真空烧结铁基耐磨涂层的制备工艺.doc

真空烧结铁基耐磨涂层的制备工艺及组织摘要:本文采用真空烧结法制备铁基耐磨涂层，其工艺大致为：在45钢基体上涂覆铁基自熔性合金粉，并添加一定比例的硬质相颗粒WC，然后在真空烧结，得到硬质涂层。并且分析了所制备的涂层组织、性能及与基体间的界面结合状况。结果表明：涂层与基体之间具有良好的结合特性。观察维氏硬度以及金相组织结构的变化规律，并通过对涂层的X-射线能谱分析以及扫描电镜（SEM）分析了一种新型真空熔结铁基合金涂层的组织结构。铁基合金涂层是以高铬铸铁为粘结相、以大颗粒WC相为硬质相的材料；WC相的体积分数约70%，粘结相是以奥氏体为基体、其中分布有针状相、针状相和粒状相。关键字: 真空烧结；铁基合金涂层；组织结构Vacuum sintering iron-based wear-resistant coating of the preparation and organizationAbstract: In this study,the high performance wear-resisting coating with Fe-based alloy prepared by the method of vacuum sintering were researched.After painted on the were sintered of 45 steel,the alloy powders that mixed with the hard phase,such as WC,were sintered in the vacuum,and a ood property ard coating was obtained.The microstructure,hardness and the interface between the coating andsubstrate were researched thoroughly. The resuits show that the coating combines on the substrate very well.Observe Vickers hardness and metallographic organization chart, and through the two aluminum alloy X-ray energy spectrum analysis and scanning electron microscopy (SEM) analysis. The microstructure of a new vacuum melting Fe-base alloy coating has been studied.The Fe-base alloy coating is a metal-matrix composite which is composed of high chromium cast iron matrix phase and big particle phase WC of about 70% WC volume fraction.The matrix phase is a solid solution in which phase and phase distribute evenly.Keywords: Vacuum meiting;Fe-base alloy coating ;microstructure目录摘要:IAbstractII1 绪论11.1 选题和研究课题的意义11.2 国内外研究现状和发展趋势21.3 真空烧结基本原理31.3.1 界面元素互扩散与冶金结合的形成31.3.2 浸润性与界面元素互扩散的关系31.3.3 浸润性与熔结涂层连续性的关系41.4 真空熔结的适用范围与应用41.4.1 真空熔结工艺的应用功能41.4.2 真空熔结涂层的适用范围51.5 本文主要研究内容62 实验材料的选择与处理工艺研究72.1 真空熔结涂层的材料和性质72.1.1 元素金属粉72.1.2 合金粉72.1.3 表面硬化合金82.2 真空熔结工艺82.3 各种烧结方法92.4 真空烧结涂层工艺特性92.5 熔结工艺对基体强度的热影响103 实验设备材料和研究方法113.1 实验设备113.2 实验材料113.3 组织分析方法123.3.1 X射线衍射分析123.3.2 扫描电镜分析123.4 实验结果讨论123.4.1 碳化钨涂层的显微组织123.4.2 X-射线能谱分析203.4.3 SEM分析233.4.4 铁基耐磨涂层的硬度及讨论253.5 本章小结254 结论26参 考 文 献27致 谢28III江苏工业学院本科生毕业论文1 绪论1.1 选题和研究课题的意义 早在20世纪40年代，美国就发表了用火焰或加热炉来熔结处理火焰喷涂的NiCrBSi合金涂层，使之致密化并与基体结合牢固的方法。自此以后，熔结工艺逐步发展成为独立的涂层工艺。20世纪50年代末期，苏联列宁格勒硅酸盐研究所在早先熔结玻璃陶瓷涂层的基础上，进而用氩气炉熔结MoCrSi和MoSiB等合金涂层。国内冶金部钢铁研究总院于1959年，开始用真空感应炉和真空钼丝炉层的研究玻璃陶瓷熔结涂层，并展开了NiMoSi、NiCrBSi和CoCrW等真空熔结合金涂层的研究工作，逐步在高温抗氧化、抗热腐蚀和耐磨方面完成了与航空、火箭相关的一些科研项目。1962年，中科院上海硅酸盐研究所开展WMoBSi系列熔结合金涂层的研究工作。20世纪80年代初，清华大学和装甲兵军事工程学院应用我们研究的小型真空熔结也先后开展了熔结工艺的教学和科研工作。此时，钢铁研究总院研究的Ni基合金熔结涂层开始应用于内燃机排气阀和穿轧无缝钢管的穿管机顶头，并先后在江苏与云南等地开始小批量工业化生产。这标志着经过短短的20多年的研究和发展，我国的真空熔结工艺已走过实验室研究阶段，并开始了工业化进程。20世纪90年代初，北京市紫金耐磨技术研究所研发出球阀、喷嘴、离心器与高线轧机托辊等数十项真空烧结新产品，并设计制造出大型化和智能化的高温熔结炉，实现了真空熔结这项高科技的产业化。 目前涂层工艺广泛应用于制备耐磨材料。传统的涂层工艺很多，如物理气相沉积、化学气相沉积、激光熔覆、热喷涂、自蔓延高温合成、溶胶H 凝胶技术等。但所有这些工艺都在不同程度上存在以下缺点：如作业环境差、设备投资大、能量消耗大、效率低等。其中最重要的是涂层厚度薄，难于获得较厚的涂层；涂层与基体的结合强度不高，容易在涂层和基体的界面产生缺陷等。反应烧结工艺是由日本学者等提出的制备三元硼化物基金属陶瓷的新工艺。三元硼化物基金属陶瓷具有优良的耐磨、耐蚀性，可以应用在需要耐磨损的场合。在制备三元硼化物基金属陶瓷的原料粉末中不含有三元硼化物，它是在烧结过程中通过原料粉末之间的化学反应得到的。由于三元硼化物与金属基体在高温下共存，使得采用这种工艺制备钢用三元硼化物涂层材料成为可能。目前采用压制薄片法制出薄片，与金属叠放，然后采用真空液相烧结，已成功制备出了性能优良的钢用三元硼化物基耐磨覆层材料。用这种方法制备出的覆层材料厚度不受限制，且界面结合强度高。但是这种方法也存在着不足之处，如对于尺寸较大和形状复杂的零件难于实现覆层等1。喷涂法方法制备三元硼化物基涂层材料易于得到涂层尺寸大和形状复杂的零件，同时用这种方法制备出的涂层材料又具备界面结合良好的优点，所以这种方法在制备三元硼化物基涂层材料方面必将得到推广。为此采用这种方法成功制备了钢用三元硼化物基涂层材料，并对其微观结构进行了研究。近02年来，表面工程技术迅猛发展，各种功能性镀覆层在汽车、家电、能源、交通工程、机械制造、计算机、土建工程、水利工程、石油化工、航空航天等领域得到了广泛的应用。其中镍合金镀覆层以其极佳的物理和化学性能受到人们的重视。越来越多的科学工作者开始进行铁基合金镀覆层的研究，并且已经取得了重要的研究成果。铁基镀覆层具有较高的硬度、表面强度，良好的耐磨性和耐蚀性，磁性与光泽等，是应用最广泛的表面镀覆层之一。磨损普遍地存在于生产和生活之中，任何一种磨损都会在物体的工作表面上产生一定量的磨损产物。因此，利用铁基镀覆层作为表面抗磨层可以减轻磨损造成的破坏，修复被损坏的零件，降低能量的消耗，延长机器使用寿命等，对节约能源和原材料，保护环境，促进国民经济的发展具有重大意义。电镀、化学镀、喷涂、堆焊、熔结、气相沉积等技术能在材料表面形成优异的铁基耐磨镀覆层2。1.2 国内外研究现状和发展趋势 耐磨损性能强的钢铁材料的总称，耐磨钢是当今耐磨材料中用量最大的一种。磨损是工件失效的主要形式之一，磨损造成了能源和原材料的大量消耗，根据不完全统计，能源的13到12消耗于摩擦与磨损。据原联邦德国技术科学部估测，原联邦德国因磨损造成的损失每年达到100亿马克。美国机械工程师学会(ASME)和美国能源发展局(ERDA)提出的一项减轻摩擦和磨损的发展计划，可使美国每年节支160亿美元，即为能源消耗的11。据美国刊物介绍，美国几大类产品每年由于磨损所造成的损失是：飞机134亿美元，船舶64亿美元，汽车400亿美元，切削工具28亿美元。中国对摩擦和磨损所造成的损失尚缺乏全面的统计。根据中国机械部门19741975年的调查报告，汽车配件年耗用钢材23万t，其中23用于维修，而大部分是由于磨损所致。另据中国电力、建材、冶金、采煤和农机等5个部门的不完全统计，每年备件消耗钢材在150万t以上，以煤矿所用刮板输送机为例，由于中部槽磨损所造成的损失每年为12亿元人民币3。如果再考虑到其他机械设备磨损造成的经济损失和钢材的消耗那将是很惊人的。由此可见，提高耐磨钢的质量，开发新型高性能耐磨钢，以及广泛、深入地开展钢材磨损机理的研究，以降低由于磨损造成的损失，对于国民经济建设的发展是一件具有重要意义的工作。对于“材料磨损”目前尚无统一的定义。一般认为磨损是物体工作表面材料在相对运动中不断破坏或损失的现象。而对于磨损的分类也有很多方法，若按磨损机制划分，可分为磨料磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、冲蚀磨损、接触疲劳磨损、冲击磨损、微动磨损等大类。在工业领域中磨料磨损和粘着磨损在工件磨损失效中占有最大比例，而冲蚀、腐蚀、疲劳、微动等磨损失效方式由于往往产生在一些重要构件的运行中，故日益受到重视。在工况条件下，往往是几种磨损形式同时或先后出现，磨损失效交互作用呈现较复杂的形式。确定工件磨损失效的类型是合理选用或研制耐磨钢的依据。另外，零、部件的磨损是一个系统工程问题，影响磨损的因素很多，它包括工作条件(载荷、速度、运动方式)、润滑条件、环境因素(湿度、温度、周围介质等)、材料因素(成分、组织、力学性能)、零件表面质量及物理化学特性等。其中每个因素的改变都可能使磨损量改变，甚至使磨损机制改变。由此可见，材料因素只是影响工件磨损的因素之一，要提高钢件的耐磨性需要从特定条件下的摩擦、磨损系统整体着手才会取得预期的效果。简史耐磨钢作为一种专用钢大约始于十九世纪后半叶。1883年英国人哈德菲尔德(R0.A0.Hadfield)首先取得了高锰钢的专利，至今已有100多年的历史，高锰钢是一种碳含量和锰含量较高的耐磨钢，这个具有百余年历史的古老钢种，由于它在大的冲击磨料磨损条件下使用时具有很强的加工硬化能力，同时兼有良好的韧性和塑性，以及生产工艺易于掌握等优点，因此，目前它仍然是耐磨钢中用量最大的一种(尤其是在矿山等部门)。近几十年来，低、中合金耐磨钢的开发与应用发展很快，由于这些钢具有较好的耐磨性和韧性，生产工艺较简单，综合经济性合理，在许多工况条件下适用，而受到用户的欢迎。为了适应矿山采运机械与工程机械发展的需要，所研制的高硬度耐磨钢板，20世纪7080年代在国际上已形成系列并标准化。这类钢是在低合金高强度可焊接钢的基础上发展起来的，它们一般采用轧后直接淬火并回火，或实行控轧、控冷工艺进行强化，可节约能源，且合金元素含量低，价格较便宜，但硬度高，耐磨，工艺性能尚可，由于具有了这些优点使这类耐磨钢板很受用户欢迎。日、英、美等国的一些钢铁公司都生产这类耐磨钢4。1.3 真空烧结基本原理真空烧结过程从表观上看，就是在真空保护下的熔融凝结过程。预先把一种涂层合金材料涂覆在某种钢材的表面，当加热到一定温度时，合金中的熔相熔融并浸润固态基体材料表面，开始了涂层与基体之间的扩散互溶与界面反应，待扩散互溶到一定程度后，就会在涂层与基体的内界面形成一个含有双方成分的互溶区，冷凝时涂层与互溶区一起重结晶，并与基体牢固的冶金结合成一个整体。从熔融、浸润、扩散、互溶以至重结晶的这一系列冶金反应，都是在基体钢材表面上发生的，所以真空烧结的全过程，实际上是一种表面冶金过程，在此过程中发生了一系列非常复杂的物理化学反应。1.3.1 界面元素互扩散与冶金结合的形成 从效果上看，真空熔结实际上是要把两种金属或合金材料复合成一个新的整体。成功的关键是两者必须形成牢固的冶金结合，而又要保持各自原有的特性不变。显然互溶区的存在，是形成牢固冶金结合所必须的。但是，为了保持涂层原有的表面硬化合金的优异特性不变，就要控制互溶区的宽度，也就是必须限制基体中Fe元素向涂层中扩散的深度。在实践中，只要掌握好熔结的温度和时间5，这一点是容易做到的。1.3.2 浸润性与界面元素互扩散的关系 在熔结时，熔融的表面硬化合金对大多数基体钢材的表面能够浸润，而对少数钢材却不能浸润。不浸润时，表面硬化合金熔液在基体钢材的表面不能连续地铺展开，甚至呈“汗珠”状滚落，此时界面元素互扩散与牢固冶金结合的形成均无从谈起。因此，能否浸润是进行表面冶金的先决条件。为了研究浸润性与界面元素互扩散之间的内在联系，选择五种不同组成的钢材及纯铁作为基体材料，与Ni基表面硬化合金在同一温度下进行熔融浸润试验，浸润性的好坏以冷凝接触角“”来度量。根据菲克第一定律：J = - D（C/X）即当温度一定时，单位时间内通过单位面积的扩散原子数J与扩散元素的浓度梯度C/X成正比。D为扩散系数。表1 Ni基表面合金对不同基材的冷凝接触角基体钢材（Fe）（%）CFe/XB-C/()纯 铁100982普碳钢Q23598.9996.995.5合金结构钢10Mn297.6795.677.8轴承钢GCr1596.9594.956.6不锈耐酸钢1Cr18Ni71.4269.4211.2耐热钢5Cr21Mn9Ni4N64.962.911.9由此可见，在表面冶金过程中，浸润性与界面元素互扩散的宏观反映。把这一理论用到实际的表面冶金过程中就可以知道，表面硬化合金对于Fe含量愈高，而其他合金元素含量愈少的钢材，则愈容易扩散浸润而形成牢固的冶金结合。1.3.3 浸润性与熔结涂层连续性的关系以一种Ni基表面硬化合金在1.33Pa级真空条件下，对几种钢材进行熔结涂层实验，结果表明值不同则涂层的连续性也不同。大致可划分为以下三种结果：1） 当值小于100时，涂层是完整而连续密闭的。2） 当值在100-1000之时，表现出局部部浸润，涂层不连续，但只要进行适当补涂之后，仍可得到完整的涂层。3） 当值大于1000时，熔融的涂层合金呈汗珠状滚落6。1.4 真空熔结的适用范围与应用1.4.1 真空熔结工艺的应用功能作为一种表面冶金技术，真空熔结在工业应用中，具有涂层、钎接、成型、表面封孔和表面缺陷的修复等五方面的应用功能。（1）涂层功能 真空熔结涂层工艺可以在钢铁、硬质合金、难熔金属、C/C复合材料及石墨等基体材料表面涂覆各种耐磨、耐腐蚀和抗高温、抗氧化的合金保护涂层。归纳实验结果可知，各种涂层合金包括自熔合金和表面硬化合金，对各种基体材料浸润性的一般规律列于表2。 表2 各种涂层合金对各种基体材料浸润性的一般规律基体材质浸润性说明1.33Pa低真10-5Pa高真钢铁普碳钢及合金钢良好很好能顺利达到全面积浸润含Al、Ti等活性元素的合金钢不好良好不好是指熔融的涂层合金呈汗珠状滚落铸铁或渗碳层不好不好冷却时涂层与其粘接的基体表面一起剥落硬质合金与难熔金属良好良好石墨及C/C复合材料一般一般基本达到全面积浸润，但偶有漏达处镀铬层不好良好不好是指熔融的涂层合金呈汗珠状滚落镀铁层很好很好彻底浸润（2）钎接功能 真空熔结技术可以把钢和铜、硬质合金、难熔金属或石墨制品等按照各种表面防护的需要，牢固的钎接成一个整体。（3）成型功能 真空熔结可以把各种耐磨耐腐蚀的涂层合金、自熔性合金或表面硬化合金，按照表面防护工程的特定需求，预制成各种厚度各种尺寸的合金片、合金块或合金环，然后再镶嵌在需要防护的工件表面。（4）封孔功能 利用在真空条件下熔融金属的毛细渗透现象，可有效的封住各种铸钢件和焊接件，如高压容器、法兰、弯头、泵壳等工件的表面渗漏缺陷。（5）修复功能 真空熔结技术可以修复已磨损报废的许多贵重工具、模具、关键零部件和价格昂贵的进口零配件。修复可对表面的各种缺损补平、补齐，甚至尺寸再造，而且修复所用表面硬化合金的耐磨耐腐蚀性能比被修件本身的表面性能要好很多。因此报废工件经修复后，往往能达到或超过新件的使用寿命7。1.4.2 真空熔结涂层的适用范围 根据各种涂层合金的应用特性和真空熔结的工艺特性，真空熔结涂层的适用范围如下。（1）用做耐磨件 用做常温和高温抗磨擦磨损、冲蚀磨损、粘着磨损、腐蚀磨损、剪切磨损、微动磨损、挤压磨损及热磨损等的耐磨件，真空熔结涂层制品比各种钢铁制品有很大优势。在热轧条件下，真空熔结涂层制品的抗接触疲劳磨损性能很好，而在冷轧条件下则较差。引入硬质颗粒，可以提高自熔合金的硬度，提高耐磨性；但是却降低了合金的强度与韧性，使得涂层对热震与撞击疲劳破坏都敏感起来。表3 引入WC对自熔合金硬度与强度的影响涂层合金种类合金牌号与配比涂层硬度HRC涂层抗压强度/10MpaNi基自溶合金PSR-143-47-200表面硬化合金PSR-1加16%（质量分数）WC581337为了尽可能发挥加入WC使表面硬化合金耐磨性提高的优点，克服使强度和韧性降低并发生颗粒偏析的缺点，必须试验确定加入WC最合适的含量和颗粒尺寸。（2）用做耐蚀件 无论在常温或高温下，抗酸碱、蒸汽、燃气或熔盐等各种工业介质的腐蚀，真空熔结制品优于各种钢材。在涡轮燃气、内燃机排气与污染控制设备中的受热部件，常常遭受到熔盐热腐蚀和热腐蚀疲劳的破坏。在这种工况下，真空熔结合金涂层，是首选的保护涂层材料。（3）耐高温 真空熔结涂层制品在耐高温性能方面的优势十分明显，其涂层的抗高温氧化性、抗火焰冲刷性、抗高温疲劳性，以及涂层在高温下的组织稳定性等方面都很优越。1.5 本文主要研究内容1） 真空烧结过程的理论分析；2） 真空烧结铁基涂层材料的制备；3） 真空烧结涂层的硬度的测试和分析；4） 真空烧结涂层的金相分析；5） 真空烧结涂层的XRD分析； 6） 真空烧结涂层的SEM分析；2 实验材料的选择与处理工艺研究2.1 真空熔结涂层的材料和性质 可适合于真空熔结应用的原材料就金属而言可分为金属元素粉、合金粉及具有金属陶瓷特性的表面硬化合金粉三大类。2.1.1 元素金属粉为保护Mo合金和Nb合金高温部件免于氧化磨损，美国、我国和前苏联均研究过以元素金属粉末为原材料的真空熔结合金涂层。其中最有成效的合金系列有如下几种: （1）Si-Cr-Ti系 组成范围是Si-20Cr-520Ti，这种涂层保护Nb合金在982达到1000h，1316达到140h。 （2）Si-Cr-Fe系 组成范围是Si-20Cr-2025Fe，1204抗氧化寿命最高达到304h。 （3）Mo-Cr-Si系 组成范围是10-70Mo，0-50Cr，30-50Si。在1200以上有良好的抗氧化保护作用。（4）Mo-Si-B系 组成范围是2-40Mo，60-95Si，2-5B。在1200下的氧化增重只有Mo-Cr-Si系的1/5。2.1.2 合金粉 适用于真空熔结的合金粉有一下几种，硬度较高的自熔合金粉和硬度较低的有色金属及贵金属合金粉。 （1）自熔合金粉 所谓自熔性主要是指合金粉在熔结过程中有自脱氧作用。在合金中加入适量的脱氧元素，在熔结过程中能还原自身和基体表面的氧化物而形成熔渣。渣子的熔点很低，能上浮并复盖于合金涂层的表面，起到防止金属被继续氧化的作用。普通应用的自溶合金粉有Ni基、Co基和Fe基三种。有些加B、Si和Cu基合金粉也具有自熔剂特性。 （2）有色金属及贵金属合金粉 在一些全损耗系统用油润滑的摩擦副或需要抗撞击抗氧化的特定场合，常常应用有色金属或贵金属的真空熔结合金涂层。1）铜基合金粉。Cu基合金熔点低，易加工，韧性好。用于机床导轨、轴瓦和液压泵的配油盘等。此类合金的典型组成列于表4表4 铜基合金粉牌号NiCrBSiFeAlSnPCu硬度 HBWLcu477.00.4余90-120Lcu8684-61-39-11余120-150ZX.Cu200A12-171.0Mn1-21.5-33.0余180-230u.s.p.367631012-200.7-2.50.5-1.50.7-1.51-1.60-61-7.5余 2）锡基合金。这是一种抗撞击与抗氧化的软金属涂层。常用组成为Sn-20Al，在1038下真空熔结，保护涡轮叶片的部件，涂层重量为27.5mg/cm2。3）银基合金。性能与用途与Sn基合金相同，可以在氩气中熔结，熔结温度为1204。典型组成有：Ag-20Al、Ag-15Si8。2.1.3 表面硬化合金 常用的“紫金”系列表面硬化合金也有Fe基、Ni基和Co基三种。表面硬化合金组织构造的特征是在韧性的固溶性合金母体上，均匀分布着大小不等的金属间化合物硬质颗粒，是一种多相组织，其相组成主要有母体相、熔相和硬相三种。在烧结时，常常由于WC颗粒的偏析而造成合金涂层表面与深部的硬度不均。为尽可能发挥引入WC的优点而克服尺寸大于50um时，很容易出现偏析，所以颗粒直径不得超过50um，最好10um。除了硬度与偏析问题之外，在表面硬化合金中，调控金属间化合物的含量还有一层重要意义，即金属间化合物的百分比直接决定着熔融合金中固相与液相的百分比，也就决定合金在熔融状态下的粘稠度，这一点对于涂层工艺是十分重要的9。2.2 真空熔结工艺真空熔结工艺流程可分为一步法与二步法两种。一步法仅适用于对工件涂覆金属元素、合金或表面硬化合金，在一般情况下涂层较薄，厚度有限。二步法适用于涂覆更为广泛的金属材料，厚度不限，甚至可超越涂层范畴而成为多种金属的复合件。1) 一步法真空熔结工艺流程如下：配合金粉熔结烘干涂覆工件调料有机粘结剂清洗2) 二步法真空熔结工艺流程如下：配合金粉 熔结合金片模型成型烘干调料有机粘结剂熔结烘干镶涂调料钎接用合金粉工件清洗粘结剂须采用不含灰分的有机物，如汽油橡胶溶液、树脂或糊精等。工件基体是各种钢材、超级合金、难熔金属以及石墨材料等。表面清洗没有什么特殊要求，只除去油污与氧化皮即可。涂浆可采用喷、洒、浸和涂抹等各种方法。烘干的温度和时间以能够使有机粘接剂中的熔剂充分挥发掉为宜。熔结温度在基体熔点以下，在涂层原料粉的固态温度以上。熔结气氛最好在真空中，也可以惰性气体或大气中进行熔结10。2.3 各种烧结方法因所采用热源与装置的不同，烧结方法大致可以分为四种。1） 炉熔法 在真空或氩气中，以电阻元件为辐射加热源的炉子熔结是应用较多的一种烧结方法。真空环境不仅对涂层合金与金属基体有防氧化保护作用，而且在涂层合金粉熔化时容易排除熔融体中的气体夹杂而得到比较致密的合金涂层。当涂层粉料中含有Al或Ti等活性元素是，必须用高真空；适用于对各种形状金属部件进行高质量的涂层；而缺点是对基体有中等程度的热影响。2） 感应烧结法 感应烧结法一般只适用于较小圆形部件的上表面进行涂层，涂层中也难免有少量气孔夹杂，但对基体的热影响较少。3） 电子束或激光烧结熔覆法 电子束或激光束能够产生极高热流的高密度能源，并已逐步应用于烧结工艺，有效克服了对基体的热影响问题。激光烧结熔覆速率极高，涂层中的气孔率和氧化物夹杂也少的多，而且涂层的厚度与密度均匀性也好的多。但激光烧结熔覆最大的缺点是对复杂形状与结构工件的适应性较差。2.4 真空烧结涂层工艺特性从表面冶金的观点来看，理想的涂层工艺至少需要满足以下要求：1） 在涂层合金与基体金属之间必须形成牢固的冶金结合。2） 涂层形成后需保持涂层合金原有的特性。3） 在涂层形成过程中，不应损害基体金属的强度及其他力学性能。2.5 熔结工艺对基体强度的热影响 对基体强度有一定程度的热影响，这是炉熔法真空熔结工艺的缺点之一。为把这种热影响减小到最低程度，可采取以下措施：1） 设计出快速加热短时熔结的工艺曲线。在达到充分熔结和完成冶金结合的前提下，加热温度与时间愈短愈好。2） 设计出局部加热装置，只对工件上需要涂层的部位加热，而不对其他部位直接加热。3） 熔结工艺的实施不受工件形状与结构的限制4） 熔结合金层厚度 一般熔结涂层的厚度为0.16mm。当熔结合金层较薄时，可以称为涂层；而较厚甚至超过基体的厚度时，就不能称之为涂层，而是一种金属复合体。5） 熔结合金层的气孔率 6） 熔结合金层平整度7） 不氧化8） 对基体变形与开裂的影响9） 环保问题10）对工件的尺寸限制综上所述，并与各种表面技术相比较，对工件形状结构部位不限和合金层厚度不限，这两条在一起是熔结工艺独有的工艺优势11。3 实验设备材料和研究方法3.1 实验设备通过真空烧结后得到的试样要进过预磨，抛光，为了知道涂层的硬度，进行硬度测试，测硬度用到的设备有：洛氏硬度计和维氏硬度计，观察在不用材料烧结的涂层的强度，观察金相形貌，来观察成分在涂层中的分布情况、涂层中出现的缺陷和涂层和基体之间的结合致密度的情况，做金相需要用到的设备有XJG-05型金相显微镜和OLINPUS图3.1金相试样预磨机 图3.2 金相试样抛光机图3.3 维氏硬度计 图3.4 XJG-05型金相显微镜通过这些实验设备能很好的了解试样的性能。3.2 实验材料本实验对八种不用组成的材料进行了研究和分析。这八种材料的基体都是45号钢。对这八种试样进行了编号分别为a-1、a-2、a-3、a-4、c-1、E-3、d-2、h-1。这些试样中含有结合剂：1%C、5%Ni、4%Mo、1%Cu、Fe余量。结合剂占总量的30%。a-1为200目的70%WC。a-2为150目的70%WC。a-3为100目的70%WC。a-4为50目的70%WC。c-1为50目的35%WC和100目的35%WC。E-3为50目的35%WC和200目的35%WC。d-2为200目的35%WC和100目的35%WC。h-1为100目的35%WC和150目的35%WC。这样就可以对不同成分的涂层进行了解分析，找出性能最佳的组成。3.3 组织分析方法3.3.1 X射线衍射分析将表层材料试样沿垂直丁长度方向截成的小块，用DK77型电火花数控线切割机床垂直于试样表面将基体切掉，试样表面全部是材料层，这样可以保证X射线衍射结果的准确性，然后将切好的复合材料层表面在金相砂纸上磨平，用D/max-rB 12KW旋转阳极X射线衍射仪对材料层进行物相分析。3.3.2 扫描电镜分析将表层材料试样沿垂直于长度方向截取成小块，用牙托粉进行镶嵌，将镶嵌好的试样在金相砂纸上磨平，然后用0.1um的金刚石抛光剂抛光12。3.4 实验结果讨论3.4.1 碳化钨涂层的显微组织采用真空烧结的方法在45钢表面制备WC涂层，得到的图层厚度约为1mm，涂层中WC质量分数30%，对涂层纵向切开磨抛处理，用扫描电镜观察其组织形貌。a-1的形貌：50m50mba20m20mdc50m50m12.5m12.5mef 图1 a-1不同倍率下的金相形貌 图1为a-1在不用倍率下的图层与基体结合的金相形貌和涂层内部的形貌由此可以看出，大量的硬质相分布在铁基固溶体上，涂层和基体结合的致密度一般，含有较多的孔洞。a-2的形貌：ba 20m20mdc fe 图2 a-2不同倍率下的金相形貌 图2可以看出涂层与基体的结合比较好，与图1比较好的多，涂层与基体结合致密度很高，有较少的孔洞，而且孔洞是闭孔。对于涂层内部大部分分布是比较均匀的，不过也有少量的较大的孔洞，这是因为涂层中有杂质而导致的缺陷，对涂层的耐磨性能有一定的影响，使耐磨性下降。a-3的形貌：50m50m12.5m12.5mab 50m50m12.5m50m50mdce图3 a-3不同倍率下的金相形貌图3可以看出涂层与基体的结合的不是很好，与图2比较要差一点，涂层与基体结合致密度不高，有较多的孔洞。对于涂层内部大部分分布是比较不均匀，有大量的孔洞，这是因为涂层中有杂质而导致的缺陷，可能还因为烧结过程中温度不够使得涂层没和基体结合好，对涂层的耐磨性能有较大的影响，使耐磨性下降。baa-4的形貌：cd12.5m12.5mef 图4 a-4不同倍率下的金相形貌图4可以看出涂层与基体的结合比较好，与图3比较好的多，涂层与基体结合致密度不是很高，有较多的孔洞。对于涂层内部分布是比较不均匀的，不过也有较多的较小的的孔洞。bac-1的形貌：50m20m20m50m dc 12.5me图5 c-1不同倍率下的金相形貌d-2的形貌：20m20m50m20mab12.5mc图6 d-2不同倍率下的金相形貌图5和图6可以看出涂层和基体结合的很不好，致密度很低，而且有很多较大的孔洞，这会大大降低涂层的机械性能。对于涂层内部分布很不均匀，一块一块的针状组织。E-3的形貌ba20m50m50m20mdc12.5m12.5mfe图7 E-3不同倍率下的金相形貌图7从200倍金相图可以看出涂层内部的颗粒分布很均匀，再通过高倍率看出颗粒的分布情况，由此可以知道涂层的耐磨性能很好，颗粒分布均匀强度高。h-1的形貌：20m20m50m50mbacde12.5m图8 h-1不同倍率下的金相形貌图8通过200倍的金相图我们可以发现涂层与基体之间有明显的过渡层，涂层中孔洞较多，孔洞分布比较均匀，孔洞是致密的13。3.4.2 X-射线能谱分析图9 铁基WC涂层表面X射线衍射谱线图9是铁基WC涂层表面X射线衍射谱线。涂层中的WC颗粒有部分熔化，形成Fe6W6C、W2C等新相。图9的X射线可以看出峰最高的是WC，它的量比较多，次高峰可能是第二相粒子，第二相粒子均匀分布在涂层内部，提高涂层的耐磨性14。3.4.3 SEM分析bac图10 h-1的不同倍率下的SEM照片图10为铁基WC结合界面的SEM照片，由此可以得知Fe和WC在过渡区域发生了扩散现象，WC从涂层一端向母材方向扩散，Fe从母材方向扩散到涂层中去，这样在中间形成了一层过渡层，过渡层中是Fe与WC形成的固溶体，涂层与母材基体形成了牢固的冶金结合，保证了涂层能与基体有良好的结合强度。图（b），图是WC颗粒在涂层的分布图，可以看出分布还比较均匀，不过有较多的杂质会对涂层的性能产生影响。badc图11 d-2的不同倍率下的SEM照片图11中图（a）可以观察到明显的过渡层，涂层与基体间的结合较好，从图（b）（c）（d）可以看出硬质相颗粒WC在涂层中的分布比较均匀，且颗粒较小，杂质较少。当WC加入量较小时，涂层中枝晶较为粗大，而随着WC加入量的增加，枝晶小15。3.4.4 铁基耐磨涂层的硬度及讨论 按照制备工艺，保温20min，在45钢表面真空熔覆WC的的铁基涂层的涂层样品，磨抛后涂层厚度约1mm。测量两种样品表面的洛式硬度计，如表5表