鎳基自熔性合金由于其良好的耐磨耐蝕性、抗氧化性和優(yōu)良的工藝性，被廣泛地應(yīng)用于材料表面防護(hù)和強(qiáng)化領(lǐng)域。WC由于其耐磨性好、硬度高、塑性好并與鎳基合金相互潤濕，結(jié)合強(qiáng)度好，被廣泛用作熱噴涂鎳基合金的增強(qiáng)相，目前常在鎳基自熔性合金中加入微米級的碳化鎢粉末，以獲得耐磨效果較為理想的金屬-陶瓷復(fù)合涂層。
火焰噴涂制得的涂層因孔洞多、與基材結(jié)合強(qiáng)度低等缺點，常需進(jìn)行重熔。感應(yīng)重熔易控制、加熱頻率高、涂層能迅速熔化，且對基材熱影響小，得到廣泛的應(yīng)用。但感應(yīng)重熔是典型的高溫快冷過程，類似于淬火，涂層的組織、應(yīng)力狀態(tài)等是不穩(wěn)定的。熱處理能夠改善熱噴涂涂層的組織和性能。目前對熱噴涂鎳基碳化鎢涂層進(jìn)行熱處理的研究較少，且重點在于對重熔后的涂層直接進(jìn)行回火。文中對火焰噴涂在40Cr基體上制備的鎳基碳化鎢復(fù)合涂層進(jìn)行感應(yīng)重熔，又進(jìn)行了淬火和回火處理，對涂層的組織和性能進(jìn)行了初步的研究，以期為進(jìn)一步的研究提供依據(jù)。
1 材料與方法
1.2 試驗方法
40Cr基材試樣經(jīng)凈化和噴砂處理后，采用上海大豪瑞法噴涂機(jī)械有限。生產(chǎn)的粉末火焰噴涂槍進(jìn)行噴涂。氧氣壓力0.4~0.5 MPa，乙炔壓力0.07~0.08 MPa，噴嘴距試樣表面約200 mm，噴涂槍與試樣的角度約90°，試樣預(yù)熱溫度100~200 ℃。噴涂過程中盡量保持試樣表面涂層厚度均勻，獲得涂層厚度0.7~1.0 mm。利用JQ25KW型高頻感應(yīng)爐對噴涂完畢的試樣進(jìn)行感應(yīng)重熔，設(shè)備功率為25 kW，輸入電壓380 V，頻率50~60 Hz，感應(yīng)線圈為3匝，直徑40 mm。隨后部分試樣進(jìn)行淬火并回火，淬火溫度850 ℃，保溫10 min后油冷，回火溫度分別為200、400、600 ℃，保溫2 h。
試樣利用線切割制備成小塊金相試樣和磨損試樣，經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨和拋光后，進(jìn)行組織觀察和性能測試：利用HXS-1000A型顯微硬度計測量涂層到基體的截面硬度，載荷100 g，保壓15 s；利用帶有OXFORD能譜儀的Quanta-250型環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行涂層截面組織形貌觀察及元素線分布分析；利用HSR-2M型高速往復(fù)摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗，對磨球材料為GCr15，直徑10 mm，硬度約61 HRC，加載載荷50 N，運(yùn)行速度200 cycle/min，試驗時間30 min。磨損前后，試樣用丙酮、乙醇清洗吹干，用精度為0.1 mg的天平進(jìn)行稱量，采用失重法并觀察磨損形貌評價涂層的耐磨性。
2 結(jié)果與分析
2.1 涂層的顯微硬度
為涂層試樣從表面到基體的顯微硬度分布圖，圖中折線每個節(jié)點均為相同層深5個測試點的平均值。由圖可見，涂層截面的硬度隨距表面距離的增大先上升后下降，僅經(jīng)感應(yīng)重熔的涂層截面硬度最低，其平均值為806 HV0.1，感應(yīng)重熔后又經(jīng)淬火，200、400、600 ℃回火的涂層截面硬度平均值分別為825、866、843 HV0.1，400 ℃回火的涂層截面硬度平均值最大，較熱處理前提高約60 HV0.1。
涂層截面顯微硬度
分析認(rèn)為涂層粉末中存在C、Cr、B、Si等元素及WC，重熔時溫度較高，合金元素一方面溶解進(jìn)入固溶體起到強(qiáng)化作用，形成以γ-Ni固溶體為基體，WC顆粒為增強(qiáng)相的復(fù)合噴焊層；另一方面在冷卻過程中C、Cr、B等合金元素形成一些細(xì)小的硬質(zhì)相，如Cr3C2、B4C、Cr7C3等，這些硬質(zhì)相彌散在固溶體間起到強(qiáng)化作用，因此Ni基WC復(fù)合涂層有較高的硬度。涂層表面因質(zhì)量較差，組織疏松而硬度較低。在淬火和回火過程中，合金元素充分?jǐn)U散，大量碳化物、硼化物析出，并有新的硬質(zhì)相產(chǎn)生，同時由于涂層合金中Cr、Si、C等元素含量較高，促使涂層產(chǎn)生了二次硬化現(xiàn)象,涂層得到了進(jìn)一步的強(qiáng)化，因而熱處理后涂層的硬度又得到了提高。而溫度過高則會發(fā)生涂層晶粒的長大和硬質(zhì)粒子的聚集、長大，使得涂層硬度下降。
2.2 涂層的組織形貌
圖 2是涂層經(jīng)感應(yīng)重熔及淬火并400 ℃回火后截面的掃描電鏡(SEM)照片。涂層經(jīng)感應(yīng)重熔后，組織致密，其中的孔洞、雜質(zhì)較少，涂層和基體界面處無機(jī)械嵌合而產(chǎn)生了過渡帶，形成了冶金結(jié)合，涂層中出現(xiàn)了呈多邊形的白亮顆粒。(b)顯示經(jīng)過850 ℃淬火及400 ℃、2 h回火后，涂層變得更加致密平整，孔洞更少，涂層與基體間的過渡帶平滑且變寬，部分白亮顆粒在原來的塊狀周圍出現(xiàn)了須狀。
感應(yīng)重熔的涂層與基體界面處的元素線分布。由圖可見，感應(yīng)重熔使涂層和基材界面處發(fā)生了元素互擴(kuò)散，即基材中的Fe、C元素向涂層擴(kuò)散，而涂層中的Ni、Cr、W元素向基材擴(kuò)散，互擴(kuò)散使界面處形成了冶金結(jié)合，還形成了富碳區(qū)，降低了界面兩側(cè)材料的性能差異，提高了涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。
由元素線分布特征結(jié)合粉末成分可知感應(yīng)重熔涂層中存在的白亮塊狀物為WC，WC顆粒與涂層形成良好的結(jié)合且在局部分布較多。這是由于鎳基自熔性合金熔點較低，在重熔過程中，涂層及基體表面淺層熔化，液態(tài)合金和40 Cr基體相互滲透、擴(kuò)散，凝固后涂層形成致密組織且與基體形成冶金結(jié)合。WC顆粒因熔點高而未熔，僅少量發(fā)生分解與氧化，故保持原有的形狀。同時可能由于WC比重大、易團(tuán)聚以及噴涂粉末不均勻造成涂層局部WC較多的現(xiàn)象。由于高溫過程促進(jìn)元素擴(kuò)散和WC的分解，因而經(jīng)過淬火和回火的熱處理后，涂層與基體之間元素的互擴(kuò)散距離有所增大。部分WC發(fā)生了分解、氧化或與鎳基合金中的元素發(fā)生了反應(yīng)，故呈現(xiàn)須狀。
2.3 涂層的摩擦磨損性能
對40Cr基體、重熔的涂層和重熔后淬火并400 ℃回火的涂層進(jìn)行摩擦磨損對比。帶涂層的試樣先預(yù)磨10 min，以減少表面疏松層對結(jié)果的影響。經(jīng)兩次摩擦磨損試驗后，3種試樣的平均磨損量。40Cr試樣的磨損量最大，感應(yīng)重熔涂層的磨損量為40Cr的54%，熱處理后的涂層磨損量僅為40Cr的43%，有涂層的試樣耐磨性大幅提高。
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