线扫描结果可知：添加WC 颗粒的金刚石涂层中Ni 与WC 之间发生了元素扩散，Ni 与WC 反应，使Ni 元素的分布区域缩减，从而使金刚石的石墨化程度降低。因而，WC颗粒可以降低金刚石的石墨化程度。金刚石的石墨化程度降低，会导致金刚石周围界面处的Cr 元素富集程度降低[18]。

图6 为涂层的显微组织形貌和金刚石与钎料合金界面处的线扫描结果。从图6a 和图6b 可以看出：未添加WC 时，金刚石涂层的钎料合金组织主要由灰黑色的块状物和灰色的基体相组成；添加WC 颗粒的涂层，钎料合金组织中的块状灰黑色物消失，组织中出现细小的灰黑点状组织，因而組织得到细化。这可能是由于涂层在钎焊后凝固过程中，固态的WC 颗粒作为熔融涂层中的异质形核点，导致涂层组织的晶粒细化。且涂层中的WC 颗粒在涂层中弥散分布，具有弥散分布的作用。涂层组织的细化能够提高涂层的硬度从而提高基体的耐磨性。

另外，从图6b 和图6d 的Cr 元素分布曲线可以看出：未添加WC 的涂层，金刚石与钎料之间的界面反应宽度约为4 μm；而添加WC 后，金刚石与钎料之间的界面反应宽度明显变窄，这表明Cr 元素的富集程度下降。

2.2 涂层性能测试及分析

图7 为未添加WC 的金刚石钎涂层和添加质量分数为10% WC 的钎焊涂层的钎料合金基体硬度。由图7 可以看出：相较未添加WC 的金刚石涂层基体，添加球形WC 微粉的金刚石钎涂层钎料合金基体的硬度明显上升，添加质量分数为10%WC 的钎料合金的洛氏硬度提高了7.5%。钎料合金基体硬度增加，对其耐磨性的提高具有一定的积极作用。

图8 未添加WC 的金刚石涂层和添加WC 颗粒增强相的金刚石涂层三体磨粒磨损试验结果。从图8 可以看出：在40 min 的磨损过程中，添加了WC 颗粒的金刚石涂层耐磨性显著提高；未添加WC 的钎涂金刚石涂层质量损失为0.196 g，而添加WC 微粉后的质量损失为0.148 g，后者的耐磨性能提高了24.5%；且随着耐磨试验的进行，钎焊涂层的磨损质量不断变化，这与金刚石涂层组织的不均匀有关。金刚石密度小，WC 颗粒密度大，在钎涂过程中金刚石易上浮，WC 颗粒易下沉，导致涂层中的WC 增强相分布不均匀。在实际工程应用中，可以通过降低钎焊保温时间改善这一现象[10]。

图9 显示了耐磨涂层每5 min 的磨耗质量变化。从图9 可以看出：在磨损试验过程中，钎涂层每5 min时间的质量损失逐渐降低，这与金刚石涂层组织不均匀有关； 且添加WC 的涂层的质量损失小于未添加WC 涂层的。根据组织观察结果，金刚石在涂层上部富集，在磨损过程中，磨损初期WC 颗粒和金刚石颗粒均在钎料合金基体中。随着磨损的进行，钎料逐渐被磨料剥落，WC 颗粒和金刚石逐渐露出，金刚石成为磨损载荷的主要承载区，而WC 颗粒露出基体后，也作为硬质点抵抗磨粒磨损，与金刚石颗粒共同抵御磨料的磨损，使得涂层磨损的质量减少，故WC 颗粒增强了涂层的耐磨性。然而，金刚石钎涂层分别在30、35 min时的质量损失与添加WC 涂层的质量损失差距不大，推测这与组织中金刚石和WC 颗粒强化相分布不均匀有关。但整体而言，添加WC 颗粒的涂层耐磨性能要优于未添加WC 的金刚石钎涂涂层的耐磨性能。

3 结论

（1） 在金刚石涂层中添加WC 微粉， 金刚石、WC 微粉与镍基钎料合金发生冶金结合，可以细化镍基钎料合金组织晶粒，改善钎料合金组织，具有细晶强化的效果。

（2）通过在金刚石涂层中添加WC 颗粒，可以起到弥散强化的作用，添加质量分数为10%WC 的钎料合金的洛氏硬度与未添加WC 时的比较提高了7.5%。

（3） 添加WC 提高了金刚石涂层的耐磨性能。在相同的磨损实验条件下，未添加WC 微粉的钎涂金刚石涂层质量损失为0.196 g，而添加WC 微粉后的涂层质量损失为0.148 g，后者的耐磨性能提高了24.5%。

作者简介

吴奇隆，男，1993 年生，工程师。主要研究方向：金属材料成型。

E-mail：zzuwql@163.com

通信作者： 董显，男，1982 年生，硕士、高级工程师。主要研究方向：新型焊接材料及焊接技术。

E-mail：zdclyjy@163.com

（编辑：周万里）