【導讀】近年來，隨著現代化工業(yè)的不斷進步與發(fā)展，人們對于材料的性能要求越來越高，其中較為重要的一點便是材料的耐磨性。眾所周知，磨損現象不論在科研實踐還是日常。生活中都是很常見的，并且若不及時更換調整便極有可能造成嚴重的安全事故。損，以此延長鋅鍋沉沒輥的輥軸與輥套的壽命，提高生產效率。我們通常用表面合金化、表面形變強化、表面涂層強化等方法來提高材料耐磨性。銹鋼基體的6倍以上，有望大幅提高材料的耐磨性能。

　　

【正文】 屬釬料 BNi2 的堆積密度較小，分別是 ，故 同等質量情況下 Al2O3 粉 體積較大。釬料合金 與增強相的 加入量應遵循北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 “體積法”原則 ，即 :顆粒自然堆積后，顆粒間隙會產生一定的空間；而這部分體積應該由熔融狀態(tài)的釬料來充填，這樣就會得到致密的復合釬料涂層。下面推導釬料加入量的比例公式 ： 單位體積中氧化鋁粉的實際重量為 ： d 氧化鋁粉實際 ， 單位體積中氧化鋁粉的實際體積為 ： d 氧化鋁粉實際 /d 氧化鋁理論 ； 單位體積空隙體積為： 1d 氧化鋁粉實際 / d 氧化鋁理論 ； 單位體積中空隙充填釬料的理論重量： （ 1d 氧化鋁粉實際 /d 氧化鋁理論 ） d 釬料理論 ； 釬料的理論加入比例： α =釬料的重量 /氧化鋁粉的重量 =單位體積中空隙充填釬料的理論重量 /單位總 體積中氧化鋁粉的實際重量 =[（ 1d 氧化鋁粉實際 /d 氧化鋁理論 ） d 釬料理論 ]/ d 氧化鋁粉實際 = [（ d 氧化鋁理論 d 氧化鋁粉實際 ） / d 氧化鋁理論 d 氧化鋁粉實際 ] d 釬料理論 把 d 氧化鋁理論 =， d 氧化鋁粉實際 =， d 釬料理論 =， α=。 由此可以確定兩者 的實際加入比例 ： α 110%（釬料過剩） =。β =釬料的重量 /(釬料的重量 +氧化鋁粉的重量 )=（ +1） =。故釬料應占總質量的 %， Al2O3 粉 %。 根據釬料的理論加入比例，做了 8 組釬料的 試驗 ，考慮到釬料對 Al2O3 粉的潤濕性不良，添加了少量鈦作為活性助劑，試驗成分見表 。 表 Al2O3 釬料分組及成分組成 試樣 號 BNi2(Wt%) Al2O3 (Wt%) Ti2Ni(Wt%) Ti(Wt%) 1 90 10 2 80 10 10 3 70 25 5 4 90 5 5 5 85 10 5 6 85 5 10 7 70 15 15 8 80 10 10 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 21 參考 趙敏海等 [8]的工作 并經過計算，針對 WC 增強相也做了若干組 試驗 ，并設置了SiC、 TiC 與無增強相的對照組。具體分組情況與成分見表 。 表 碳化物釬料分組及成分組成 試樣 號 BNi2(Wt%) SiC(Wt%) WC(Wt%) TiC(Wt%) WC12Co(Wt%) 9 95 5 10 84 16 11 70 30 12 60 40 13 50 50 14 50 50 15 66 34 16 85 15 試 驗 條件 VQB335 型多功能真空釬焊爐 ， 具體工藝參數為：真空度高于 6 103，升溫速度15℃ /min，連接溫度 890℃，連接時間 5~15min，降溫速度 20℃ /min。其外觀 見圖 。 圖 VQB335 型多功能真空釬焊爐外觀 其他設備及工具： MP2 拋光機 、 球磨 機、鑲樣機、電子天平、燒杯、培養(yǎng)皿、鑷子、砂紙、脫脂棉等。 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 22 檢測設備 ： LEO－ 1450 型掃描電鏡 、 MXP21 VAHF 型 X射線衍射儀 、 LEICA VMHT 30M維式硬度計。 試驗 步驟 （ 1） 混料 利用天平 稱出所需藥品， 按照表 及表 配出每組釬料各 10g。放在 藥 瓶中，在球磨機上進行混料?；炝蠒r間在 10 小時以上。 完成后將藥瓶放在干燥皿中備用。 （ 2） 制樣 分別用 2 400砂紙打磨 基板， 將基板表面的氧化膜 磨去，用無水乙醇清洗 掉基板表面的雜質。將基板置于水平桌面上，用 混好的釬料均勻涂 覆 在基板的一個區(qū)域內 。 （ 3） 釬涂 將制好的樣 分組 送入真空釬焊爐， 分別 按 以下參數進行 釬涂 ： 1~8試樣進行1000℃與 1050℃兩次 釬涂 試 驗，保溫時間均為 30min。 9~16試樣進行 1050℃與1080℃兩次 釬涂 ，保溫時間均為 10min。 釬涂 過程如下： 抽真空至 5103Pa，然后以10℃～ 12℃ /min 速度加熱，達到最高溫度保溫一定時間以后便停止加熱，隨爐冷卻。降溫至 200℃以下關閉擴散泵，再過一個小時以后關閉機械泵。 （ 4） 鑲樣 涂層試樣 完成后， 對試樣進行宏觀觀察。對宏觀性能良好的試樣， 用線切割切取基板上含涂層的 10mm 5mm的一塊 ， 在鑲樣機中 鑲 嵌在電木粉內 ，以備進行 SEM 照相與能譜（ EDS）分析 。 （ 5） 磨樣 與拋光 將鑲好的樣分別 用 400， 600， 800， 1000， 1200， 1500， 2020砂紙進行打磨 ， 逐級遞增，當劃痕朝向為同一方向時換下一號砂紙。在 2020砂紙上磨完之后進行兩次拋光，拋光膏粒度分別為 和 。 拋光完畢后，用 無水乙醇 沖洗拋光表面并風干 。 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 23 測試 方法 （ 1）顯微組織與相組成 對宏觀性能良好的試樣進行 SEM 照相，結合 EDS 與 XRD 結果分析試樣的顯微組織。 作為 SEM 測試的補充，對試樣進行 XRD 測試，并與 SEM 結果進行結合，幫助分析試樣的顯微組織。 （ 2） 硬度測試 對性能良好的試樣利用 LEICA VMHT 30M 維式硬度計 測量試樣的顯微硬度，并進行記錄。 顯微硬度的計算公式為： HV=1854P/d2 （ 21） 式 （ 21）中， H 是維氏顯微硬度。 P 為負荷，單位為 g，本試驗取 100g，加載時間 10s。 d 為壓痕對角線長度，單位為 μm。 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 24 3 試驗 結果與分析 Al2O3涂層 通過 試驗 發(fā)現：（ 1）沒加入活性元素的 1試樣沒有形成涂層，說明 Ti2Ni有利于體系的潤濕鋪展；（ 2） Al2O3 比例超過 5%時也沒形成較為理想的涂層 ，有脫落的現象 ；（ 3） 4和 6在 1050℃ 30min 得到表面質量 相對 較好的涂層。圖 與圖 是對宏觀性能比較好的涂層拍攝的照片。 圖 1000℃下 制備 的部分 Al2O3 試樣 圖 1050℃下 制備 的部分 Al2O3 試樣 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 25 圖 是 對 1050℃ 30min 得到表面質量較好的涂層 4和 6進行掃描電鏡 SEM 觀察 的結果 ，并沒有發(fā)現 Al2O3 增強相均勻分布在涂層中，而且還有裂紋產生。其原因可能為 Al2O3 與 BNi2 釬料的潤濕性不夠好。綜上所述， Al2O3 陶瓷作為涂層增強相的方案行不通。 圖 4（ a） 和 6（ b） 試樣 的 SEM 照片 碳化 物涂層 宏觀 性能 圖 與圖 為 1050℃、 1080℃下 制備的 部分樣品以及無增強相對照組的宏觀照片，可以看出 10與 15試樣的宏觀性能比較好。當涂層中 WC 含量過高時，無法得到表面光滑、有金屬光澤的涂層 ，如圖 與圖 中的 11試樣。 圖 1050℃下 制備的 部分樣品 (a) (b) 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 26 圖 1080℃下 制備的 部分樣品 顯微組織 分析 （ 1） 1050℃下 制備的 9試樣 圖 1050℃下 制備的 9試樣的涂層橫截面 （ a） 與典型組織 （ b） 圖 為在 1050℃下保溫 10min 的 9試樣涂層橫截面及典型組織。從涂層橫截面圖中可以看到涂層的缺陷比較少，但增強相分布不均勻。右圖中淺灰色部分為涂層基體，深灰色及黑色相為涂層的增強相。為了了解增強相的成分，對該試樣進行了 EDS測試，所得結果見表 。 B A C (b) (a) 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 27 表 1050℃下 制備的 9試樣 EDS 結果 （ At.%） Si Cr Ni Fe Mo C A B 有 C 有 由于試樣在進行 SEM 測試前經過噴碳處理，所以 C 元素的含量不作為參考。 由表 可發(fā)現涂層增強相中幾乎不含 Si，涂層的基體中反而含有很多 Si元素。我們可以推測出 SiC 在釬涂過程中 與 BNi2 釬料發(fā)生了反應，導致 Si元素不再以 SiC 的形式存在。因此 9試樣的宏觀性能雖然良好，但無法達到我們預期的目標。 （ 2） 1050℃下 制備的 10試樣 圖 1050℃下 制備的 10試樣的涂層橫截面 （ a） 與典型組織 （ b） 圖 為在 1050℃下保溫 10min 制備的 10試樣涂層橫截面及典 型組織。從涂層橫截面中可以 看出 涂層的缺陷較少 ， 但 增強相 分布不夠均勻， 有聚集長大的現象 。這將會影響到涂層的質量。 典型組織圖中白色相為 WC，淺灰色相為 WC 與釬料發(fā)生擴散反應后形成 物質 的相，深灰色為涂層基體。 對該試樣進行 EDS 與 XRD 測試，結果見表 與圖 。 B C A (a) (b) 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 28 表 1050℃下 制備的 10試樣 EDS 結果（ At.%） Cr Ni W Si Fe C A 有 B 有 C 30 40 50 60 70 80 90 10001000202030004000500060007000444443332222 11111111W C2Cr23C 63W 2C4Ni 2. 9C r 0. 7F e0. 36Intensity2 T h e t a (d e g re e )1 圖 1050℃下 制備的 10試樣的 XRD 結果 在高溫下 WC 顆粒表面發(fā)生溶解。 由于其與周圍高溫 BNi2 熔體之間存在濃度差，導致 BNi2 熔體中的 Ni、 Cr 等原子向 WC 顆粒表而擴散，在隨后的凝 固 過程中析出多種硬質相化臺物相 ， 最終在 WC 顆粒周圍形成了許多不同形狀的灰色相 。從表 也可以看出這一結果。 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 29 （ 3） 1050℃下 制備的 15試樣 圖 1050℃下 制備的 15試樣的涂層橫截面 （ a） 與典型組織 （ b） 圖 為 1050℃下保溫 10min 制備的 15試樣 涂層橫截面與典型組織 。通過涂層橫截面圖 可以發(fā)現，與 10樣品相比， 15樣品的增強相在涂層中分布 均勻得多。聚集長大的現象不那么明顯。涂層與不銹鋼基體之間的過渡層缺陷相對也較少?？梢酝茰y，15樣品的性能會比 10更好。 典型組織中白色的相為 WC 相，灰色為涂層基體 ，淺灰色相為 WC12Co 與釬料發(fā)生擴散反應后得到組織的相 。 對該試樣進行 EDS 與 XRD 檢測，結果見表 和圖 。 表 1050℃下 制備的 15試樣 EDS 結果（ At.%） Si Cr Fe Ni Co W C A B 有 C D A B C D (a) (b) 北京科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 30 20 40 60 80 10002020400060008000100001202014000555524443433222111111111 Intensity2 T h e t a (d e g re e )1 W C2 C o3 C r2 3 C 64 N i 2 . 9 C r0 . 7 F e 0 . 3 65 F e N i1 圖 1050℃下 制備的 15試樣的 XRD 結果 包覆在 WC 表面的 Co 主要是改善 BNi2 釬料對 WC 硬質合金粉的潤濕性。微觀分析表明 ， 焊后包覆在 WC 表面的 Co 全部溶入了合金中。 通過 EDS 分析也證實， Co 分布在灰 色的基體中，并沒有分布在白色的 WC 相中。 （ 4） 1080℃下 制備的 10試樣 圖 1080℃下 制備的 10試樣的涂層橫截面 （ a） 與典型組織 （ b） 圖 為 1080℃下保溫 10min 制備的 10試樣 的涂層橫截面與典型組織 。 可以看出過渡層的缺陷很少，但是聚集長大的現象十分明顯， 增強相分布十分不均勻。 圖中白色相為 WC 相， 淺灰色相為 WC 與釬料發(fā)生擴散反應生成的相 ，深灰色為涂層基體 。E