劉凌波，楊貴榮，宋文明，李亞敏，馬 穎

(1. 蘭州理工大學(xué) 省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實驗室，甘肅 蘭州 730050；2. 甘肅藍(lán)科高新石化裝備股份有限公司，甘肅 蘭州 730070)

在零件表面通過各種表面工程技術(shù)制備耐磨耐蝕涂層是提高零件使用壽命所廣泛采取的措施，表面涂層的制備技術(shù)有熱噴涂、等離子噴涂、氣相沉積、電鍍或化學(xué)鍍等，鐵基、鈷基和鎳基等合金涂層主要應(yīng)用于高溫氧化、復(fù)雜應(yīng)力、摩擦磨損、沖蝕等服役環(huán)境[1-5]。鐵基涂層非晶含量難以控制[6]，鈷基和鎳基合金有較好的耐磨耐蝕性，鎳基合金成本比鈷基低，且鎳基合金涂層有更寬的金屬或陶瓷相容性，所以鎳基合金涂層的研究進(jìn)展最快。隨著科技的快速發(fā)展，各種設(shè)備的運(yùn)行效率不斷提高，對其性能的要求也越來越高，現(xiàn)有合金涂層日漸不能滿足其快速發(fā)展對性能的需求，各行業(yè)領(lǐng)域?qū)α悴考囊髢A向于高性能復(fù)合涂層或新型材料，鎳基復(fù)合涂層或鈷基復(fù)合涂層成為研究的重點(diǎn)[4]。在鎳基自熔合金的基礎(chǔ)上添加高熔點(diǎn)的陶瓷顆粒作為硬質(zhì)相制備而成的復(fù)合熔覆層，可以進(jìn)一步提高鎳基涂層的力學(xué)性能、耐高溫性能及摩擦磨損性能[7]。常用作增強(qiáng)相的陶瓷顆粒主要有碳化物、氧化物、氮化物等，如碳化鎢、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯、氮化硅等，這些陶瓷顆粒都具有高熔點(diǎn)、高硬度等特征，但各自均存在一定的缺陷。硼化物陶瓷顆粒具有高熔點(diǎn)、高硬度和高熱穩(wěn)定性[8-9]，可作為涂層硬質(zhì)添加相。硼化鎢陶瓷顆粒具有極高的硬度和熔點(diǎn)，化學(xué)性能穩(wěn)定，力學(xué)性能優(yōu)異，同時還具有金屬導(dǎo)電性，即較好的傳導(dǎo)性，近年來有學(xué)者將其用于復(fù)合涂層[10-12]。目前對于硼化鎢作為添加相進(jìn)行復(fù)合涂層的制備與研究主要集中在物理氣相沉積涂層、化學(xué)氣相沉積復(fù)合涂層及激光熔覆涂層，Jiang等[13]使用磁控濺射技術(shù)在不銹鋼基體表面沉積了厚度2.8 μm的高壓相WB2薄膜，顯微硬度45 GPa，摩擦因數(shù)0.23，證明WB2具有一定的自潤滑性能，Liu等[12]使用磁控濺射技術(shù)在鋼表面沉積了WB2/CrN多層結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜，顯微硬度33 GPa，摩擦因數(shù)0.35，且薄膜殘余應(yīng)力減少。Qin等[14]使用等反應(yīng)離子燒結(jié)技術(shù)制備了含有WB2的高熵合金，與不含WB2組元相比，WB2的加入會提升其硬度。Fuger等[15]使用磁控濺射技術(shù)在硅襯底上沉積了含Ta元素的WB2膜，Ta元素的加入提高了WB2膜的耐高溫氧化性能。真空熔覆技術(shù)可以提供無氧和低壓環(huán)境，且溫度場均勻，相比較于熱噴涂和激光熔覆涂層，其能耗低、涂層內(nèi)應(yīng)力小、零件變形小，是制備鎳基復(fù)合熔覆涂層較佳的方法。

本文采用WB2陶瓷顆粒作為添加相，以鎳基合金粉末為基質(zhì)，采用真空熔覆技術(shù)在45鋼表面制備了綜合性能優(yōu)異的鎳基復(fù)合熔覆層，通過對其微觀組織形貌特征與成分進(jìn)行觀察和分析，以及對摩擦磨損性能進(jìn)行測試與分析，認(rèn)為Ni-WB2復(fù)合熔覆層在耐磨涂層領(lǐng)域具有應(yīng)用價值。

1 試驗材料及方法

試樣基體采用正火態(tài)45鋼，用激光切割出尺寸為40 mm×50 mm×10 mm的長方形塊體試樣。復(fù)合熔覆層原料為鎳合金粉末(粒度48～106 μm)和WB2粉末(粒度D50=4.55 μm,D90=7.55 μm)，其形貌如圖1 所示，鎳基合金粉末為球形顆粒(如圖1(a)所示)，WB2粉末為不規(guī)則形狀的顆粒(如圖1(b)所示)，兩種粉末混合后的形貌如圖1(c)所示。45鋼及粉末原料的化學(xué)成分見表1。

圖1 顆粒形貌(a)鎳基合金粉末；(b)WB2粉末；(c)混合粉末Fig.1 Morphologies of the particles(a) Ni-based alloy powder； (b) WB2 powder； (c) mixed powder

表1 熔覆層粉末原料及基體的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

首先稱取總量為40 g的復(fù)合粉末，其中WB2粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%(Ni-5%WB2)、10%(Ni-10%WB2)、15%(Ni-15%WB2)、20%(Ni-20%WB2)、25%(Ni-25%WB2)。其次將WB2粉末和鎳合金粉末用球磨機(jī)球磨混合均勻后添加自制粘結(jié)劑制成膏狀，然后將膏狀混合粉均勻涂敷于表面經(jīng)過逐級打磨、清洗等工序處理的45鋼潔凈表面，陰干5 h后置于干燥箱內(nèi)在150 ℃干燥2 h，最后將干燥的試樣放入CH1804真空碳管爐中燒結(jié)，升溫速率為10 ℃/min，升至900 ℃后保溫15 min，隨爐冷卻至室溫取出。將燒結(jié)成型的熔覆層試塊用線切割設(shè)備切割為10 mm×10 mm×13 mm(涂層厚度3 mm)、10 mm×10 mm×12 mm(涂層厚度2 mm)、10 mm×10 mm×11 mm(涂層厚度1 mm)的試樣塊，經(jīng)砂紙打磨、拋光后觀察表面形貌。

沿熔覆層厚度方向?qū)⒃嚇泳€切割為規(guī)格φ6.3 mm× 13 mm的銷，其中熔覆層厚度3 mm，再將具有熔覆層的一端加工處理為φ6.3 mm×3 mm球冠。對磨件為尺寸φ70 mm×5 mm的高速軸承鋼GCr15磨盤，磨盤經(jīng)淬火和退火處理后的硬度達(dá)到55 HRC。將磨盤依次用60～2000目砂紙打磨，再拋光至光學(xué)顯微鏡下表面無劃痕，然后采用UMT-3型銷盤式摩擦磨損試驗機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗，摩擦半徑24 mm，載荷10 N，頻率300 r/min，測試時間60 min，試驗溫度為室溫(25 ℃)。試驗數(shù)據(jù)中摩擦因數(shù)由摩擦試驗機(jī)連接的計算機(jī)實時獲得，磨損量使用稱量法得出，磨損率由公式(1)計算得出，所得最終結(jié)果均為3次相同試驗測試結(jié)果的平均值。

Wr=m/t

(1)

式中：Wr為磨損率；m為磨損量；t為摩擦?xí)r間。

使用Quanta450-PEG場發(fā)射掃描電鏡觀察熔覆層的微觀組織及磨損后的形貌。采用JSM-5600能譜儀(EDS)分析其成分。采用D/max-2400型X射線衍射儀分析涂層物相組成。采用LSM800激光共聚焦顯微鏡觀察熔覆層及磨痕形貌，并實現(xiàn)三維成像。硬度測試采用Wilson VH1102顯微硬度計，在厚度為13.2 mm的試樣上以熔覆層表面為基準(zhǔn)間隔0.3 mm測試，共測12點(diǎn)，加載載荷為0.2 kg，保壓時間為10 s。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 微觀組織形貌

不同WB2含量復(fù)合熔覆層的微觀組織特征類似，復(fù)合熔覆層包括擴(kuò)散區(qū)(Diffusion zone)、過渡區(qū)(Transition zone)及網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)(Reticular zone)，熔覆層網(wǎng)狀區(qū)隨著WB2含量的提高，結(jié)構(gòu)越清晰且網(wǎng)線寬度變得越粗。熔覆層過渡區(qū)及擴(kuò)散區(qū)寬度隨著WB2含量的提高而變窄，組織致密度隨著WB2含量的提高趨于先致密后疏松，綜合分析Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層組織較致密，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)較為清晰，過渡區(qū)寬度較寬，所以本文僅以Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層為代表進(jìn)行詳細(xì)的微觀組織分析。圖2為Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層的微觀組織形貌，其中擴(kuò)散區(qū)寬度為150 μm左右，與基體區(qū)域相比該區(qū)呈淺灰色，與過渡區(qū)及復(fù)合層區(qū)相比其中無明顯白色或其他顏色的硬質(zhì)相。中間較大范圍的部分為過渡區(qū)，厚度約為1 mm，彌散分布著白亮色硬質(zhì)相(如圖2(b)所示)，白色硬質(zhì)相與基體界面熔合良好。圖2(a)中右邊區(qū)域為網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)，網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)的厚度可達(dá)2.5 mm左右，該區(qū)白亮硬質(zhì)相呈網(wǎng)狀分布(如圖2(c)所示)，即硬質(zhì)相分布區(qū)類似漁網(wǎng)的網(wǎng)線區(qū)，網(wǎng)孔區(qū)幾乎沒有白亮的硬質(zhì)相。對網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)不同位置進(jìn)行EDS點(diǎn)掃描分析，結(jié)果如表2所示，可見網(wǎng)孔區(qū)(點(diǎn)2)主要以鎳基合金為主，而網(wǎng)線區(qū)為鎳基合金中密集分布著硬質(zhì)碳化物和硼化物的復(fù)合組織。

圖2 Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層的微觀組織形貌(a)整體形貌；(b)過渡區(qū)；(c)復(fù)合區(qū)Fig.2 Microstructure of the Ni-15%WB2 composite clad layer(a) overview; (b) transition zone; (c) reticular zone

表2 圖2(c)中不同位置的能譜分析(原子分?jǐn)?shù)，%)

圖3為Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層從表面至基體及擴(kuò)散區(qū)的元素線掃描分布結(jié)果。由圖3(a)可見，整個熔覆層厚度在3.5 mm左右，自表面開始深度約2 mm區(qū)域為網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)，其中靠近表面約1 mm區(qū)域內(nèi)的網(wǎng)孔較小，對應(yīng)圖2(a)中的網(wǎng)狀I(lǐng)區(qū)(Reticular zone Ⅰ)，而毗鄰過渡區(qū)的網(wǎng)孔較大，對應(yīng)圖2(a)中的網(wǎng)狀Ⅱ區(qū)(Reticular zone Ⅱ)。EDS譜線顯示W(wǎng)、Cr、Si、Ni元素的峰強(qiáng)變化在網(wǎng)狀區(qū)的網(wǎng)孔區(qū)存在差異，表現(xiàn)為Ni、Si元素的峰強(qiáng)在網(wǎng)孔區(qū)域高于網(wǎng)線區(qū)域，W、Cr元素的峰強(qiáng)在網(wǎng)孔區(qū)域低于網(wǎng)線區(qū)域，這與圖2(c)中網(wǎng)狀區(qū)EDS點(diǎn)分析相對應(yīng)，進(jìn)一步說明網(wǎng)孔區(qū)和網(wǎng)線區(qū)物相存在變化。圖3(b)為擴(kuò)散區(qū)EDS線掃描分析，可見擴(kuò)散區(qū)Ni和Fe元素峰強(qiáng)梯度呈現(xiàn)相反的變化，自熔覆層至基體，Ni含量變化由黑色線區(qū)域開始逐漸降低，而Fe含量則逐漸增加，二者變化同步，在基體區(qū)域Ni含量降至最小而Fe含量增至最大。由于基體為45鋼，熔覆層為鎳基合金，Ni和Fe元素的峰強(qiáng)變化形成了一定寬度的擴(kuò)散區(qū)，擴(kuò)散區(qū)主要物相為鎳基和鐵基固溶體，可測得擴(kuò)散區(qū)厚度約為150 μm，熔覆層與基體之間形成良好的冶金結(jié)合。

圖3 Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層截面的顯微形貌(a, b)及EDS線掃描結(jié)果(c, d)(a,c)表面至基體；(b,d)擴(kuò)散區(qū)Fig.3 Microstructure(a,b) and EDS line scanning results(c,d) of the Ni-15%WB2 composite clad layer(a,c) from surface to substrate； (b,d) diffusion zone

2.2 熔覆層的XRD分析

根據(jù)圖2所測得的熔覆層各區(qū)域厚度，采用逐層剝離法分別對Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層網(wǎng)狀Ⅰ區(qū)(表層)、網(wǎng)狀Ⅱ區(qū)(去除1.2 mm左右)和過渡區(qū)(再去除2.3 mm左右)進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖4所示。可以看出，不同區(qū)域的物相組成有所不同，過渡區(qū)無硼化物相，主要為鎳基合金、含鉻碳化物及共晶組織。網(wǎng)狀區(qū)的衍射圖譜中出現(xiàn)較多的分峰，即相組成相對復(fù)雜，由此可見WB2在復(fù)合熔覆層形成過程中發(fā)生了不同程度的分解并與鎳基合金中的其他元素結(jié)合形成新相析出，網(wǎng)狀Ⅰ區(qū)和網(wǎng)狀Ⅱ區(qū)的物相組成均為γ-Ni、FeNi3、Ni3B、Cr23C6、Cr7C3、CrB、NiSi和WB2相，但網(wǎng)狀Ⅱ區(qū)在2θ為52°和75°處的衍射峰值更高。

圖4 Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of the Ni-15%WB2 composite clad layer

2.3 摩擦磨損性能

2.3.1 磨損率與摩擦因數(shù)

圖5為45鋼基體及不同WB2含量的復(fù)合熔覆層的摩擦因數(shù)及磨損率?？梢钥闯?，45鋼的磨損率最大，復(fù)合熔覆層的摩擦因數(shù)和磨損率均隨WB2含量的增多而先減小再增大，均在WB2含量為15%時最小，而在25%時最大。通過對比可知，未添加WB2的Ni基合金熔覆層的摩擦因數(shù)比45鋼降低了3.5%，磨損率比45鋼降低了15.6%，可見Ni基合金熔覆層的耐磨性能優(yōu)于45鋼。加入WB2后，Ni-WB2復(fù)合熔覆層的耐磨性能更優(yōu)，WB2含量為15%時熔覆層的摩擦因數(shù)相比45鋼降低了14.62%，磨損率降低了48.94%，說明Ni-WB2復(fù)合熔覆層能作為45鋼的耐磨損保護(hù)層使用。

圖6 不同WB2含量復(fù)合熔覆層對磨件的摩擦磨損表面三維形貌Fig.6 3D Morphologies of the friction couple worn surface of the composite clad layer with different WB2 contents(a) 10%; (b) 15%; (c) 20%; (d) 25%

圖5 Ni-WB2復(fù)合熔覆層的摩擦因數(shù)及磨損率Fig.5 Friction factor and wear rate of the Ni-WB2 composite clad layer

熔覆層摩擦表面形貌的凸起對應(yīng)著對磨件摩擦形貌表面的凹陷，所以使用對磨件的表面三維形貌的劃痕深淺及劃痕的數(shù)量分析熔覆層的摩擦磨損情況，圖6為不同WB2含量復(fù)合熔覆層的對磨件表面三維形貌。可以看出，隨著WB2含量的提高，其對磨件表面粗糙度呈降低趨勢。由于Ni-10%WB2復(fù)合熔覆層的摩擦因數(shù)較高，表面出現(xiàn)較深劃痕，而15%WB2復(fù)合熔覆層的劃痕較淺，說明WB2含量提高后可阻礙犁溝的形成，進(jìn)一步減小摩擦因數(shù)。25%WB2復(fù)合熔覆層的摩擦帶最寬，說明試樣磨損量較多，造成摩擦接觸面變大，但是其表面粗糙度較低，說明試樣表面幾乎沒有磨粒磨損。

2.3.2 熔覆層硬度測試

不同WB2含量的復(fù)合熔覆層的厚度方向上的顯微硬度變化特征與趨勢類似，所以僅以Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層為代表對其顯微硬度的變化特征與趨勢進(jìn)行分析，圖7為Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層從表面至基體的顯微硬度分布?？梢钥闯?，復(fù)合熔覆層的平均硬度是基體硬度的3～4倍，網(wǎng)狀區(qū)硬度最高，且網(wǎng)狀Ⅰ區(qū)高于網(wǎng)狀Ⅱ區(qū)，過渡區(qū)硬度明顯降低，擴(kuò)散區(qū)硬度略高于基體。復(fù)合熔覆層截面顯微硬度的變化與其對應(yīng)區(qū)域的組織有關(guān)。在硬度測試過程中，材料抵抗表面塑性變形的能力是衡量硬度的指標(biāo)，材料塑性變形是位錯運(yùn)動的結(jié)果[16]。位錯的運(yùn)動受晶體結(jié)構(gòu)的影響，所以材料表面抵抗塑性變形的能力受材料物相組成的影響，在熔覆層網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)，網(wǎng)線區(qū)組織由γ-Ni固溶體、FeNi3、Ni3B、CrB、NiSi、WB2等相組成，以及較多的金屬間化合物或碳化物、硼化物及硼碳化物等硬質(zhì)相，這些物相具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，可起到阻礙位錯移動的作用，且網(wǎng)狀Ⅰ區(qū)的網(wǎng)線區(qū)硬質(zhì)相多于網(wǎng)狀Ⅱ區(qū)。另外相界可阻礙位錯的運(yùn)動[17]，網(wǎng)線區(qū)的物相種類多，晶粒細(xì)小，增加了相界和晶界的長度，進(jìn)一步阻礙了位錯的移動。過渡區(qū)也存在碳化物、硼化物及硼碳化物等硬質(zhì)相，但該區(qū)組織晶粒粗大，晶界和相界比網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)少，因此過渡區(qū)的硬度低于網(wǎng)狀區(qū)，擴(kuò)散區(qū)則僅存在少量的含鉻碳化物，主要組成相為鎳基固溶體和鐵基固溶體。

圖7 Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層的顯微硬度分布 Fig.7 Micro-hardness distribution of the Ni-15%WB2composite clad layer

2.3.3 熔覆層磨損表面形貌及能譜分析

45鋼基體及不同WB2含量的復(fù)合熔覆層磨損后的表面形貌如圖8所示，磨損表面的EDS面掃描結(jié)果如圖9～圖12所示。由圖8(a)可見，45鋼基體磨損后的表面覆蓋大量的磨屑，磨損嚴(yán)重，大量磨屑在摩擦正應(yīng)力與剪切應(yīng)力的作用下形成了相對密實的磨屑層(如區(qū)域a所示)，磨屑層邊緣存在相對疏松聚集的磨屑(如區(qū)域b所示)，EDS面掃描結(jié)果(如圖10所示)顯示其表面主要元素為Fe、O與C，即大量的磨屑形成過程中在摩擦熱的作用下被氧化。由于45鋼與對偶磨盤的硬度差異較大，因此45鋼主要以粘著磨損與氧化磨損為主。

圖8(b)為鎳基合金熔覆層磨損表面的顯微形貌，可見表面存在局部磨屑層，磨屑邊緣依然存在相對疏松的磨屑(如區(qū)域c所示)，磨損表面還存在較淺的犁溝(如區(qū)域d所示)，即存在磨粒磨損，在犁溝區(qū)域無明顯的磨屑，在無明顯磨屑存在的區(qū)域可見灰黑色長方形、菱形或長條狀物相，EDS面掃描結(jié)果(如圖10所示)顯示其黃色橢圓形區(qū)域為明顯的磨屑聚集，主要元素為Fe和O，可見其磨屑主要是在摩擦過程中從對偶件GCr15鋼轉(zhuǎn)移來的Fe并氧化形成，而在無明顯磨屑聚集的較淺犁溝區(qū)中灰黑色物相主要元素為Cr、C及Ni，為Cr的碳化物或復(fù)相硬質(zhì)化合物，該區(qū)域硬度較高，形成的犁溝較淺，磨損程度較低。

圖8 不同WB2含量復(fù)合熔覆層磨損后的表面顯微形貌(a)45鋼基體；(b)0%；(c)5%；(d,e)15%；(f,g)25%Fig.8 Microstructure of the worn surface of composite clad layer with different WB2 contents(a) substrate of 45 steel； (b) 0%； (c) 5%； (d,e) 15%； (f,g) 25%

圖9 45鋼磨損表面的能譜分析Fig.9 EDS analysis of worn surface of the 45 steel

圖10 鎳基合金熔覆層磨損表面的能譜分析Fig.10 EDS analysis of worn surface of the Ni-based clad layer

圖8(c)為Ni-5%WB2復(fù)合熔覆層磨損表面的顯微形貌，與鎳基合金熔覆層相比，其表面磨屑較少，磨痕表面特征及元素分布變化不明顯。隨著WB2含量的增加，復(fù)合容熔覆層磨損后的表面磨屑逐漸減少，當(dāng)WB2含量為15%時熔覆層磨損表面磨屑最少，表面犁溝不明顯(如圖8(d)所示)，磨損表面可見網(wǎng)狀組織特征(如弧線所示)，網(wǎng)孔區(qū)存在灰黑色塊狀相，網(wǎng)孔間距約35 μm。由微觀組織分析可知，網(wǎng)孔區(qū)主要為鎳基合金與Cr的碳化物，網(wǎng)線區(qū)為細(xì)小的硼化物、碳化物及復(fù)相化合物，其強(qiáng)度、硬度較高且組織細(xì)小。對網(wǎng)線區(qū)(如區(qū)域h所示)進(jìn)行放大觀察可見密集分布的較多細(xì)小的白色硬質(zhì)相顆粒，表面僅有零星少量的磨屑(如圖8(e)所示)，EDS面掃描結(jié)果(如圖11所示)顯示灰黑色相的區(qū)域主要元素為Cr、Ni及C，即圖8(d)中區(qū)域g的灰黑色塊狀相為Cr的碳化物及復(fù)雜化合物，而區(qū)域h的網(wǎng)線區(qū)存在較多的W和O元素，W元素聚集說明該區(qū)域存在較多的硼化物，而存在較多的O元素說明在摩擦磨損過程中形成了鎢的氧化物，WOx氧化物具有多種晶體結(jié)構(gòu)，在高溫環(huán)境下可以進(jìn)行相結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)化，具有低剪切力面、特殊的位錯滑移結(jié)構(gòu)，屬于自潤滑材料[18-19]，這對于含WB2的Ni基復(fù)合熔覆層的耐磨性能是有利的。另外，磨損表面中Fe的含量較少，說明摩擦過程中由對偶件GCr15鋼轉(zhuǎn)移的Fe較少。

圖11 Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層磨損表面的能譜分析Fig.11 EDS analysis of worn surface of the Ni-15%WB2 composite clad layer

圖8(f)為Ni-25%WB2復(fù)合容熔覆層磨損表面的顯微形貌?？梢姳砻骐m然沒有較多的磨屑，但存在明顯的剝離痕跡。圖8(f)中區(qū)域i和j為未剝離的相對較為平整的區(qū)域，區(qū)域k為黑色的孔洞。對區(qū)域j進(jìn)行放大觀察(如圖8(g)所示)可見，橢圓區(qū)域內(nèi)存在微裂紋，在磨擦過程中微裂紋不斷擴(kuò)展進(jìn)而剝落。另外，磨粒磨損過程中磨粒與硬質(zhì)相接觸導(dǎo)致硬質(zhì)相剝落或劃痕中止。EDS面掃描結(jié)果(如圖12所示)顯示在剝落邊緣的Fe與O含量較高，Ni含量與Ni-15%WB2復(fù)合熔覆層(如圖11所示)相比有所降低，即磨屑覆蓋有所增加，W、Ni、O和Si含量較高的區(qū)域重疊，說明仍有含W的氧化物形成，同時也說明該區(qū)域存在硼化物及復(fù)雜化合物，硬度較高。

圖12 Ni-25%WB2復(fù)合熔覆層磨損表面的能譜分析Fig.12 EDS analysis of worn surface of the Ni-25%WB2 composite clad layer

2.3.4 磨損機(jī)制討論

由圖5可知，45鋼基體的耐磨性最低，加入WB2硬質(zhì)相的鎳基復(fù)合熔覆層的摩擦磨損性能明顯提高，當(dāng)WB2含量為15%時摩擦磨損性能達(dá)到試驗條件下的最佳水平。在摩擦磨損試驗中，對磨件GCr15鋼表面微凸體與試樣表面接觸并產(chǎn)生摩擦磨損，如圖13所示。由于45鋼的硬度比對偶件的硬度低很多，摩擦過程中在接觸界面處首先形成塑性變形(如圖13(a)所示)，在磨擦正應(yīng)力(Fn)與切應(yīng)力(Ft)作用下接觸界面處閃點(diǎn)溫度逐漸升高，隨著摩擦過程的進(jìn)行接觸界面處出現(xiàn)焊合點(diǎn)并在剪切應(yīng)力作用下發(fā)生撕裂，同時撕裂的金屬磨屑在接觸界面較高的溫度下氧化，進(jìn)而在接觸界面形成氧化物磨屑[20]，接觸界面處存在多個微凸體，在摩擦載荷作用下形成粘著、氧化，進(jìn)而在正應(yīng)力和切應(yīng)力作用下形成磨屑層。

圖13 摩擦過程微觀示意圖(a)45鋼；(b)鎳基合金熔覆層；(c)Ni-WB2復(fù)合熔覆層Fig.13 Schematic diagram of friction process(a) 45 steel； (b) Ni-based clad layer； (c) Ni-WB2 composite clad layer

鎳基合金熔覆層中由于含有鉻的碳化物等硬質(zhì)相，使得其硬度相比45鋼明顯增加，摩擦過程中的塑性變形不明顯(如圖13(b)所示)。而隨著磨損的進(jìn)行，金屬磨屑形成進(jìn)而氧化形成氧化物磨屑層，氧化物磨屑具有一定的減磨作用。在摩擦過程中隨著摩擦的擠壓與剪切作用，磨屑膜層逐漸開裂脫落，磨損繼續(xù)加劇，進(jìn)而使得硬質(zhì)相顆粒裸露出來，因其硬度較高不易磨損而逐漸成為摩擦過程中的載荷支撐點(diǎn)，當(dāng)其支撐載荷逐漸增大時，硬質(zhì)相顆粒邊緣在法向及切向綜合應(yīng)力作用下而碎裂成為磨粒，突起的硬質(zhì)相顆粒減小而不能承受載荷時，就會脫落并形成磨粒，此時形成三體磨損即磨粒磨損。

復(fù)合熔覆層在摩擦磨損過中摩擦接觸面處于網(wǎng)狀I(lǐng)區(qū)，其中網(wǎng)線區(qū)聚集著含量較高的硬質(zhì)相，網(wǎng)孔區(qū)為含鉻碳化物增強(qiáng)的鎳基合金。網(wǎng)狀I(lǐng)區(qū)整體硬度較高，初始階段由于接觸界面的不平整而導(dǎo)致摩擦過程中出現(xiàn)較明顯的振動，即摩擦副磨合階段，銷的頭部球冠接觸面積較小壓強(qiáng)大，摩擦因數(shù)不穩(wěn)定。經(jīng)過初期磨合階段之后，摩擦接觸面形成少量的磨屑，銷的球冠頭部部分被磨平，抗剪切能力增強(qiáng)，摩擦因數(shù)逐漸穩(wěn)定，網(wǎng)狀分布的硬質(zhì)相逐漸突出成為載荷支撐的骨架，接觸界面較初期平整，而磨屑在氧化過程中開始形成鎢的氧化物WOx，WOx具有低剪切力面，屬于固體潤滑材料，有利于摩擦副之間降低摩擦，減少磨損，該階段為過渡階段。隨著摩擦過程的繼續(xù)進(jìn)行，形成的WOx氧化物逐漸增加，同時載荷支撐網(wǎng)在摩擦過程中會有少量硬質(zhì)相碎裂或脫落形成細(xì)小磨粒，即同時伴隨微量磨粒磨損，磨屑金屬氧化物及鎢的氧化物在磨擦擠壓與剪切應(yīng)力作用下鋪展達(dá)到摩擦的穩(wěn)定階段。根據(jù)不同WB2含量的復(fù)合熔覆層表面磨擦形貌可以發(fā)現(xiàn)，顯微裂紋主要在網(wǎng)孔內(nèi)粒徑較大的硬質(zhì)相附近產(chǎn)生，網(wǎng)線共晶相附近未發(fā)現(xiàn)微裂紋，說明熔覆層中硬質(zhì)相的粒徑大小會影響摩擦性能，所以磨損主要在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)網(wǎng)孔區(qū)產(chǎn)生，由此可見網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有利于提高熔覆層的耐磨性能。

3 結(jié)論

1) 利用真空熔覆技術(shù)在正火態(tài)45鋼表面制備了厚度3.5 mm左右的Ni-WB2復(fù)合熔覆層，熔覆層包含厚度約100 μm厚的擴(kuò)散區(qū)、約1 mm的過渡區(qū)及約2.5 mm 的網(wǎng)狀復(fù)合層區(qū)。擴(kuò)散區(qū)主要由鐵基固溶體和鎳基固溶體構(gòu)成，過渡區(qū)主要物相為鎳基合金及Cr的碳化物，網(wǎng)狀復(fù)合區(qū)的主要組成相有鎳基合金、Cr的碳化物、WB2、鎳硅共晶以及WB2與鎳基合金中的元素形成的復(fù)雜硼化物和碳化物。

2) 鎳基合金熔覆層及Ni-WB2復(fù)合熔覆層的磨損率及摩擦因數(shù)均低于正火態(tài)45鋼，當(dāng)WB2含量低于20%時，隨著復(fù)合熔覆層中WB2含量的增加，磨損率及摩擦因數(shù)均逐漸降低。當(dāng)WB2含量為15%時，磨損率與基體相比降低了48.94%，摩擦因數(shù)與基體相比降低了14.62%。網(wǎng)狀分布的硬質(zhì)相在摩擦過程中起到載荷支撐作用，有利于降低摩擦磨損，且磨損時表面形成了具有低剪切力的鎢的氧化物，進(jìn)一步降低了摩擦磨損。