１前言在工况恶劣的农业机械，矿山机械等行业中，常常要求零件表面具有耐磨、耐蚀等特殊性能。 堆焊、热喷涂、硬质合金镶块等表面改性方法已在这些行业中得到较大应用。但这些涂覆工艺存在 一些不足之处，热喷涂的涂层厚度受到一定限制（０．２—０．６ｍｍ），并且涂层与基体是机械 结合，结合强度不高（３０—５０ＭＰａ）［１—４］。堆焊过程中基体受热不均，温度梯度大， 容易引起较大焊接残余应力及变形，焊后表面粗糙，机械加工量大［５］；硬质合金镶块法的表面 耐磨性不均质，且焊接时容易产生裂纹，涂层使用寿命短。本文提供的（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢ Ｓｉ）耐磨钎焊涂层克服了上述方法的不足，成功地应用到了石油钻探工业中的螺杆钻具上。该方 法制备的涂层具有较高的表面光洁度（相当于精铸表面），焊后机械加工量小，且可在不同形状的 金属表面（包括平面、曲面、螺旋面等）上制造涂层，在矿山开采，石油钻探工业中具有较广阔的 应用前景。２实验材料及过程基体材料为４５＃钢；涂层中硬质点为ＷＣ－Ｃｏ颗粒，钎焊合金为 ＮｉＣｒＢＳｉ合金粉（ＡＷＳＢＮｉ－２）。磨损试验对比样品为Ｃｏ－Ｃｒ－ｗ堆焊合金和（ ＸＥ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）火焰堆焊层。钎焊前，首先分别将ＷＣ－Ｃｏ粉、ＮｉＣｒＢＳｉ 合金粉与少量有机连接物混合，经过轧制工艺制备成具有良好柔性的金属布（见图１）。然后按基 体材料表面形状和尺寸将柔性金属布裁剪成与之相配的尺寸，并分成贴装到基体表面（见图示２） 。最后将装配好的试件放入真空炉中，按预定的钎焊工艺焊接。图１柔性金属布宏观照片图２焊前 装配示意图３实验结果与分析３．１（ＷＣ┐Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）涂层结合性能及结合机制涂 层的结合性能主要包括两方面，一是涂层自身的结合强度，二是涂层与基体间的结合强度。涂层拉 伸试样是通过线切割首先将厚为２．５ｍｍ的涂层从基体上切下，然后再加工成拉伸小试样，在Ａ Ｇ－５０００Ａ试验机上进行拉伸。焊后涂层与基体间依靠ＮｉＣｒＢＳｉ钎缝连接，涂层／基体 连接强度实际是ＮｉＣｒＢＳｉ钎焊合金形成的钎缝的强度，故采用ＮｉＣｒＢＳｉ钎焊４５＃钢 对接标准拉伸棒，模拟涂层／基体间钎缝连接强度，再进行拉伸试验。涂层性能数据见表１。由表 １可见，不同工艺下涂层自身的结合强度可达１００—１４０ＭＰａ，涂层与基体间的结合强度可 达３００—３６０ＭＰａ，远高于热喷涂法获得的涂层的结合强度。当钎焊工艺变化时，涂层的结 合性能变化不大，说明涂层结合强度对钎焊工艺不敏感，有利于涂层质量的控制。表１不同钎焊工 艺下，涂层及涂层／基体结合强度钎焊工艺（℃×分）１０４０×１０１０６０×１０１０６０× ２０１０８０×１０１１００×１０强度（ＭＰａ）涂层１２１１３６１０６１４６……涂层／基 体３３２３１２３６１……３６７钎焊过程中，随着炉中温度的升高，金属布中的有机连接物首先 发生燃烧或升华，温度升高到钎焊合金熔点（９８０℃）时，ＮｉＣｒＢＳｉ钎焊合金开始熔化， 温度继续升高时，液态的钎料向硬质点ＷＣ－Ｃｏ层渗流并润湿硬质合金粉，同时液态钎料也向涂 层／基体间界铺展，高温保温期间，液态ＮｉＣｒＢＳＩ与ＷＣ－Ｃｏ及基体发生界面冶金扩散， 冷却后形成钎焊涂层。图３焊后涂层及涂层／基体微观组织形貌ａ）涂层ｂ）涂层／基体图３为焊 后涂层微观组织形貌，涂层结构与建筑中水磨石地面十分相似，图中白色颗粒为硬质合金，相应于 水磨石地面中的“石子”，颗粒间为钎焊合金（黑区），相当于水磨石中的“水泥”。整个涂层中 ＷＣ－Ｃｏ分布均匀，且仍保持了焊前的棱角形状，这说明在钎焊过程中，ＷＣ不会发生严重分解 。而在堆焊及热喷涂工艺中常常因高温使ＷＣ颗粒发生严重分解，影响涂层耐磨性。图３（ｂ）为 涂层／基体横截面照片，由图可见，涂层与基体间形成了一条明显的钎焊缝（ＮｉＣｒＢＳｉ钎缝 ）。同时液态合金向基体渗流时，将细小的ＷＣ粉带到涂层／基体界面处，形成了一层由极细小的 ＷＣ构成的过渡层。真空钎焊过程中，基体与涂层受热均匀，并且硬质合金颗粒之间由韧性较好的 ＮｉＣｒＢＳｉ钎料构成，有效地避免了热喷涂、堆焊过程中因不均匀温度场产生的残余应力，减 少了焊后涂层中裂纹产生率。３．２不同Ｃｏ含量下，（ＷＣ┐Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）钎焊涂层 磨损性能及磨损机制涂层磨损实验在ＭＬＳ－２３型湿砂橡胶轮式磨料磨损实验机上进行，并以Ｃ ｏ－Ｃｒ－Ｗ堆焊层及（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）火焰堆焊层作为对比样品，磨料为５０— ７０目石英砂，磨损量用失重表示。图４、图５分别为不同Ｃｏ含量（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳ ｉ）涂层磨损失重及相对耐磨性，涂层的磨损失重随涂层中钴含量增加而增加。钎焊涂层相对耐磨 性明显高于Ｃｏ－Ｃｒ－Ｗ堆焊层及（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）火焰堆焊层（图５）目前， 该钎焊涂层已在石油开采工业中螺杆钻具贴面轴承上得到应用。图４不同Ｃｏ含量下，钎焊涂层失 重图５不同钴含量下，钎焊涂层相对耐磨性包覆在ＷＣ表面的Ｃｏ主要是改善ＮｉＣｒＢＳｉ钎料 对ＷＣ硬质合金粉的润湿性。微观分析表明：焊后包覆在ＷＣ表面的Ｃｏ全部溶入了合金中，使涂 层中合金的显微硬度降低（表２），同时涂层的ＨＲＣ也下降。在磨料磨损中，材料的硬度是影响 耐磨性的主要因素，一般硬度越高，涂层抗磨料磨损性越好［６］。可见，包覆在ＷＣ表面的Ｃｏ 对提高涂层耐磨性不利。采用火焰堆焊（ＷＣ－１７Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）时，由于火焰温度高 ，使ＷＣ发生了严重分解，涂层中有较多气孔，ＷＣ分布不均，表面成型差，故其耐磨性不如真空 钎焊涂层好。表２不同Ｃｏ含量下，（ＷＣ┐Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）钎焊涂层硬度Ｃｏ含量（ｗ ｔ％）０４１３１７涂层的ＨＲＣ６８．３６７．４６３．３６１．３涂层中ＮｉＣｒＢＳｉ的Ｈ Ｖ９８６８５８８２３７５６图６磨损样品表面形貌（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）钎焊涂层中 ，ＷＣ硬质合金颗粒的显微硬度（ＨＶ１６００－１７００）高于ＮｉＣｉＢＳｉ钎焊合金的显微 硬度（ＨＶ７５０－９５０）。在磨料磨损过程中，磨料首先犁去较软的ＮｉＣｒＢＳｉ合金，在 ＮｉＣｒＢＳｉ合金中会产生明显的犁沟。当磨料碰到ＷＣ颗粒时，由于ＷＣ显微硬度很高，犁沟 中断（图６ａ）。随着ＮｉＣｒＢＳｉ合金不断磨损，裸露出ＷＣ硬质合金颗粒，图６ｂ中，可明 显看到ＷＣ颗粒边缘的ＮｉＣｒＢＳｉ合金被犁去，颗粒右上角出现空穴，裸露的ＷＣ颗粒在磨料 的挤压推动下翻滚并被刨离出涂层。另外，在磨料的反复擦划、挤压下，硬质合金颗粒上会出现裂 纹，最终导致破碎而被犁去。４结论１（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）钎焊涂层表面成型好，焊 后机械加工量小，可在复杂形状的零件表面制备厚涂厚（０．５—５．０ｍｍ）。２（ＷＣ－Ｃｏ ／ＮｉＣｒＢＳｉ）钎焊涂层结合性能高，涂层自身结合强度可达１００—１４０ＭＰａ，涂层／ 基体间结合强度达３００—３６０ＭＰａ。３（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）钎焊涂层抗磨损性 能明显高于Ｃｏ－Ｃｒ－Ｗ堆焊层及（ＷＣ－１７Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）火焰堆焊层的耐磨性。 (WC-Co/NiCrBSi)钎焊涂层结合机制及磨损性能研究@陆善平@郭义@陈亮山$中 国科学院金属研究所钎焊涂层；结合机制；耐磨性采用真空钎焊工艺，将ＷＣ－Ｃｏ硬质合金粉和 ＮｉＣｒＢＳｉ（ＡＷＳＢＮｉ－２）合金粉钎焊到４５＃钢表面，得到（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒ ＢＳｉ）钎焊涂层。不同钎焊工艺下，涂层及涂层／基体的拉伸强度分别达１００—１４０ＭＰａ 和３００－３６０ＭＰａ。初步分析了钎焊涂层结合机制。涂层的磨料磨损性能远高于同配比的火 焰堆焊涂层及Ｃｏ－Ｃｒ－Ｗ堆焊层［１］Ｔ．Ｃ．Ｎｅｒｚ，Ｊ．Ｅ．Ｎｅｒｚ，Ｂ．Ａ．Ｋｕ ｓｈｎｅｒ，［Ｊ］Ｓｕｒｆａｃｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９３，９（３）：２１３—２ ２０［２］Ａ．ＫａｒｉｍｉａｎｄＣｈ．Ｖｅｒｄｏｎ，［Ｊ］Ｓｕｒｆａｃｅａｎｄｃｏａｔ ｉｎｇｓｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９３５７：８１—８９［３］陈学定、韩文政，表面涂技术 ［Ｍ］（北京：机械工业出版社，１９９４）２２５，１８４［４］王震林、韩勇，金属热喷涂技 术及其应用，［Ｍ］北京：纺织工业出版社，１９８９，５［５］周振丰、张文钺，焊接冶金与金 属焊接性，［Ｍ］，北京，机械工业出版社，１９８８，４４０［６］张清，金属磨损和金属耐磨 材料手册［Ｍ］，北京，冶金工业出版社，１９９１，４９在ＷＣ表面的Ｃｏ主要是改善ＮｉＣｒ ＢＳｉ钎料对ＷＣ硬质合金粉的润湿性。微观分析表明：焊后包覆在ＷＣ表面的Ｃｏ全部溶入了合 金中，使涂层中合金的显微硬度降低（表２），同时涂层的ＨＲＣ也下降。在磨料磨损中，材料的 硬度是影响耐磨性的主要因素，一般硬度越高，涂层抗磨料磨损性越好［６］。可见，包覆在ＷＣ 表面的Ｃｏ对提高涂层耐磨性不利。采用火焰堆焊（ＷＣ－１７Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）时，由于 火焰温度高，使ＷＣ发生了严重分解，涂层中有较多气孔，ＷＣ分布不均，表面成型差，故其耐磨 性不如真空钎焊涂层好。表２不同Ｃｏ含量下，（ＷＣ┐Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ）钎焊涂层硬度Ｃ ｏ含量（ｗｔ％）０４１３１７涂层的ＨＲＣ６８．３６７．４６３．３６１．３涂层中ＮｉＣｒ ＢＳｉ的ＨＶ９８６８５８８２３７５６图６磨损样品表面形貌（ＷＣ－Ｃｏ／ＮｉＣｒＢＳｉ） 钎焊涂层中，ＷＣ硬质合金颗粒的显微硬度（ＨＶ１６００－１７００）高于ＮｉＣｉＢＳｉ钎焊 合金的显微硬度（ＨＶ７５０－９５０）。在磨料磨损过程中，磨料首先犁去较软的ＮｉＣｒＢＳ ｉ合金，在ＮｉＣｒＢＳｉ合金中会产生明显的犁沟。当磨料碰到ＷＣ颗粒时，由于ＷＣ显微硬度很高，犁沟中断（图６ａ）。随着ＮｉＣｒＢＳｉ合金不断磨损，裸露出ＷＣ硬质合金颗粒，图６ｂ中，可明显看到ＷＣ颗粒边缘的ＮｉＣｒＢＳｉ合金被犁去，颗粒右上角出现空穴，裸露的ＷＣ颗粒在磨料的挤压推动下翻滚并被刨离出涂层。另外，在磨料的反复擦划、挤压下，硬质合金颗粒
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