楊康，辛越，姜自滔，倪振航，王碩煜，張世宏

( 1.安徽馬鋼表面技術(shù)股份有限公司,馬鞍山 243000;2.安徽工業(yè)大學(xué)先進(jìn)金屬材料綠色制備與表面技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，馬鞍山 243002 )

WC-Co 是一類具有高硬度、耐磨性的金屬陶瓷復(fù)合涂層；常作為冶金鍋爐、工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)、軋輥和飛機(jī)起落架等的表面防護(hù)材料，用于提高零件的使用壽命[1-4]。高速火焰噴涂(HVOF)制備的WC 涂層的耐磨性良好，高速火焰噴涂可以熔化粉末中熔點(diǎn)相對(duì)較低的黏結(jié)相，而不使硬質(zhì)顆粒過(guò)熱，還可有效防止噴涂過(guò)程中粒子的過(guò)度氧化，抑制噴涂過(guò)程中WC 分解[5]。使用高速火焰噴涂在鋼基體上制備WC-Co 涂層，之后通過(guò)磨損試驗(yàn)檢測(cè)涂層耐磨損性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，高速火焰噴涂制備得到的WC-Co 涂層與基體結(jié)合良好，涂層致密，其顯微硬度在1000 HV 以上[6]。作為對(duì)傳統(tǒng)WC-Co 材料的改進(jìn)，WC-Co-Cr 具有優(yōu)異的耐磨損和抗氧化性能，在工業(yè)上得到越來(lái)越多的應(yīng)用[7-9]。Cr 元素氧化后生成了致密且穩(wěn)定的Cr2O3可以有阻隔活潑元素與涂層的進(jìn)一步氧化[10]。此外，優(yōu)秀的抗氧化性能對(duì)WC 陶瓷具有良好的支撐作用，在磨損過(guò)程中可以降低WC顆粒的損耗，提高涂層的抗磨損性能[11]。

耿哲等[12-13]研究了WC-Co 熱噴涂涂層在大氣環(huán)境中，室溫至800 ℃球/盤(pán)式摩擦磨損性能。結(jié)果表明，含Co 較多的WC-Co 合金在高溫下的耐磨性能更好。相比于常規(guī)的微米級(jí)WC-Co 粉體，多尺度納米級(jí)WC-17Co 粉體更具優(yōu)異的耐磨性能。在相同制備工藝下，WC-17Co 的孔隙率由1 %降低至0.5 %，硬度增加了50 HV～100 HV，且組織更加均勻。張歡歡等[14]分別對(duì)粒度范圍為5～45 μm 和40～60 μm 的WC-10Co-4Cr 粉末進(jìn)行超音速火焰噴涂制備。分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉末粒度較小時(shí)，涂層致密、孔隙率低，具有更好的抗磨粒磨損性能。李超[15]對(duì)比分析了HVOF 工藝制備的多峰納米結(jié)構(gòu)WC-10Co4Cr 涂層性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在噴涂過(guò)程中多峰結(jié)構(gòu)WC-10Co4Cr 粉末中WC 由納米、亞微米、微米顆粒組成，其脫碳程度比納米粉末低，制備的涂層具有多尺度組織結(jié)構(gòu)、低孔隙率、高顯微硬度和高斷裂韌性和優(yōu)異的抗沖蝕磨損性能等。基于WC-Co 類涂層的服役溫度范圍，王進(jìn)春等[16]研究了600、700、800℃ WC-12Co 涂層高溫摩擦-磨損性能。涂層在低于700 ℃時(shí)磨損后保持較好完整性，表現(xiàn)出較好的耐磨性能，而在800 ℃時(shí)其完整性被破壞，其耐磨性能顯著降低。朱廣宏等[17]采用HVOF 制備了WC-12Co-4Cr 和WC-12Co 復(fù)合涂層，使用球盤(pán)式摩擦試驗(yàn)機(jī)重點(diǎn)研究?jī)山M涂層在常溫(25 ℃)、300 ℃、600 ℃下的摩擦磨損性能。常溫和300 ℃下兩組涂層的抗摩擦磨損性能基本相似，而在高溫(600 ℃)條件下磨損機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)檎持p且抗磨損性能顯著優(yōu)于WC-12Co 涂層。

本文采用高速火焰噴涂技術(shù)，通過(guò)添加NiCr過(guò)渡層來(lái)改善WC-Co 涂層的力學(xué)性能。因?yàn)橥繉优c基體化學(xué)組成與物理性質(zhì)上的巨大差別，通過(guò)添加過(guò)渡層來(lái)調(diào)控這種差別，從而改善界面結(jié)合，減少脆性斷裂。另外，由于兩種材料在熱噴涂時(shí)的線性膨脹系數(shù)差異，導(dǎo)致殘余應(yīng)力過(guò)大，極易出現(xiàn)裂紋，降低了產(chǎn)品的使用壽命，工程中一般對(duì)材料退火來(lái)消除應(yīng)力影響。因此本文針對(duì)WC-12Co+NiCr、WC-10Co-4Cr+NiCr、WC-12Co、WC-10Co-4Cr 四組噴涂態(tài)涂層，進(jìn)行多種試驗(yàn)測(cè)試分析，通過(guò)對(duì)比研究，探究過(guò)渡層以及Cr 元素對(duì)涂層力學(xué)性能、磨損性能的影響。

1 試驗(yàn)

選用常見(jiàn)的軋輥材料Q235 鋼作為本實(shí)驗(yàn)所用的基體材料。高速火焰噴涂所需實(shí)驗(yàn)粉末有三組，WC-12Co 粉末、WC-10Co-4Cr 粉末和NiCr粉末。圖1 為噴涂所需原材料粉末的微觀形貌圖，由圖可知，商用噴涂粉末均為流動(dòng)性良好的球形顆粒，粒徑分布均勻，其中WC-12Co 粉末平均粒徑在40 μm 左右，WC-10Co-4Cr 粉末與NiCr原材料粉末平均粒徑均在50 μm 左右，符合噴涂要求。噴涂氧氣流量為53 m3/h，步距為4 mm，使用槍管長(zhǎng)為100 mm，橫向移動(dòng)速度為600 mm/s，噴涂距離為350 mm，送粉速度為80 g/min。采用北京航天振邦精密機(jī)械有限公司生產(chǎn)的ZB-2000型高速火焰噴涂系統(tǒng)制備涂層，以氧氣-煤油為燃料、氬氣作為載氣，裝配噴槍為JP5000。采用Bruker-D8 Advance X 射線衍射儀(XRD)對(duì)涂層的物相進(jìn)行分析，掃描范圍為10 ° ～ 90 °，掃描速度為5 °/min；涂層微觀形貌以及元素組成采用Phenom XL 掃描電鏡(SEM)以及附帶的能譜分析儀(EDS)進(jìn)行檢測(cè)。使用掃描電鏡獲得500 倍下復(fù)合涂層的截面SEM 圖像，并在不同區(qū)域拍照5次，利用Image J 軟件測(cè)定并取平均值得到涂層截面的孔隙率。利用HV-1000 顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層的顯微硬度，設(shè)置載荷為500 gf，加載保持時(shí)間為5 s。采用國(guó)產(chǎn)真空球盤(pán)摩擦實(shí)驗(yàn)機(jī)和旋轉(zhuǎn)模塊進(jìn)行了常溫摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，以評(píng)估涂層的摩擦學(xué)特性及磨損行為。采用Ф6.35 mm 的Si3N4球作為摩擦副材料，載荷為45 N、轉(zhuǎn)速為0.1 m/s、旋轉(zhuǎn)半徑為4.5 mm、摩擦距離為500 m。通過(guò)與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)相連的計(jì)算機(jī)記錄摩擦系數(shù)。復(fù)合涂層的接觸疲勞性能是通過(guò)修改燕山大學(xué)自主研發(fā)的YS-1 型球盤(pán)接觸疲勞試驗(yàn)裝置，配合國(guó)產(chǎn)真空球盤(pán)摩擦試驗(yàn)機(jī)來(lái)模擬推力軸承的接觸狀態(tài)，在保證精度的前提下用于小尺寸樣品的性能測(cè)試，其中滾動(dòng)接觸副為9 個(gè)GCr15 軸承球(直徑1 mm)，接觸壓力為45 N，滾動(dòng)半徑為4 mm，固定旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為105 轉(zhuǎn)。通過(guò)臺(tái)階儀測(cè)算的磨損體積來(lái)評(píng)估涂層的抗接觸疲勞性能，其中每個(gè)樣品選取四組不同位置并取平均值作為最終的結(jié)果。使用美國(guó)KLA-Tencor Alphastep P-7 探針接觸式輪廓儀對(duì)涂層磨痕截面進(jìn)行測(cè)量并用公式(1)計(jì)算涂層磨損體積損失。此外，對(duì)磨損表面進(jìn)行了掃描電鏡檢查。磨損率計(jì)算公式(2)如下：

圖1 噴涂用粉末的微觀形貌：(a) WC-12Co 粉末；(b) WC-10Co-4Cr 粉末；(c) NiCr 粉末Fig.1 Microscopic morphologies of spraying powder: (a) WC-12Co powder , (b) WC-10Co-4Cr powder, (c) NiCr powder

式中：W(m3/N·m)為磨損率，V(m3)為磨損體積；S通過(guò)Origin 軟件擬合數(shù)據(jù)積分算得；P(N)為載荷；L(m)為摩擦距離；S(m2)為磨痕截面面積，d(m)為磨痕直徑。

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層的物相與微觀形貌

圖2 為四組試樣表面的微觀形貌，觀察兩組涂層試樣表面微觀形貌，噴涂過(guò)程中，涂層材料粉末經(jīng)過(guò)高溫火焰到達(dá)樣品表面，發(fā)生了充分熔化，涂層表面看不到完整顆粒，說(shuō)明高速火焰噴涂制備涂層過(guò)程中，噴涂效果較好。

圖2 涂層表面微觀形貌：(a) WC-12Co；(b) WC-10Co-4Cr；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.2 Microstructures of the coating surface: (a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr, (d) WC-10Co-4Cr+NiCr

圖3 為四組試樣截面的微觀形貌，WC-12Co涂層試樣截面和WC-10Co-4Cr 涂層試樣截面圖。從圖3 可以看到涂層與基體明顯分界線，而WC-12Co+NiCr 涂層試樣截面與WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層試樣截面可觀察到涂層與基體間過(guò)渡層的存在，有兩道分界線?；w與涂層或過(guò)渡層界面，可觀察到一些黑色顆粒，為噴涂前對(duì)基體表面進(jìn)行噴砂處理所引入的剛玉 (Al2O3)。

圖3 涂層截面微觀形貌：(a) WC-12Co； (b) WC-10Co-4C；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.3 Microstructures of coating section: (a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr, (d) WC-10Co-4Cr+NiCr

如圖4 所示，通過(guò)觀察計(jì)算，WC-12Co 涂層孔隙率為2.12%，WC-10Co-4Cr 涂層孔隙率為2.59%，WC-12Co+NiCr 涂層孔隙率為2.75%，WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層試樣孔隙率為2.59%。孔隙的存在，一般會(huì)增加點(diǎn)蝕的發(fā)生幾率，降低涂層的耐腐蝕性能，可以通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化高速火焰噴涂時(shí)的設(shè)備參數(shù)來(lái)降低孔隙率。觀察對(duì)比可知，對(duì)于不含Cr 的WC-12Co 涂層試樣和WC-12Co+NiCr 涂層試樣，加入過(guò)渡層使涂層孔隙率上升，但WC-12Co 涂層試樣截面形貌可觀察到明顯裂紋，裂紋出現(xiàn)在孔隙下部，WC-12Co+NiCr涂層試樣則無(wú)裂紋產(chǎn)生。而含Cr 涂層試樣，有無(wú)過(guò)渡層對(duì)于孔隙率基本無(wú)影響，WC-10Co-4Cr 涂層試樣和WC-10Co-4Cr+NiCr涂層試樣都無(wú)裂紋。

圖4 涂層試樣孔隙形貌：(a) WC-12Co；(b) WC-10Co-4Cr；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.4 Pore morphologies of coated samples: (a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr, (d) WC-10Co-4Cr+NiCr

2.2 涂層的顯微硬度

由于四組涂層試樣所用基體都為Q235 鋼，基體硬度基本相同。圖5 為四種涂層的截面硬度，WC-12Co 涂層試樣和WC-10Co-4Cr 涂層試樣，因?yàn)闆](méi)有NiCr 過(guò)渡層打底，從基體到涂層，硬度變化十分巨大。WC-12Co+NiCr 涂層試樣和WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層試樣涂層與基體間有過(guò)渡層，在同等深度條件下WC-12Co 涂層試樣和WC-10Co-4Cr 涂層試樣同等深度下依舊是基體，而此深度條件下WC-12Co+NiCr 涂層試樣和WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層試樣涂層的截面硬度隨著深度距離涂層表面降低而逐漸升高，相較于沒(méi)有過(guò)渡層的試樣，過(guò)渡層的硬度變化起到了銜接基體與涂層的作用。不含Cr 涂層中，WC-12Co+NiCr 涂層試樣涂層的截面硬度達(dá)到1059.64 HV0.3，比WC-12Co 涂層(960.01 HV0.3)要高，NiCr 過(guò)渡層可能起到了一定的強(qiáng)化作用，含Cr 涂層相比于不含Cr 涂層，例如WC-12Co 涂層試樣與WC-10Co-4Cr 涂層試樣相比，明顯含Cr 涂層的截面硬度(1012.20 HV0.3)更高，這是因?yàn)殡S著Cr 元素的加入，涂層的抗氧化性能變好，涂層致密度更高；對(duì)硬質(zhì)WC 顆粒的支撐效果更好，使得WC-10Co-4Cr 涂層的硬度高于不含Cr的WC-12Co 涂層[18]。而NiCr 過(guò)渡層對(duì)于含Cr涂層的強(qiáng)化效果并不明顯，可能是因?yàn)楹珻r 涂層硬度較高。加入NiCr 過(guò)渡層后，WC-12Co+NiCr、WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層結(jié)合強(qiáng)度分別為56.99 MPa、51.34 MPa，比WC-12Co 涂層(64.24 MPa)、WC-10Co-4Cr 涂層(61.82 MPa)更高，推測(cè)是由于過(guò)渡層增加了涂層和基體之間的界面，從而降低了涂層結(jié)合強(qiáng)度[19]。雖然加入NiCr 過(guò)渡層降低了涂層結(jié)合強(qiáng)度，但WC-12Co+NiCr 涂層、WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層的斷裂韌性分別為4.91 MPa·m1/2、4.97 MPa·m1/2，比WC-12Co 涂層(3.81 MPa·m1/2)、WC-10Co-4Cr 涂層(4.57 MPa·m1/2)更高，且對(duì)比含Cr 涂層與不含Cr 涂層，含Cr 涂層的斷裂韌性也較高。

表1 四組涂層的力學(xué)性能Table 1 Mechanical properties of four groups of coatings

圖5 涂層的截面硬度Fig.5 Cross-sectional hardness to the coatings

2.3 物相分析

圖6 為四種涂層試樣的XRD 圖。各涂層衍射峰形貌基本相同，可見(jiàn)四組涂層表面成分基本相同，為WC、Co、Co6W6C，WC 和Co 為噴涂粉末成分，Co6W6C 可能是由于HVOF 噴涂過(guò)程中高溫焰流導(dǎo)致碳化物顆粒脫碳而形成的產(chǎn)物。而對(duì)于含Cr 涂層，XRD 圖中并未觀察到Cr 元素對(duì)應(yīng)的衍射峰，這可能是由于涂層內(nèi)部對(duì)應(yīng)元素含量過(guò)少，測(cè)試所選用的靶材本身對(duì)Cr 元素的靈敏度低造成的[20]，且Co 元素對(duì)應(yīng)衍射峰也不明顯，WC 對(duì)應(yīng)衍射峰明顯，得出WC 為涂層主相。值得注意的是，XRD 所采集的樣品信號(hào)僅為表面的十幾微米的厚度內(nèi)，因此更深層次的過(guò)渡層物相并沒(méi)有被檢測(cè)出來(lái)。

圖6 噴涂態(tài)涂層X(jué)RD 圖譜Fig.6 XRD patterns of sprayed coating

2.4 涂層的摩擦磨損性能

圖7 為四組涂層試樣在同等條件下摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。表2 為四組涂層試樣磨損率測(cè)算結(jié)果。在同等條件下，WC-12Co+NiCr 涂層和WC-10Co-4Cr 涂層隨著時(shí)間增長(zhǎng)，摩擦系數(shù)最終穩(wěn)定在0.69 和0.70 附近，WC-12Co 涂層的摩擦系數(shù)則穩(wěn)定在0.64，而WC-10Co-4Cr+NiCr涂層的摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.62。同時(shí)根據(jù)四種涂層磨損率對(duì)比，其中WC-10Co-4Cr 涂層的磨損率(5.75×10-15m3·(N·m)-1) 比WC-12Co 涂 層 的 磨 損率(6.59×10-15m3·(N·m)-1)更低，摩擦系數(shù)更高,可見(jiàn)Cr 元素可以增強(qiáng)涂層的耐摩擦磨損性能。同時(shí)對(duì)比WC-12Co+NiCr 涂層和WC-12Co 涂層的摩擦系數(shù)和磨損率，WC-12Co+NiCr 涂層的摩擦系數(shù)為0.69 大于WC-12Co 涂層的0.64，磨損率5.19×10-15m3·(N·m)-1要小于WC-12Co 涂層，可見(jiàn)加入過(guò)渡層的涂層，耐摩擦磨損性能也更加優(yōu)異。然而，同時(shí)含有Cr 元素和NiCr 過(guò)渡層的WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層相較于其它三種涂層耐摩擦磨損性能反而降低，推測(cè)是由于Cr 元素本身強(qiáng)化了涂層本身硬度，而NiCr 過(guò)渡層的存在增加了涂層與基體之間的界面，反而降低了涂層與基體之間的結(jié)合力，也就是降低了涂層的耐摩擦磨損能力。

表2 四組涂層的摩擦系數(shù)與磨損率Table 2 Friction coefficient and wear rate offour groups of coatings

圖7 涂層表面摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Curves of surface friction coefficient of the coatings with time

為了進(jìn)一步揭示四組涂層的摩擦磨損的試驗(yàn)過(guò)程，圖8、圖9 分別給出了測(cè)試后涂層磨痕的表面和二維微觀形貌，可以看到WC-10Co-4Cr涂層和WC-12Co+NiCr 涂層磨痕寬度均小于WC-12Co 涂層，WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層磨痕寬度則與WC-12Co 涂層相當(dāng)。從圖8 磨痕內(nèi)部形貌可以觀察到沿著對(duì)磨副旋轉(zhuǎn)方向的犁溝，可以初步判斷這四組樣品為典型的磨粒磨損[21]。WC-10Co-4Cr 涂層和WC-12Co+NiCr 涂層雖然出現(xiàn)明顯磨痕，但結(jié)合圖8 涂層磨痕的二維截面形貌和圖9 磨痕的微觀形貌可知，涂層并沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損狀況。

圖8 涂層表面磨痕整體形貌：(a) WC-12Co；(b) WC-10Co-4Cr；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.8 Overall morphologies of surface wear marks of the coatings:(a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr, (d) WC-10Co-4Cr+NiCr

圖9 涂層磨痕的二維形貌Fig.9 Two-dimensional morphology of wear marks of the coatings

根據(jù)圖10 涂層的微觀形貌，WC-10Co-4Cr涂層和WC-12Co+NiCr 涂層實(shí)際磨損量相較于WC-12Co 涂層較少，而依據(jù)圖10、表3 中標(biāo)注各點(diǎn)EDS 測(cè)試結(jié)果可知，WC-10Co-4Cr 涂層相較于WC-12Co 涂層，無(wú)磨痕區(qū)域Cr 含量較高，進(jìn)一步確認(rèn)Cr 元素對(duì)于耐摩擦磨損性能的強(qiáng)化，即因?yàn)镃r 元素使涂層硬度提高，也因?yàn)镃r 元素的加入形成了黏結(jié)性能更好的CoCr 相，使難以切削的WC 相結(jié)合更加緊密，具有第二相強(qiáng)化和彌散強(qiáng)化作用。而微觀形貌中可以觀察到磨痕內(nèi)部有黑色區(qū)域和亮白色區(qū)域，EDS 測(cè)試結(jié)果含有大量氧化物和硅元素，顯然這些物質(zhì)來(lái)源于此次試驗(yàn)所選用的對(duì)磨副粘附在了磨痕內(nèi)部。

表3 圖10 中磨痕內(nèi)部標(biāo)注各點(diǎn)EDS 元素含量 (wt.%)Table 3 EDS element contents of each point marked inside the wear marks in Fig.10 (wt.%)

圖10 涂層磨痕內(nèi)部的微觀形貌以及標(biāo)注各點(diǎn)EDS 元素含量：(a) WC-12Co；(b) WC-10Co-4Cr；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.10 The microscopic morphologies inside the wear marks of the coatings :(a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr,(d) WC-10Co-4Cr+NiCr

綜合四組涂層磨痕的形貌和摩擦系數(shù)以及磨損率，可知單獨(dú)加入Cr 元素或單獨(dú)只在涂層和基體間加入NiCr 過(guò)渡層均可提高涂層的耐摩擦磨損性能，但同時(shí)含有Cr 元素和NiCr 過(guò)渡層的涂層耐摩擦磨損性能反而會(huì)降低，歸因于摩擦副對(duì)涂層施加的循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致復(fù)合涂層中的金屬粘結(jié)相和硬質(zhì)陶瓷相出現(xiàn)應(yīng)力失配。

2.5 涂層的接觸疲勞磨損性能

為了測(cè)試涂層表面抗接觸疲勞磨損性能，進(jìn)一步探究各組涂層接觸疲勞失效形式，對(duì)兩種涂層試樣做同等條件的接觸疲勞測(cè)試的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表4 所示。

表4 接觸疲勞測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 4 Experimental results of contact fatigue test

由表4 和圖11 四組涂層疲勞磨損磨痕，可以看出WC-12Co+NiCr 涂層磨損量最小為1193.20×10-12m3，WC-10Co-4Cr+NiCr 涂 層 磨損量(8255.80×10-12m3)小于WC-10Co-4Cr 涂層的磨 損 量(8681.54×10-12m3)，且WC-10Co-4Cr 涂層磨損量數(shù)據(jù)波動(dòng)極大，說(shuō)明涂層磨損不均勻，同時(shí)也說(shuō)明涂層耐磨損性能不好。無(wú)論含Cr 涂層還是不含Cr 涂層，加入NiCr 過(guò)渡層的涂層，磨損量均較小，這是因?yàn)镃r 元素的加入，能使涂層表面生成致密、堅(jiān)韌的氧化膜，提高其抗高溫氧化能力，而且過(guò)量的Cr 能與C 生成Cr7C3、Cr23C7等硬質(zhì)相彌散分布于固溶強(qiáng)化基體中，大大增強(qiáng)涂層的耐磨性能[21]。如圖12 可以看出WC-12Co+NiCr 涂層的磨痕最窄，其次是WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層。

圖11 涂層疲勞的磨損磨痕：(a) WC-12Co；(b) WC-10Co-4Cr；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.11 Wear marks of fatigue of the coatings: (a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr, (d) WC-10Co-4Cr+NiCr

WC-12Co+NiCr 涂層的抗接觸疲勞磨損性能要明顯優(yōu)于其余三種涂層。圖12、圖13 分別為四種涂層疲勞磨損磨痕的三維形貌圖和疲勞磨損磨痕的二維截面形貌，可見(jiàn)WC-12Co+NiCr 涂層的磨痕深度最淺，WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層磨痕深度也要深于WC-10Co-4Cr 涂層，其中WC-10Co-4Cr 涂層的二維形貌也說(shuō)明涂層磨痕非常不均勻，更說(shuō)明其耐疲勞磨損性能不佳，經(jīng)過(guò)對(duì)比可知，含Cr 涂層抗接觸疲勞磨損性能要遜于不含Cr 涂層，而加入NiCr 過(guò)渡層可以增強(qiáng)涂層抗接觸疲勞磨損性能。

圖13 涂層疲勞磨損磨痕的二維截面形貌：(a) WC-12Co；(b) WC-10Co-4Cr；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.13 two-dimensional cross-section morphology of fatigue wear marks of the coating:(a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr, (d) WC-10Co-4Cr+NiCr

圖14 為四組涂層疲勞磨損磨痕微觀形貌，表5為涂層疲勞磨損磨痕內(nèi)標(biāo)注各點(diǎn)EDS 元素含量，可見(jiàn)涂層的接觸疲勞失效形式主要是剝落，可以看出除WC-12Co+NiCr 涂層外，其余三種涂層都發(fā)生了大量剝落，樣品表面存在剝落后出現(xiàn)的凹坑和層狀分布的涂層材料，此外在滾動(dòng)接觸區(qū)還可以觀察到不規(guī)則的微觀裂紋、空隙。其中WC-10Co-4Cr 涂層D 點(diǎn)，EDS 測(cè)試無(wú)W 元素和C 元素，可見(jiàn)涂層部分已經(jīng)完全剝落。

表5 圖14 中疲勞磨損磨痕內(nèi)部標(biāo)注各點(diǎn)EDS 元素含量(wt.%)Table 5 EDS element contents of each point marked inside the fatigue wear marks in Fig.14 (wt.%)

圖14 涂層的疲勞磨損磨痕微觀形貌：(a) WC-12Co；(b) WC-10Co-4Cr；(c) WC-12Co+NiCr；(d) WC-10Co-4Cr+NiCrFig.14 Microstructure of fatigue wear marks of the coatings:(a) WC-12Co, (b) WC-10Co-4Cr, (c) WC-12Co+NiCr, (d) WC-10Co-4Cr+NiCr

3 結(jié)論

(1) 在WC-12Co 涂層和Q235 鋼基體間加入NiCr 過(guò)渡層會(huì)增大涂層的孔隙率，含有Cr 元素的WC-10Co-4Cr 涂層和WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層幾乎沒(méi)有裂紋。不含Cr 元素的WC-Co 涂層，加入NiCr 過(guò)渡層能夠顯著提高涂層表面硬度，而加入Cr 元素的WC-10Co-4Cr 涂層，在涂層和基體間加入NiCr 過(guò)渡層則沒(méi)有使涂層表面硬度獲得很大提高，推測(cè)是由于含Cr 涂層本身硬度較高，NiCr 過(guò)渡層強(qiáng)化效果不明顯。而加入NiCr 過(guò)渡層的WC-12Co+NiCr 涂層和WC-10Co-4Cr+NiCr涂層，涂層結(jié)合強(qiáng)度較低，是因?yàn)橥繉雍突w間結(jié)合界面增加導(dǎo)致。而加入Cr 元素和NiCr 過(guò)渡層都使涂層斷裂韌性獲得了提高。

(2) WC-12Co 涂層和Q235 鋼基體間加入NiCr 過(guò)渡層，使涂層的自摩擦系數(shù)由0.64 升高到0.69，磨 損量 由6.59×10-15m3·(N·m)-1降 低到5.19×10-15m3·(N·m)-1，證明加入NiCr 過(guò)渡層增強(qiáng)了涂層的耐摩擦磨損性能。加入Cr 元素的涂層，WC-10Co-4Cr 涂層的自摩擦系數(shù)0.70 高于WC-12Co 涂 層，磨 損 率5.75×10-15m3·(N·m)-1也低于WC-12Co 涂層，說(shuō)明Cr 元素也可以強(qiáng)化涂層的耐摩擦磨損性能，但WC-10Co-4Cr+NiCr 的自摩擦系數(shù)0.62，磨損率9.34×10-15m3·(N·m)-1，說(shuō)明同時(shí)含有Cr 又有NiCr 過(guò)渡層的涂層耐摩擦磨損性能反而降低，應(yīng)該是因?yàn)橥繉咏Y(jié)合強(qiáng)度降低導(dǎo)致。涂層主要的磨損機(jī)制為磨粒磨損。

(3) NiCr 過(guò)渡層的加入使涂層在疲勞磨損中的磨損量由WC-12Co 涂層的2644.58×10-12m3減少 到WC-12Co+NiCr 涂 層 的1193.20×10-12m3，而加入Cr 元素的涂層磨損量反而增加，推測(cè)是由于Cr 元素的加入降低了涂層的抗疲勞磨損性能，但WC-10Co-4Cr+NiCr 涂層磨損量為8255.80×10-12m3也小于WC-10Co-4Cr 涂層的磨損量8681.54×10-12m3，說(shuō)明NiCr 過(guò)渡層可以增強(qiáng)涂層的抗疲勞磨損性能。