摘 要:磨擦磨损与腐蚀是各种机械装备与电站设备中金属工件失效的主要形式，它会导致能源和材料消耗增加，由此所造成的经济损失是巨大的，WC涂层是一种减少工件磨损的有效保护涂层．通过对碳化物涂层的摩擦磨损行为涂层结构涂层磨损机理等进行较系统的分析，阐述了国内外碳化物涂层的摩擦磨损行为研究进展，讨论了耐磨涂层磨损的微观机制，以及制备工艺WC含量及其它因素对涂层耐磨性能的影响规律，指出了WC涂层摩擦磨损研究的发展方向．
关键词:碳化钨涂层;摩擦磨损;微观机理
磨擦磨损与腐蚀是各种机械装备与电站设备中金属工件失效的主要形式［1－2］，由此增加的能源和材料消耗所造成的经济损失是巨大的［1］，就1987年不完全统计，仅磨料磨损在冶金 电力建材煤炭和农机5个部门中，直接损失消耗资金达20～30亿元以上［1］． 故对金属磨损和耐磨耐蚀材料的研究一直受到国内外的广泛重视［3］．
很多机械装备的部件都有防磨抗蚀或耐高温的要求，从某种意义上讲，机械装备可靠性的高低取决于其关键部件的抗腐蚀和抗磨损程度，防腐 抗磨问题解决得如何，对机械装备的安全性 可靠性及经济效益都具有举足轻重的作用． 因此，探索一种具有较好的耐磨蚀耐高温腐蚀的涂层是保证机械装备正常运行的当务之急，也是符合21世纪绿色制造概念的前沿问题．近年来，WC( 碳化钨) 涂层以其优异的耐磨性广泛应用在航空航天机械石油化工等行业［4］． 为了减缓机械装备重磨蚀耐热部件的高温腐蚀和冲蚀，各种表面涂层防护技术不断地被开发和运用［5－15］，先后出现过预熔敷层耐磨涂料喷焊堆焊热喷涂等方法制备WC涂层．
然而，目前国内外对于碳化物涂层的摩擦磨损行为研究较少，对于其涂层结构涂层磨损机理尚未进行深入系统的研究，因而制备工艺不稳定，导致WC涂层难以应用推广． 本文综述了这一领域国内外研究概况．
1 耐磨涂层磨损的微观机制
据统计，接近一半的能源消耗于磨损，80%的零件失效于磨损，其中磨料磨损造成的损失在磨损失效中占到50%［16－17］． 从上世纪60年代开始，摩擦与磨损作为一门学科得到国际上承认，而腐蚀磨损问题则是在近30年内才开始受到重视［18］．从纯磨损角度出发，磨料对耐磨材料的作用有4种微观机制［19－21］，如图1所示: (a) 犁沟 ( b) 切削 ( c)疲劳( d) 启裂． 耐磨材料的硬度(Hm) ( 特别是与磨料硬度 Ha的相对比值Hm/Ha) 及韧性是两个主要因素． ( Hm/Ha) ＞1．25( 各文献对这一数据稍有差别) 时，磨损很慢;1．25～0．8之间为过渡区，小于0．8时出现高速磨损.
由上述磨料对耐磨材料的作用微观机制可知，热喷涂形成的耐磨涂层是机械结合形式，堆焊重熔等形成的涂层应力很大，组织不均匀，这些传统工艺制备的涂层虽然磨粒的显微硬度不低，但韧性较低，因而必然导致磨粒磨损性能较差．
硬度是抗磨材料的基本前提，抗磨件服役过程的硬度需超过磨料硬度或至少达到其硬度的80%，否则耐磨性必然不足． 合适的韧性不仅是抗磨件抵抗破断的要求，同时也对减轻纯磨损的微疲劳剥落腐蚀条件下电化学腐蚀有积极作用．
在磨粒磨损条件下，近年来研究得出的主要的磨损机理有切削［22－23］疲劳和断裂［24－25］等形式． 各类材料中切削是磨损的基本机理． 在塑性材料中，伴随切削有反复犁沟变形，应变疲劳机理发生． 在脆性材料中则有脆性相的破碎断裂机理发生． 改变磨损条件，各类磨损机理所起的作用会有所变化． 硬磨料情况下切削严重冲击条件下脆性相的断裂和基体的疲劳剥落容易发生各类磨损机理的转化，决定了不同材料不同磨损条件下的耐磨性． 切削机理是各类材料磨损中共同的基本机理，不仅复合合金中较软的基体，即使较硬的碳化钨颗粒也承受磨料的切削［26］．
2 制备工艺对WC复合涂层的耐磨性影响
人们常用堆焊［27］粉末冶金［28］激光熔覆［29］热喷涂［30］等方法制备WC硬质粗颗粒型复合涂层，这也是目前公认的最耐磨的材料之一．但是，如果基体为较软弱的合金元素，在磨料磨损过程中，尤其是在磨粒能自由运动的三体磨损条件下，基体合金极易被严重优先磨损，致使复合合金中抗磨能力优异的硬质颗粒失去支持而大量脱落，导致其在三体磨损条件下耐磨性很低［31］．
研究表明，传统的堆焊等离子喷涂热喷涂高速火焰喷涂等工艺尽管都在某种程度上起到一定作用，但在耐磨成效传热和运转要求方面尚有严重不足及弊端［32－34］，而且耐磨性能有限，寿命有限，不能从根本上解决机械装备和电站设备中重磨蚀耐热部件的高温腐蚀及磨损．
渗透钎焊法是一种在形状复杂的钢铁工件表面制备复合涂层的新技术，采用钎焊的方法将复合碳化物颗粒增强的柔性材料连接到基体上，当被连接的零件和钎料加热到钎料熔化时，利用液态钎料在母材表面润湿铺展与母材相互熔解和扩散实现零件间的冶金连接，因此，涂层结合强度远高于机械结合的喷涂层． 在美国等发达国家得到越来越广泛的应用［15－16］．
周霞［35］等为了提高普通钢零部件的表面力学性能尤其是耐磨性，采用自行设计的高温还原气氛钎焊表面合金化技术和自行研制的铜基合金钎料在低碳钢表面制备了WC硬质颗粒增强铜合金基复合涂层材料，并采用各种手段和方法对该复合涂层的力学性能微观组织及耐磨性进行了实验表征与分析． 测试分析表明，该复合涂层具有优良的综合力学性能，耐磨性较好．
王瑞雪［36］研究了在冲击加载磨损条件下，超音速火焰喷涂WC-12Co涂层(H12) 超音速火焰喷涂WC-17Co涂层(H17) 低压等离子喷涂WC-12Co涂层(L12) 低压等离子喷涂WC-17Co涂层(L17) 和等离子喷涂WC-12Co涂层(A12) 的摩擦磨损机理． 这5种涂层耐磨性排序为:H12＞H17＞L17＞L12＞A12．A12涂层的磨损机制为塑性变形和层状剥离，H17 L17和L12涂层随冲击载荷增加经历从犁削到塑性变形的转变，H12涂层在犁削和塑性变形之间会经历一个以萌生裂纹的方式释放应力的过渡．在滑动磨损条件下，5种涂层耐磨性的排序为:H17＞H12＞L17＞L12＞A12，与显微硬度值有很好的对应关系．在低应力磨粒磨损条件下，H17涂层的耐磨性优于电镀铬镀层，涂层中的硬质颗粒可以有效地阻断磨粒的切削，粘结相的性能对耐磨性影响较大．采用正交优化实验方法初步研究了WC-Co涂层滑动摩擦系数变化的影响因素，按照影响程度的排序为: 润滑条件涂层制备工艺载荷对摩副速度，3 WC含量及其它因素对涂层耐磨性能的影响。中国科学院金属研究所的陆善平等人［37－38］曾用真空钎焊方法，在45钢基体表面钎焊一层WC-17Co/NiCrBSi 耐磨涂层( 厚1．5mm) ．研究了WC-17Co含量对涂层性能的影响．研究发现，随着涂层中WC含量的增加，开始磨损失重增加，当其含量超过62wt%时． 涂层失重又开始下降． 认为(WC-17Co/NiCrBSi) 钎焊涂层的失重与其磨损机制及涂层强度有关．当涂层中WC-17Co含量较低时，随着涂层中NiCrBSi 量增加，WC颗粒裸露前必须犁去较多的NiCrBSi 合金，由于NiCrBSi 合金也较耐磨，因此，WC含量较低时，涂层失重量较小． 当涂层中WC-17Co含量较高时，随着涂层中NiCrBSi 量减少，磨料只需将少量NiCrBSi 犁去即可露出WC颗粒． 此时WC与NiCrBSi 的结合强度对耐磨性很重要．涂层强度越高，WC越不易刨离． 涂层自身结合强度随WC-17Co含量的增加而增大，当涂层中WC-17Co含量为69wt%时，涂层结合强度最大，达184MPa．
涂层的抗磨料磨损性能高于火焰堆焊WC-17Co/NiCrBSi 涂层和CoCrW堆焊涂层．Kamdi Z［39］等人研究了两种WC涂层的摩擦磨损行为，一种是传统的热喷涂WC涂层，WC颗粒直径为～0．3－5 m，另一种是Ni 合金堆焊WC涂层，WC颗粒直径为～50－140 m．所采用的磨损试验方法分别为: (1) 微米尺度磨损试验，对磨材料为二氧化硅或者二氧化铝粒子，直径2～10 m．( 2) 干砂 橡胶轮试验，对磨材料为二氧化硅或者二氧化铝粒子，直径180～300 m．研究结果表明: 在采用氧化铝磨粒为对磨研磨剂材料时，磨粒尺寸为相同尺寸或者比硬质相尺寸大的情况下，硬质相可以很好地保护基体不被磨损．在两种试验条件下，热喷涂WC涂层都表现出更低的磨损速率．而采用工业氧化硅研磨剂进行研磨试验时，情况则比较复杂: 在微米尺度试验中，由于耐磨粒子保护了基体，细研磨剂的采用使得热喷涂WC涂层比堆焊WC涂层表现出更低的磨损速率; 相反的，在干砂 橡胶轮试验时，采用粗氧化硅研磨剂时．
SureshBabuaP［40］研究评估了脱碳对WC-12Co涂层的影响以及磨料特性对其耐磨粒磨损行为的影响．采用爆炸喷涂法制备了WC-12Co涂层，采用干砂橡胶轮磨损试验．结果表明，当脱碳水平在4．4到34%时，WC-12Co涂层的磨损速率与采用什么研磨剂无关．然而，当脱碳水平在4．4到34%时，WC-12Co涂层的磨损速率较高，与磨损机制的变化有关: 从一个主要由 WC长方体拔出的机制，变化为WC开裂导致分层．
RajinikanthV［41］等人研究了干滑动磨损试验条件下，4种不同的试样: 低碳钢试样(MS) WC涂层的低碳钢(MSC) 试样 硬化钢EN32( EN32) 和 WC涂层EN32钢(ENn32C) 试样组合件的磨损情况． 结果表明，滑动接触材料的组合不同则磨损机制不同． MS样品表现出高磨损量，但MSC试样却表现出有趣的结果: 与EN32对磨时，MSC试样显示负磨损的结果，而与ENn32C对磨时，MSC试样显示正磨损的结果．
4 WC涂层摩擦磨损行为研究的发展趋势
迄今为止，国内外科技工作者尚没有系统研究WC涂层的成分和微观结构对涂层的摩擦磨损行为的影响，尚没有建立涂层成分 焊接工艺 涂层摩擦磨损性能之间的关系模型，渗透钎焊机制下WC涂层的磨损机理尚不清楚． 因而严重影响高质量涂层的制备工艺的稳定性，再现性差，无法稳定地控制钎焊质量，不能保证涂层的性能，不利于规模化推广应用． 上述问题不解决，将极大地限制本技术的应用．
因此，采用渗透钎焊法制备适合机械装备和电站设备中重磨蚀耐热部件防护的涂层，阐明与涂层成分组成涂层微观结构相关联的涂层的摩擦磨损行为，是解决涂层制备工艺不稳定的关键．
参考文献略
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