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(TiC+Cr3C2)/Fe复合涂层反应钎涂研究

摘要：提出了反应钎涂的概念。以铁粉、钛粉、Cr3C2粉、铬铁粉和胶体石墨等为原料，应用反应钎涂技术制备了（TiC+Cr3C2）/Fe复合涂层。研究结果表明：加热过程中通过反应原位合成了TiC；Cr3C2的引入方式对TiC的分布有影响。Cr3C2为外加时，涂层中细小的TiC颗粒聚集成圆盘状平行于钎涂表面分布；Cr3C2为原位合成时，TiC聚集为块状；钎涂过程中外加的Cr3C2发生溶解析出形成针状；涂层光滑、平整，与基体为冶金结合。

关键词：反应钎涂；（TiC+Cr3C2）/Fe复合涂层；微观结构

0 序言

随线切割着经济和科学技术的迅速发展，人们对各种产品抵御环境作用的能力和长期运行的可靠性、稳定性提出了越来越高的要求。在许多情况下，要求零部件整体具有较好的强韧性，而在表面具有较高的硬度和良好的耐磨性，因此采用各种表面技术改善材料表面性能具有十分重要的意义。目前，工业中广泛应用的表面技术有气相沉积、热喷涂和堆焊等[1][2]。气相沉积（包括物理气相沉积和化学气相沉积）可以制备氧化物、碳化物和氮化物等陶瓷涂层，涂层耐磨性能好，但涂层薄且成本高，其工艺特点也难于适应工业化批量生产；热喷涂技术（包括普通火焰喷涂、高速火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂等）可以制备陶瓷/金属复合涂层，涂层耐磨性能好，且厚度可达1.0mm，其缺点是涂层孔隙率较高、与基体结合强度低、表面质量差且难于控制；堆焊可以获得厚涂层（1.5~20mm），而且涂层与基体为冶金结合，但堆焊过程中容易使基体变形、涂层表面质量差、加工量大、综合成本较高，且涂层材料的选择也存在较大的局限性。钎涂技术是近年来发展起来的一种材料涂层新技术，它是利用液态钎料合金在基体金属上的润湿和铺展而在基体表面形成一种具有特殊性能涂层的材料表面加工技术。与传统的涂层技术相比，钎涂技术具有如下特点：（1）涂层与基体之间为冶金结合，结合强度高；（2）涂层中陶瓷相含量范围宽（0~70%）且组织均匀、致密、孔隙率低；（3）可制备的涂层厚度范围大，既可制备50~60μm的薄涂层，也可获得3~4mm的厚涂层；（4）涂层表面光滑、质量好、加工精度高，对于一般应用只需少量加工甚至无需加工[]。钎涂技术是一种应用前景广阔的材料表面耐磨加工技术。

本文将原位合成技术与钎焊涂层技术（钎涂）相结合，提出了一种新的钎涂技术——反应钎涂技术。并以铁粉、钛粉、铬铁粉、Cr3C2、胶体石墨等为原料，应用反应钎涂技术制备了（TiC+Cr3C2）/Fe复合涂层。

1 试验方法

试验用原材料为钛粉、铁粉、胶体石墨、铬铁粉和Cr3C2，其品质参数见表1。上述原材料粉末按表2配比并添加适量粘结剂，在酒精介质中混合球磨24ｈ，球料比为4:1。钎涂试验基体材料为55×30×3mm的低碳钢板，钎涂表面经砂纸打磨去除氧化膜后用无水乙醇清洗。将混合好的涂料均匀地涂覆在低碳钢板表面，涂覆厚度为0.4~1mm。涂覆好涂层原料的试样在烘干箱中烘干，烘干温度为50℃，烘干时间为2 h。表1 原料的品质参数

表2 涂层原料配比

钎涂过程在钽电阻丝加热的真空炉中进行。该真空炉的恒温区域为200×200mm。将试样放入真空室的恒温区，当抽真空至炉内气钢坯上涨20元压为1.0×Pa时，以预定的加热规范加热。试样的加热规范为：室温~1200℃加热时间60分钟，1200~1300℃加热时间10分钟，在1300℃保温30分钟后，试样在真空炉内以20~25℃/min的速率随炉冷却。

钎涂后将试样切片制备金相试样，应用扫描电镜（SEM）和X-射线衍射（XRD）分析涂层的组织结构。

2 试验结果及分析

图1 涂层的X－Ray衍射分析结果

图1中1、2曲线分别为试样1和试样2涂层的X射线衍射分析结果。由图可知，两种涂层中都含有Cr3C2和TiC。这说明在试样1涂层中外加H．测试宽度：400mm（特殊测试宽度亦可依客户需求定制）的Cr3C2保留了下来，并且经过反应在涂层中合成了TiC；而在试样2涂层中经过反应原位合成了TiC和Cr3C2。即钎涂过程中两种试样将分别发生如下反应：

试样1：Ti+C+Fe+Cr3C2→TiC+ Cr3C2+Fe

试样2：Ti+Ｃ+Fe+铬铁粉→TiC+ Cr3C2+Fe

从而都形成了Fe基体相中分布TiC+ Cr3C2增强相的（TiC+ Cr3C2）/Fe复合涂层，二者差别在于试样1中的Cr3C2为直接添加，而在试样2中为原位合成。

图2所示为试样1涂层平行平面的扫描电镜照片。在涂层平行平面内（如图2-a所示），白色的α-Fe基底上分布着浅黑色的形状不规则的团状TiC和灰色的针状Cr3C2。在整个平面内针状Cr3C2分布比较均匀，其尺寸大约为150μm，但没有固定的取向，在较小的范围内，针状Cr3C2相互平行。团状的TiC是由很细小的TiC粒子聚集而成，在更高的放大倍数下进一步观察，发现其具有亚结构（如图2-b所示）。在亚结构中，白色的α-Fe形成络状，将黑色的TiC分割包围起来；在络状的α-Fe中夹杂着黑色的TiC颗粒，同时在被分割的TiC中也有白色的α-Fe存在。

(a) (b)

图2 试样1涂层平行平面SEM照片（背散射）

(a-涂层平行平面SEM照片；b-A区放大相)

图3所示为试样1涂层横截面的扫描电镜照片。在图3-a中，TiC表现为与钎涂表面近似平行的条状，其尺寸大约为150μm。在较高的放大倍数下观察（如图3-b），条状的TiC由更细小的TiC粒子聚集而成；在整个横截面内，Cr3C2的分布规律与涂层平行平面的类似，仍为针状，长度约为150μm。由图3-a还可以看到，试样1的涂层与基体之间没有明显的过渡层，涂层中的粘结相α-Fe与基体完全形成一个整体，涂层与基体为冶金结合。

(a) (b)

图3 试样1涂层横截面SEM照片（背散射）

（a-涂层横截面SEM照片；b-B区放大相）

试样1涂层中的TiC在涂层平行平面SEM照片（图2-a）中表现为团状，而在横截面SEM照片（图3-a）中表现为与钎涂表面近似平行的条状，综合分析图2-a和图3-a可以认为，涂层中的TiC为与涂层表面近似平行的圆盘状，Cr3C2是取向随机的针状。另外，在试样1涂层原始材料中加入的是Cr3C2粉末，而钎涂后涂层中的Cr3C2为针状，因此在钎涂过程中外加的Cr3C2存在溶解析出现象。

图4、图5分别为试样2涂层平行平面和横截面的扫描电镜照片。由图4可以发现，在涂层平行平面内，Cr3C2为针状，长度为100μm左右；TiC为块状，其尺寸为50μm左右。但在较高放大倍数下观察（图4-b），试样2中没有发现类似试样1中的络状亚结构。在试样2涂层横截面（图5）中，黑色的TiC的形态与试样1不同：不是表现为与钎涂表面近似平行的条状，而是与平行平面中类似，表现为块状，尺寸在100μm以下。在涂层横截面中Cr3C2仍为针状。综合分析涂层平行平面与横截面中TiC的形貌，试样2中的TiC表现为由细小的TiC粒子聚集形成的块状，但聚集状态的TiC尺寸比试样1有了明显的减小。

(a) (b)

图4 试样2涂层平行平面SEM照片（背散射）

(a- 涂层平行平面SEM照片；b-A区放大相)

(a) (b)

图5 试样冷弯型钢2涂层横截面SEM照片（背散射）

（a- 涂层横截面SEM照片；b-C区放大相）

在图5-a中，涂层与基体之间也没有明显的过渡层，涂层中的粘结相α-Fe与基体完全形成一个整体，涂层与基体也为冶金结合。

3 结论

（1）提出了反应钎涂的概念，并以铁粉、钛粉、Cr3C2、铬铁粉、胶体石墨等为原料，应用反应钎涂制备了（TiC+Cr3C2）/Fe复合涂层，涂层表面光滑、平整，基体界面为冶金结合。

（2）钎涂过程中原位合成了TiC。Cr3C2的引入方式对TiC的分布形态有影响：Cr3C2为外加时，涂层中细小的TiC颗粒聚集成圆盘状平行于钎涂表面分布；Cr3C2为原位合成时，聚集状态的TiC为块状。

（3）Cr3C2为外加时，Cr3C2在钎涂过程中存在溶解析出现象，析出后的Cr3C2呈针状。

参考文献

1. 曾爱香, 唐绍裘. 金属基陶瓷涂层的制备和应用及发展[J]. 表面技术, 1999, 28(1):1~3,8.

2. 徐滨士, 李长久, 刘世修等. 表面工程与热喷涂技术及其发展[J]. 中国表面工程, 1998, 1:3~9.

3. Edward. R. Buchanan. An Overview of Hardfaced Coatings for Industrial Use[J]. Proceedings of the 陶瓷基板Third International Pump Symposium, 1986：91~96.

4. 张启运, 庄鸿寿. 钎焊手册[M]. 北京：机械工业出版社, 1999:449.

5. M. R. Dustoor, L. N. Moskowitz. A New Process For Customized Coatings[J]. Thin Solid Films, 1983, 108(1): 29~37.

6. Lu Shan-Ping, Kwon Oh-Yang. Microstructure and bonding strength of WC reinf电能仪表orced Ni-base alloy brazed composite coating [J]. Surface and Coatings Technology, 2002, 153(1): 40~48.

作者简介：裴新军，男，1969年出生，博士研究生。

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