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1、湖北汽车工业学院毕业设计论文摘 要本文采用冷态涂敷方法，用水玻璃和松香作黏结剂，在45钢表面涂敷了镍基自熔性合金粉末Ni60和Ni60+WC25，利用炉内加热和感应加热的方法对涂层进行了重熔处理，并对重熔试样进行了销盘式磨粒磨损实验；对重熔涂层进行了显微硬度分析和金相组织分析，利用扫描电子显微镜(SEM)对涂层磨损后的形貌进行了分析。结果表明：重熔涂层具有很高的耐磨性，明显高于T10钢淬火后的试样；Ni60+WC重熔涂层的耐磨性稍高于Ni60重熔涂层；感应重熔涂层的耐磨性要高于炉内重熔的涂层；用松香作黏结剂的涂层稍高于用水玻璃作黏结剂的涂层；重熔涂层磨损表面的SEM形貌表明磨损属于磨粒磨损。关
2、键词：自熔性合金，感应重熔涂层，炉内重熔涂层，镍基WC，磨粒磨损26AbstractNickel base self-fluxed alloy powder Ni60 and Ni60+WC25 are spreaded on the surface of 45 steel by cold-state coating technique has been shown in this paper，the bonding agents use water glass and rosin，and the coatings are remelted using furnace and inductio
3、n heating methods，the wear-resistant of the remelting coatings are investigated by the abrasive wear machine. The hardness and microstructure of the coatings are also analzyed，the worn surface morphology of the coatings are observed by electron scanning microscope(SEM). The results indicate that the
4、 remelting coatings have very high wear-resistant，and apparently higher than the quenched T10 sample. The wear-resistant of Ni60+WC25 remelting coatings are better than that of Ni60 coatings，and the induction remelting coatings are better than that of the furnace remelting coatings，also the remeltin
5、g coatings of rosin bonding agents are better than that of water glass bonding agents coatings. The SEM morphology of the worn surface shown it belongs to abrasive wear.Keywords：self-fluxed alloy, induction remelting coatings, furnace remelting coatings，WC nickel base，abrasive wear目 录第一章 概论.11.1 课题背
6、景及意义.11.2 本课题及相关领域的国内外现状及发展.11.2.1 金属表面涂层强化发展现状.11.2.2 重熔方式简介.2 1.2.3 重熔涂层的研究现状及发展.41.3 主要研究内容.5第二章 实验方法.62.1 实验所用材料.62.1.1 自熔性合金粉末.6 2.1.2 实验所用自熔性合金粉末的基本特性.72.1.3 基体材料.72.1.4 冷涂涂层所用黏结剂材料.82.1.5 磨损实验所用试样.82.2 实验方法.82.2.1 预处理.82.2.2 涂层的预制备.82.2.3 炉内重熔.92.2.4 感应重熔.92.2.5 磨损实验.92.3 实验设备.10第三章 实验结果及分析.1
7、13.1 涂层磨损实验结果.113.1.1 涂层随时间变化的磨损曲线.113.1.2 涂层随载荷变化的磨损曲线.163.2 涂层磨损形貌分析.16第四章 结 论.18致谢.19附录.20参考文献.21第1章 概 论1.1 课题背景及意义表面工程技术是适应工业生产当中对于机件表面的特殊需求而产生的。因为对于在各种条件下使用的机械构件，无论是磨损还是腐蚀，大都是从机件的表面开始的，有的甚至仅表现在机件的表面上，所以，对机件表面进行必要的强化以防止磨损和腐蚀，就成为一件有意义的工作1。磨损是导致工程材料失效的主要原因之一，通过改善材料的耐磨性能来降低材料的损耗，一直是材料科学工作者非常关注的问题。利
8、用热喷涂技术在零件表面制备理想的涂层来提高其耐磨抗蚀性能是非常行之有效的方法。但涂层的耐磨粒磨损能力并不是一种固有特性，受到涂层的成分、制备工艺、工作条件、磨粒材料等多种因素的影响2。近年来，表面熔涂技术的发展很快，出现了很多相关技术和材料3-5。本课题的研究正是为了通过熔涂技术获得质量良好的涂层，提高涂层的致密性，涂层与基体的结合强度，对涂层的耐磨损性能进行测试。旨在通过对本课题的实验研究，希望对提高机械零件的可靠性和使用寿命，提高涂层的耐磨性，对实际生产中的节能、节材、降耗和提高经济效益具有一定的指导意义。1.2 本课题及相关领域的国内外现状及发展1.2.1 金属表面涂层强化发展现状2近2
9、0年来，表面工程技术获得了飞速发展。概括地讲，可以分为以下3类：(1) 化学热处理表面强化：如渗碳、渗氮、离子注入等；(2) 不改变表面化学成分的表面强化：如表面高频淬火、表面形变强化、激光热处理强化； (3) 表面涂层强化：如电镀、化学镀、喷涂、喷焊、激光熔涂、真空熔烧等。金属表面涂层的各项强化技术，依据涂层与基体金属的结合力，大致可以分为两大类：一类结合力较弱，如电镀和化学镀，其涂层与基体之间的结合力不是很强；再如各种喷涂方法，基体与涂层之间均属于机械结合，尽管结合力有强有弱，但终归为物理结合，在生产中许多要求承受较高载荷的场合不能使用；另一类结合力较强，通常形成了冶金结合。在进行涂敷时，
10、涂层熔化，涂层与基体之间有元素的相互扩散，喷焊（等离子喷焊、氧乙炔喷焊）、激光熔涂和真空熔烧均属于这一类。第一类方法对工件基体的影响小，因而在强化过程中不会引起或不易引起工件变形，但由于这类涂层与基体的结合力比较弱，因而不能承受载荷、不耐磨粒磨损和冲蚀磨损；另外，涂层也不能太厚，涂层越厚，结合力越弱，越容易在使用中脱落，涂层厚度的这种限制使之不能满足生产中许多情况下的需要；而且，由于喷涂涂层的孔隙率高，还使得涂层耐腐蚀性受到影响。第二类方法当中，氧-乙炔喷焊在工厂当中使用最为广泛。氧-乙炔火焰喷焊设备简单，宜现场操作。但是，第一，氧-乙炔火焰喷焊对基体的热影响非常大，不能用于对组织变化和形变要
11、求很小的场合，尤其不适合精确构件的磨损修复；第二，其对涂层材料的氧化烧损大，降低了涂层的使用性能；第三，由于其为手工操作，且操作条件差，因而受人为的因素影响大，质量不够稳定，往往会发生熔化不足、熔化不均或是过熔产生波纹甚至流动的情况，并且在大批量生产时生产效率低下。激光熔涂涂层有许多优良的性能，包括良好的冶金结合、细晶组织以及对基体的热影响小等。但由于激光设备造价高，且大功率设备现在还很难做到光束非常均匀和稳定；熔涂过程的自动控制程度低；熔涂涂层表面不够平整，后续加工量大；涂层易出现裂纹和孔洞等原因，使得激光熔涂还不能在工艺上形成范围广泛的工业应用。现在，激光熔涂主要用于一些高成本关键性部件的
12、小面积处理上。真空熔烧技术与基体也具有比较强的结合力，但也存在着其对基体的热影响大等问题。以上这些涂层强化技术都很难同时满足成本不高、热影响不大、结合力又强三个方面的要求。但是，近年来出于节约成本和减少维修、提高生产效率的需要，人们对于普通工件也要求提供质量高而成本不高的涂层。感应熔涂技术就是在这种背景下考虑的。1.2.2 重熔方式简介涂层重熔技术包括喷涂和重熔两个过程，这两个过程可以先后进行也可以同时进行。在喷涂过程中，粉末通过热源的加热，一般以半熔化状态沉积到工件上。重熔是粉末或喷涂层在工件上的熔融过程，是将喷敷到工件表面的疏松多孔的粉层加热到液-固相温度范围，使粉末中的硼硅元素发生脱氧反
13、应且润湿基材表面，形成与基材表面具有冶金结合且致密的涂层。重熔按加热方法有火焰重熔、炉内重熔、激光重熔和感应重熔等多种方式6。1.2.2.1 火焰重熔火焰重熔加热时，是从涂层表面开始向内部进行传导式加热的，最高温度在涂层表面。涂层表面氧化严重，结合层冶金质量较差7。由于火焰重熔设备简单，施工灵活，因而获得广泛应用。重熔时，应有足够的火焰能量，可采用大功率火焰重熔枪。由于火焰气体的保护性差，不宜使涂层在700以上停留过长，否则易使粉层和基材表面氧化，影响重熔层质量及结合性能。重熔时的火焰宜采用中性焰或微碳化焰。重熔温度与粉末熔点有关，通常在1000左右。当粉层逐渐升温变红，由粗糙变光滑并很快显示
14、镜子一样光亮，出现火焰倒影，即所谓“镜面反光”效应时（实质是覆盖在液-固相涂层金属表面的融熔状态的薄层熔渣），表明重熔温度已达到，此时火焰应离开。1.2.2.2 炉中重熔炉中重熔通常是在中性或还原性气氛中完成的，常用的气体有氢、氮、一氧化碳、煤气等。当喷涂工件较大时，因在炉中达到所需重熔温度的时间较长，为了缩短此时间，可将炉内温度预先升到重熔温度以上再将喷涂工件送入炉内。由于某些自熔性合金粉末的液-固相区间温度较小，故应严格控制炉内重熔温度,以防止液态涂层流淌。此外，也不宜在重熔温度保持过长时间，以防止重熔层与基材之间的过度扩散，降低涂层的硬度和耐蚀性。1.2.2.3 激光重熔激光熔覆是通过在
15、金属表面添加熔覆材料并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法，并在基材表面形成与其冶金结合的添料熔覆层8-9。用激光作重熔热源时，由于激光束能量密度大，对基材的热影响小，工件变形也小，因此能获得优良的喷熔涂层。但该工艺需要大功率激光源，故目前在实际生产中应用甚少。激光重熔工艺适用于小零件表面或中型、大型零件的边角处表面的喷熔。若激光重熔后的涂层厚度不足，需补喷粉末时，应将先前的喷熔涂层表面的薄层熔渣去掉，并预热至670-700，然后再喷粉、重熔，重复上述工艺，直到达到预定涂层厚度。1.2.2.4 感应重熔涂层感应重熔技术是在工件基体上预先制备合金涂层，然后利用感应线圈中的交变电磁
16、场在工件当中产生涡流，利用涡流产生的热量来达到使涂层熔化的目的。这一工艺方法在国际上是8O年代出现的10-11 。涡流的趋肤效应构成了感应加热的主要优势，使得热量可以集中在要求加热的区域内。由于可以使涂层熔化，所以涂层与基体的结合力强，可以用于需要承受载荷的场合；又由于热量集中在表层，所以对基体的热影响小。感应电流的大小与磁场强度和磁场变化频率有关。通常，频率越高，则涡流流过物体的表面层越薄，物体的加热深度也越浅。实际生产中，电源频率和设备功率可参照经验公式计算来确定。一般用来感应重熔的工件尺寸较大且涂层厚度都在0.8mm以上12。1.2.3 重熔涂层的研究现状及发展Ni60自熔性合金是发展最
17、早的典型自熔合金之一，它的组织性能曾广泛受到热喷涂界的研究及重视，但工作都是针对氧乙炔火焰重熔涂层或喷焊层的13。武汉交通科技大学船舶机械工程系的丁彰雄、刘正林研究了FNil5A，FNiWC35自熔性合金粉末喷焊层耐磨粒磨损的特性，结果表明，FNiWC35喷焊层比FNil5A喷焊层具有更优良的耐高应力磨粒磨损性能，但在低应力磨粒磨损中，它与FNil5A的相对耐磨性主要取决于磨粒的种类和硬度；对于同一种喷焊材料，氧乙炔喷焊层比等离子喷焊层具有更好的耐磨粒磨损性能；等离子喷焊层的耐磨性不仅与喷焊材料有关，而且在很大程度上取决于喷焊工艺14。洛阳工学院的王长生、罗美华、杨蕴林也研究了喷焊层的磨粒磨损
18、性能，指出在Ni60自熔性合金中加入适量的镍包WC粉末可明显提高喷焊层的抗磨粒磨损性能15。上海亿通宝特种粉末有限公司朱润生曾提到，涂层高频感应重熔是一种十分理想的重熔工艺技术。国外如：德国、美国等国家都有感应技术用于涂层重熔的报导，但未指明是中频感应加热还是高频感应加热。我国湖南省冶金材料研究所较早报导了自熔合金涂层中频感应加热重熔工艺技术的研究，并已得到了应用16。普通的感应重熔工艺是先在工件表面喷涂合金粉末，然后再进行感应重熔。这在一定程度上限制了该技术的应用范围。免喷涂感应重熔技术避免了粉末在飞行过程中的氧化及基材因受高温而发生的氧化。此外还可以减少合金粉末的浪费。从工艺的角度看，此方
19、法不仅免去了喷涂步骤，更重要的是对于小直径内孔壁或复杂曲面等部位，可以很容易的进行涂敷和重熔，因此具有实际应用价值17。目前，免喷涂感应重熔技术得到了很大发展，国内学者张增志首次研究了用黏结的方法制备预涂层，用高频感应进行熔涂的技术，该技术与涂层熔涂的传统技术相比，有熔涂速度快、界面结合力大、涂层质量优良、成本低、适于批量生产等优点。哈尔滨理工大学的逯允龙等人也研究了免喷涂感应熔涂工艺，是以铁基合金粉末为原料，添加一定比例的粘结剂和活性剂，冷涂于工件表面，结合感应重熔技术，获得了优良的表面合金涂层。并且由于免去了热喷涂工艺步骤，降低了生产成本，提高了熔涂效率。另外，添加活性剂明显缩短了开始熔化
20、时间，提高了涂层冶金质量。在技术性能方面一些学者指出：采用同种镍基合金粉末，感应熔涂涂层的表层硬度高于同种材料的氧-乙炔喷焊涂层和激光熔涂涂层的硬度。就表面形貌而言，感应熔涂涂层表面平整，明显优于激光熔涂涂层，也优于氧-乙炔喷焊涂层。感应熔涂涂层的后续加工量很少。感应熔涂涂层的耐磨性优于激光熔涂涂层和氧-乙炔喷焊涂层。同种镍基合金粉末，感应熔涂涂层的腐蚀速度明显低于氧-乙炔喷焊涂层和激光熔涂涂层18-19。总的来说，自熔性合金涂层感应重熔工艺可获得良好的涂层，提高了涂层的耐磨性，也改善了操作者的劳动环境。感应加热技术用于自熔性合金涂层重熔，是重熔工艺的一大进展，该工艺有很大的发展前景，在生产实
21、际中将得到广泛的应用。1.3 主要研究内容本课题主要研究的内容是自熔性合金感应重熔涂层的磨损性能，具体内容包括以下几个方面：(1) 重熔涂层的磨损曲线分析。(2) 重熔涂层的磨损形貌分析。(3) 涂层制备工艺和磨损性能之间的关系。第2章 实验方法2.1 实验所用材料2.1.1 自熔性合金粉末自熔性合金粉末是指在镍、钴、铁、铜基合金中加入能形成低熔点共晶体的合金元素而形成的一系列粉末材料。这种合金粉末在高温下，合金元素之间会发生冶金化学反应，放出大量热量，因而具有自熔性2。本实验所用的自熔性合金粉末为Ni60和Ni60+WC25粉末。表2.1 Ni60合金粉末化学成分（质量分数/%）CCrBSi
22、FeNi0.51.115203.04.54.06.015其余Ni60+WC25粉末是在Ni60粉末中加入了25%的WC。Ni60和Ni60+WC25粉末粒度均为140325目。2.1.1.1 硼和硅在自熔性合金中的作用硼和硅都能与镍形成低熔点共晶体，使合金的熔点显著下降。硼和硅与氧有很强的亲和力，能还原周围金属氧化物且所生成的氧化物密度小、黏度小、流动性好，极易浮于熔池表面，即所谓的脱氧造渣。除此之外，硼、硅元素对镍有固溶强化和沉淀硬化作用以及改善合金工艺性能的作用。2.1.1.2 碳在自熔性合金中的作用碳在镍中的固溶度很小。碳能与铬形成硬质相碳化物，提高合金涂层的硬度和耐磨性。2.1.1.3
23、 铬在自熔性合金中的作用铬与镍形成完全固溶体，起固溶强化的作用，同时也使固溶体电位增高，起到钝化防腐蚀的作用。富余的铬容易与合金中的碳和硼形成碳化铬和硼化铬硬质相，提高合金的硬度和耐磨性。2.1.1.4 碳化钨在自熔性合金中的作用碳化钨颗粒弥散在自熔性合金中，显著地提高了合金的硬度和耐磨性，同时使合金具有很好的红硬性和抗氧化性。2.1.2 实验所用自熔性合金粉末的基本特性2.1.2.1 熔点低镍基自熔性合金的熔点：9501100（纯镍熔点为1450）含WC型自熔性合金的熔点：9601250（WC熔点2870）本实验所用的Ni60和Ni60+WC经CRY-2P 型差热分析仪测量分析后的熔点分别为
24、980和978。2.1.2.2 自脱氧造渣自熔性合金粉末的熔化过程是一个特殊的冶金过程，熔化时来自空气中的氧会不断地侵入熔化的金属，使之生成各种氧化物。这些氧化物应及时从熔化金属中排出。自熔性合金粉末中含有一定量的硅和硼，由于硼与氧的亲和力高于镍与氧的亲和力，因此硼能还原镍的氧化物而生成氧化硼。氧化硼的熔点很低（约450），可是黏度很大，它不容易浮出熔化金属表面，而硅又是另一种较好的自熔性元素，硅不但能还原镍的氧化物而生成氧化硅，而且氧化硅又可以与氧化硼一起生成黏度小的硅酸硼溶剂，并与其它金属化合物一起形成硼硅酸盐玻璃渣，浮出熔化金属表面，完成脱氧造渣过程20。2.1.2.3 多种强化相组织结
25、构与通常的单金属组织结构比较，自熔性合金的组织结构比较复杂，它具有多种强化相组织结构。主要强化相如下：固溶体强化相：镍基自熔性合金主要是硅在镍中的固溶体。化合物强化相：自熔性合金的组分较多，各种组分间发生化学反应就组成了各种化合物。各种自熔性合金中主要形成的化合物强化相如下：硼化物：Cr2B、Cr2B5、CrB、Cr5B3、Cr3B4、CrB2、Ni3B、NiB2；碳化物：Cr7C3、Cr3C2、Cr3C6、WC、W2C、(FeCr)23C6。上述各种化合物强化相均是自熔性合金的高硬质点，显著地提高了自熔性合金的硬度和耐磨性。2.1.3基体材料基体材料为45钢。试样为10mm10mm和24mm
26、25mm的圆柱体棒料。2.1.4冷涂涂层所用黏结剂材料涂层所用的黏结剂为焊条的药皮黏结剂硅酸钠水玻璃和松香。2.1.5 磨损实验所用试样上试样为5mm18mm的销样，下试样为贴有砂布的34mm的盘样，砂布规格为120号的Al3O2砂布。2.2实验方法2.2.1 预处理熔涂件表面预处理要达到以下3个目的12：(1) 粗化表面：使被熔涂表面具有一定的粗糙度，以利于粉料与基材表面的镶嵌、填塞作用。(2) 净化表面：去除被熔涂表面的各种杂物，特别是油污，以利于熔融粉粒与基材表面的润湿和冶金结合。(3) 活化表面：使被熔涂表面形成活化能力，如晶格缺陷、塑性变形，产生一定的应力状态，以利于粉粒与基材表面快
27、速融合。预处理是表面熔涂的第一步，也是非常重要的一步，一个纯净粗糙的金属表面能大大提高与涂层的结合力，还能提高涂层的质量。预处理的工艺步骤如下：2.2.1.1 表面预加工用砂轮或砂纸对被涂表面进行打磨，除去被涂表面的氧化层、疲劳层，净化、粗化工件表面，并使表面平整以使涂层厚度均匀。2.2.1.2 清洗用丙酮清洗待涂表面的油污及杂质，以免影响重熔涂层的质量。2.2.2 涂层的预制备本实验是用黏结剂将自熔性合金粉末直接冷涂在基体上，经烘干后进行重熔。实验所用的黏结剂为焊条的药皮黏结剂硅酸钠水玻璃和松香。实验所用烘干设备为真空干燥炉，烘干温度为185，时间为30min。2.2.3 炉内重熔本实验是在
28、真空钎焊炉中进行炉内重熔，重熔温度为960，保温时间为5 min。2.2.4 感应重熔本实验选用透入式加热重熔镍基合金涂层，涂层厚度控制在1 mm左右，因为过分加大将引起较大应力，并且界面温度偏低，界面反应滞后，影响结合效果。实验所用加热设备的频率在3035kHz之间。由于感应加热速度非常快，难以准确控制加热温度。本实验通过加热时间来控制加热温度，加热时间控制在2030s之间。2.2.5 磨损实验2.2.5.1 磨损实验方案本实验在MPX-2000型的销盘式摩擦磨损实验机进行，实验简图如图2.1所示：将砂纸或砂布装在金属圆盘上，作为实验机的磨粒。试样做成销钉式，用一定的载荷压在圆盘砂纸上，试样
29、涂层表面与圆盘砂纸接触。圆盘转动时试样沿圆盘的径向作直线运动。经一定摩擦行程后测定试样的失重量， 图2.1 销盘式磨粒磨损实验简图即涂层的磨损量。 1垂直轴 2金属圆盘 3砂布 4试样 5夹具 6载入砝码实验条件为常温、常压、干态下的磨料磨损，本实验主要研究涂层、磨损时间、载荷之间的关系。具体实验方案如下：(1) 选取所加载荷一定（20N），转速为549转/分时，研究不同重熔涂层及T10钢淬火试样（硬度为6063HRC）随时间变化的磨损量；(2) 选取磨损时间一定（5min），转速为549转/分时，研究不同载荷涂层的磨损量。实验中试样经砂轮磨平、丙酮清洗、称重后进行磨损实验，试样每磨1分钟后更
30、换Al2O3砂布，并对试样用丙酮清洗、风干后在电子分析天平上称重，用称重法测量磨损量，并绘制磨损曲线，分析涂层的磨损性能。2.2.5.2 耐磨性及其检测方法21耐磨性是指材料抵抗磨损的性能，通常用磨损量表示。磨损量越小，耐磨性越高。磨损量的测量有称重法和尺寸法两种。称重法是用精密分析天平称量试样试验前后的质量变化确定磨损量。尺寸法是根据表面法向尺寸在试验前后的变化确定磨损量。涂层的耐磨性检测方法有：橡胶轮磨粒磨损试验、销盘式磨粒磨损试验、摩擦磨损试验、冲蚀磨损试验、疲劳磨损试验。2.3实验设备本实验采用CRY-2P型差热分析仪对自熔性合金Ni60和Ni60+WC的熔点进行分析；采用真空干燥炉对
31、冷涂涂层进行烘干处理；采用真空钎焊炉对涂层进行炉内重熔；采用东风工艺研究所的感应加热设备对涂层进行感应重熔；采用MPX-2000型的摩擦磨损实验机对涂层进行磨损实验；采用AG204型电子分析天平对磨损试样进行称量。金相组织分析设备包括：金相显微镜（XJP-100型）、Neophot-32型金相显微镜和Omnimet图像分析系统。采用数显显微硬度计（MH-5型）对试样进行显微硬度测试分析；采用扫描电镜对磨损表面形貌进行分析。第3章 实验结果及分析3.1 涂层磨损实验结果对前述实验方案和实验参数（冷涂涂层所用黏结剂为水玻璃和松香，涂层烘干温度为185，炉内重熔温度为960，保温时间为5min，感应
32、重熔频率为3035KHZ，加热时间为2030S）下的重熔试样进行磨粒磨损实验，得出的磨损实验结果如下：3.1.1涂层随时间变化的磨损曲线选取所加载荷一定（20N），转速为549转/分时，分析不同重熔涂层及T10钢淬火试样（硬度为6063HRC）的磨损量与磨损时间的关系，主要考虑合金粉末、重熔方式、黏结剂对重熔涂层磨损性能的影响。3.1.1.1 不同合金粉末重熔涂层与T10钢淬火试样的比较用水玻璃作黏结剂的冷涂涂层Ni60和Ni60+WC，经感应加热后的重熔涂层与T10钢淬火试样（硬度为6063HRC）的磨损量随磨损时间的变化曲线如图3.1所示：图3.1 不同合金粉末随时间变化的磨损曲线由图3.
33、1可以看出，重熔涂层的耐磨性比T10钢淬火试样的耐磨性要高很多，Ni60+WC感应重熔涂层的耐磨性要高于Ni60重熔涂层，T10钢淬火试样的磨损率较大，而重熔涂层的磨损率较小。随磨损时间的增长，涂层的磨损量逐渐增加，T10钢淬火试样与重熔涂层磨损量的差距也越来越明显。重熔涂层之所以具有这么高的耐磨性与其组织是有关系的，根据前人的研究，涂层的组织主要是在Ni的固溶体上分布着块状组织、碳化物及硼化物硬质相。同时，Cr的主要形态为碳化物和硼化物，这使涂层有丰富的耐磨相，成为涂层具有良好耐磨性的基础2。Ni60+WC感应重熔涂层的耐磨性高于Ni60重熔涂层，这是因为Ni60合金粉末中加入WC后，涂层中
34、增加了WC块状耐磨相，使得涂层的耐磨性有所提高。机械零件正常运行过程中的磨损，一般可分为三个阶段21：(1) 跑合阶段（也称磨合阶段）开始运行时，原始的新的摩擦副表面具有一定的粗糙度，真实接触面积较小。经过短时间跑合后，表面微凸体逐渐磨平，真实接触面积逐渐增大，磨损速率减慢且趋于稳定。(2) 稳定磨损阶段这一阶段属于正常磨损，磨损比较缓慢和稳定。(3) 剧烈磨损在这个阶段，磨损表面状态发生变化或因存在着硬颗粒，使磨损速率急剧增长。由图3.1还可以看出，T10钢淬火试样的磨损曲线基本符合正常磨损过程的三个阶段，即磨损跑合阶段(13min)、稳定磨损阶段(39min)、剧烈磨损阶段(916min)
35、，Ni60感应重熔涂层的磨损曲线也符合正常磨损过程的三个阶段。由曲线可以看出，磨损跑合阶段时间比较短，而稳定磨损阶段的时间较长，这正好与涂层的磨损实验条件对应，因为涂层在进行磨损实验前，用砂纸对其端面进行了磨平处理。分析图3.2Ni60感应重熔涂层的组织可以看出，涂层从底部到顶部分布着一些针条状组织，涂层靠近基体的部位针条状稠密，往涂层中部至顶部逐渐稀疏，到顶部存在着一些块状组织，且组织趋于均匀化。根据电磁学分析，黏结涂层界面处的涡流较大，即底层温度较高，处于熔融态时段较长，相比之下，顶部的温度低，再加上与外部空气接触，冷却速度快，因而非晶组织多，组织均化2。而由图3.3可以看出，Ni60+W
36、C感应重熔涂层中存在着较大的块状物。文献22根据Ni60+WC25涂层中块状物的X射线能谱分析认为块状物为单相组织。 图3.2 Ni60感应重熔涂层组织形貌 图3.3 Ni60+WC感应重熔涂层组织形貌由图3.4Ni60感应重熔涂层的组织可以看出，涂层中存在着树枝晶组织，根据文献23认为这是Ni、Cr、Fe、Si的固溶体。涂层顶端有部分脱落的硬质颗粒，可能是由于制样时用力过大的原因，涂层中部存在许多细小弥散的硬质相，涂层底部也分散着少数硬质颗粒，可能是由于预处理时，砂轮打磨的不太均匀，粗化效果不太好。涂层过渡层为富Ni的Fe基固熔体24。图3.4 Ni60感应重熔涂层组织形貌由后续分析的重熔涂
37、层截面的显微硬度也可以看出，Ni60+WC感应重熔涂层的显微硬度稍高于Ni60感应重熔涂层，这与其耐磨性能的比较也刚好相符。3.1.1.2 重熔方式对涂层磨损性能的影响用水玻璃作黏结剂的冷涂涂层Ni60+WC，经炉内重熔和感应重熔后的磨损量随磨损时间的变化曲线如图3.5所示：图3.5不同重熔方式的涂层磨损曲线由图3.5可以看出，感应重熔涂层的耐磨性高于炉内重熔涂层，且炉内重熔涂层的磨损率较大，而感应重熔涂层的磨损率较小，随磨损时间的延长，其磨损量的差别越来越明显。这是因为感应重熔的加热速度快，材料的氧化烧损少，且涂层组织的晶粒较细，基体的热影响也小。由图3.6和图3.7Ni60+WC炉内重熔和
38、感应重熔的显微组织可以看出，重熔涂层中均存在着块状硬质相，涂层和基体间还出现了一条白亮带，这是涂层和基体元素相互扩散的结果，说明涂层和基体呈现了良好的冶金结合2。炉内重熔界面的白亮带比感应重熔宽，这是因为炉内重熔的加热时间较长，涂层和基体元素有较长的时间发生扩散作用。比较Ni60+WC炉内重熔和感应重熔的显微组织还可以看出，炉内重熔的组织晶粒比感应重熔要大，且炉内重熔涂层中存在着较多的孔洞，涂层中的块状硬质相均呈现凸起状。 图3.6 Ni60+WC炉内重熔 图3.7 Ni60+WC感应重熔比较图3.8Ni60+WC感应重熔和炉内重熔涂层的显微硬度也可以看出（涂层的显微硬度采用显微硬度计（MH-
39、5型）进行测量，所加载荷为100gf，保压时间为15s），感应重熔涂层截面的显微硬度比炉内重熔涂层要高出很多，这进一步说明了感应重熔涂层要比炉内重熔涂层耐磨。图3.8 涂层截面显微硬度分布曲线感应重熔涂层的显微硬度呈现抛物线状，波动很大，由涂层的组织可以看出，涂层顶部分布的块状物较少，涂层中部分布着较多的块状相，而涂层底部靠近基体处不存在块状相，这与涂层截面显微硬度曲线也相符。涂层最高硬度在距表面400500um处，最高显微硬度值为1850HV左右，这可能是由于测头压在硬的第二相质点所致，因为Ni60+WC重熔涂层中存在着弥散分布的块状物，其硬度异常的高，超过2000HV。基体的显微硬度在25
40、0HV左右，涂层显微硬度比基体要高出许多；炉内重熔涂层的显微硬度比较低，涂层从表面到基体的显微硬度分布呈梯度降低，最高显微硬度约为500HV，这可能与炉内重熔保温时间较长使晶粒及第二相质点长大有关。 3.1.1.3 黏结剂对涂层磨损性能的影响用不同黏结剂（水玻璃和松香）冷涂Ni60合金感应重熔涂层的磨损曲线如图3.9所示：图3.9不同黏结剂重熔涂层的磨损曲线由图3.9可以看出，用松香作黏结剂的感应重熔涂层的耐磨性较高，随磨损时间的延长，其磨损量的差别也越来越明显，磨损时间达到16min时，用水玻璃作黏结剂的涂层其磨损量大约为用水玻璃作黏结剂涂层的两倍。分析原因可能是因为松香的耐高温性能好，对涂
41、层无损害作用，与自熔性合金粉末混合后，使涂层的电阻率随温度的升高大大降低，使得电流尽可能集中在涂层，提高了涂层的质量2。同时，用水玻璃作黏结剂的涂层，在加热时水玻璃容易分解产生气泡，使涂层中容易存在气泡、夹杂等缺陷。3.1.2 涂层随载荷变化的磨损量选取磨损时间一定（5min），转速为549转/分时，用水玻璃作黏结剂的冷涂涂层Ni60和Ni60+WC，经感应重熔后的磨损量与载荷间的关系如图3.9所示：图3.9 不同载荷下涂层的磨损曲线由图3.9可以看出，随载荷量的增加，重熔涂层的磨损量逐渐增大，Ni60感应重熔涂层的磨损率逐渐减小，而Ni60+WC感应重熔涂层的磨损率逐渐增大，且可以看出，Ni
42、60感应重熔涂层的磨损量大约为Ni60+WC感应重熔涂层磨损量的四倍，这也进一步说明了Ni60+WC重熔涂层的耐磨性高于Ni60重熔涂层。3.2 涂层磨损形貌分析重熔涂层磨损表面的SEM形貌如图3.10所示： (a) T10钢淬火试样 (b) Ni60+WC感应重熔 (c) Ni60感应重熔 (d) Ni60真空重熔 (e) Ni60+WC真空重熔 (f) Ni60感应重熔(60N)图3.10 重熔涂层磨损表面的SEM形貌由图3.10 (a)试样表面的磨痕形貌可以看到许多平行的条痕和沟槽，这些沟槽是由于磨粒对摩擦表面产生的微切削作用、塑性变形和疲劳破坏产生的，这是磨料磨损形貌的主要特征。磨粒对
43、摩擦副表面作用的力分为法向力和切向力，法向力在表面形成压痕，切向力推动磨粒向前进，当磨粒形状与位向适当时，被推进的磨粒似刀具切削表面，切痕长而浅。多数情况摩擦表面受剪切、犁皱或切削综合作用21。由图3.10 (b) Ni60+WC感应重熔涂层的磨损形貌可以看出，磨痕中也存在着条痕和沟槽，而且还存在着很多白亮色块状物，这是因为涂层中分布着块状WC，起到弥散强化的作用，提高了涂层的硬度。在磨损过程中，增加了抗粘着磨损的能力，增强了涂层的抗流变和犁削能力，磨损过程中涂层不易脱落，但随涂层磨损的加剧，凸起的WC颗粒在磨损过程中起到支撑负荷的作用，有的WC颗粒会被磨断、脱落，在磨损表面形成凹坑。由图3.10 (c)和(f)可以看出，Ni60感应重熔涂层的磨损形貌中存在沟槽和孔洞，这说明重熔涂层中存在着气孔等缺陷。图3.10 (d)和(e)