焊接技术第39卷第2期2010年2月
·试验与研究·
纳米WC 对热喷涂涂层耐磨性的影响
李建国1，国洪建2，杜茂华1，姚青虎1
（1．内蒙古工业大学材料科学与工程学院，内蒙古呼和浩特010051；2．兰州工业高等专科学校，甘肃兰州730050）
摘要：在喷涂材料Fe /WC 中添加少量的纳米Ni 、纳米CeO 2以及不同含量的纳米WC ，采用亚音速火焰喷涂方法在Q235钢上制备涂层，通过对涂层组织及性能的检测，探讨纳米WC 对涂层显微组织、显微硬度以及耐磨性的影响。结果表明，添加适量的纳米WC 可以改善涂层组织，提高涂层的显微硬度及其耐磨性。
关键词：亚音速火焰喷涂；Fe /WC 涂层；纳米WC ；耐磨性中图分类号：TG174．442
文献标志码：B
文章编号：1002－025X (2010)02-0012-04
收稿日期：2009-07-23
基金项目：教育部春晖计划项目（Z2004-1-15004）
0前言
陶瓷材料凭其在性能上独特的优越性，被广泛应
用于表面涂层，形成具有耐高温、耐磨损、抗腐蚀的陶瓷涂层。近几年，有关纳米改性陶瓷涂层、纳米结构陶瓷涂层的研究报道越来越多［1-2］，已成为热喷涂技术的研究热点。有关文献报道［3］，在普通基材表面喷涂WC 涂层表面整体性很好，其抗磨蚀性能超过
18－8不锈钢的4．6倍以上，但是，将纳米WC 作为喷
涂材料添加剂的报道还不多见。
本文就是在传统的Fe /WC 喷涂材料中添加不同含量的纳米WC ，研究了纳米WC 对涂层耐磨性的影响，并找出最佳的添加量。
1试验材料及方法1．1
试验材料
试样的基材为Q235钢，规格分别为准20mm×5
mm （用于金相、显微硬度、XRD 试验）和准20mm×18mm （用于耐磨性试验）。喷涂材料以Fe－WC 为
主，同时添加少量的纳米Ni 、纳米CeO 2以及不同含量的纳米WC ，在干燥状态下机械混合，纳米Ni 的添加量为2％，纳米CeO 2的添加量为1％，纳米WC 的添加量分别为0，2％，4％，6％，微米级WC 添加
量为30％，Fe 为余量。
1．2试验方法
采用亚音速火焰喷涂方法制备陶瓷喷涂层，在喷
涂过程中保持喷涂工艺参数不变，见表1。在MM－
W1型摩擦磨损试验机上进行耐磨性试验，试验时陶
瓷喷涂层与180＃砂纸接触。主要试验参数：转速为
200r/min ；施加力为60N ，时间为10min 。利用日本
日立公司生产的SN－3400型扫描电镜对涂层进行表面形貌观察；显微硬度采用HXD－1000TM 型显微硬度计测试。
2试验结果及分析
2．1
纳米WC 对涂层组织的影响
图1为喷涂层截面显微组织照片。结合以前的研
究结果可知［4-5］，熔融的金属陶瓷粉体在高速气流的作用下快速飞向基体表面，展平后形成典型的层片状组织形貌，片状组织间的黑色组织为喷涂过程中形成的氧化物，涂层中尚有未熔化的WC 颗粒，另外还有少量的空洞缺陷存在。未添加纳米WC 的涂层晶粒间的结合差，涂层的组织相对疏松，涂层中夹杂着一定量的孔洞（图1a 中Ⅰ处）和裂纹，这样大大降低了涂层的结合强度以及耐磨性；而涂层中仅加了2％的
表1
喷涂工艺参数
氧气压力
/MPa 乙炔压力
/MPa 空气压力
/MPa 喷涂距离
/mm 喷涂角度/（°）
涂层总厚度
/mm 0．8
1．1～1．2
0．4
200～300
45～90
0.4～0．6
12
Welding Technology Vol．39No．2Feb.2010纳米WC 时，涂层组织明显比未添加纳米WC 的涂层致密均匀，且涂层中孔洞减少，涂层与基体的结合相对良好；组织形态最好的是加了纳米w （WC ）4％的涂层，涂层组织晶粒明显细化，涂层中扁平粒子间搭接严密，涂层中几乎没有孔洞，致密性好，涂层与基体的结合也良好；而加了w （WC ）6%的涂层组织晶粒粗大，且中间夹杂着一些孔洞，看似内部晶粒存在堆积团聚，图1d 中Ⅱ处。
由此可见，随纳米WC 添加量的不同，涂层的显微组织也发生明显变化，说明纳米WC 的加入影响了
Fe /WC 喷涂层的显微组织，当添加纳米w （WC ）4％
时，涂层组织得到细化，喷涂层组织均匀分布，致密性最高，涂层与基体的结合最好。
分析认为，纳米WC 颗粒小，比表面积大，活性高，增大了涂层中颗粒之间的润湿程度，促进了涂层内部颗粒的结合，另外纳米WC 熔融性好［6］，在碰到基体表面时变形大，平铺性较好，使得涂层内部结合紧密，致密性提高；热喷涂时纳米WC 粒子在冷却过程中，凝固晚于常规微米粒子，显示出明显的“液相烧结”［7］作用，加之纳米粒子的表面效应，具有很高的化学活性，极易与其他原子相结合而形成稳定的化合物，涂层内部颗粒出现微冶金结合，减少了涂层中的O ，S 等非金属元素含量，促使涂层中气孔减少、致密性提高。
对添加了纳米w （WC ）4％的涂层进行X 射线衍射
试验可知，在氧乙炔火焰高温作用下，WC 分解出了
W 2C 和W ，如图2所示。随着纳米WC 添加量的增
加，由于WC 的分解复合涂层中自由碳的含量也随着增加［8］，自由碳被氧化生成CO 2气体从涂层中不能完全释放出来，从而在涂层中产生大量孔隙，这些孔隙破坏了涂层结构的致密性和冶金结合性，因此，当添加纳米w （WC ）6％时，涂层的内部组织粗大且夹杂着孔洞。
2．2
纳米WC 对涂层显微硬度的影响
涂层显微硬度与纳米WC 添加量的关系如图3所
示。可见，随着纳米WC 添加量的变化，涂层的显微硬度呈先升高后降低的趋势。
分析认为，纳米WC 颗粒在涂层中弥散分布起到弥散强化的作用［9］，提高了涂层的显微硬度；其次是纳米WC 自身硬度很高，可达HV2000，涂层在细小纳米WC 的弥散强化和大颗粒微米WC 保护强化的综合作用下，显微硬度亦相应增大。由于WC 的密度大，随着添加量进一步增加到w （WC ）6％，涂层中易出现比重偏析和团聚现象，WC 颗粒发生团聚增加了材料的局部热失配，造成涂层成分分布不均，涂层整
·试验与研究·图1
添加不同含量纳米WC 的喷涂层显微组织
（a ）未添加纳米WC
（b ）添加纳米w （WC ）2%
（c ）添加纳米w （WC ）4%
（d ）添加纳米w （WC ）6%
50μm
50μm
50μm
50μm
Ⅰ
Ⅱ
300
250
200150100500
30
40
50607080
2θ/（°）
衍射强度/C P S
WC W FeO Fe FeNi Cr 3O Cr 2O 3CeO 2CeNi 3
图2
喷涂层X-ray 衍射图谱
图3
涂层显微硬度与纳米WC 添加量的关系
12001000
8006004002000
2
4
6
纳米WC 的添加量（%）
显微硬度/H V
13
焊接技术第39卷第2期2010年2月
体的性能不均衡；如前所述，由于WC 的脱碳分解，涂层组织中显微孔洞增多，造成涂层组织疏松，导致涂层韧性降低，涂层的显微硬度降低［10］。
2．3纳米WC 对涂层耐磨性的影响
图4为涂层耐磨性与纳米WC 添加量的关系。从
图中可以看出，涂层的耐磨性随着纳米WC 加入量的变化，亦呈先增大后下降的趋势，当纳米w （WC ）4％时耐磨性最高。磨损试验后的涂层表面形貌如图5所示。
结合耐磨性的试验结果，比较图5中涂层在磨损后的表面形貌可以看出，涂层的耐磨性越差，涂层剥落越严重，而且添加与未添加纳米WC 的涂层在磨损表面形貌上有着非常明显的差别。在未添加纳米WC 的图5a 涂层的表面上，由于硬质相WC 的脱落，涂层表面出现了大量黑色的凹坑，存在清晰的划痕，划痕宽而深，并且有较多磨损碎片剥落后留下的低洼坑谷，与其相比，添加了纳米WC 的图5b ，c ，d 涂层表面相对平整，涂层的剥落相对较少。但是，由于纳米WC
添加量的不同，涂层的磨损程度也不完全一样，进一步比较图5中b ，c ，d 图，可以看到，图5b 涂层磨损后的表面形貌图上也存在硬质相的剥落，也有少量的凹坑存在，但划痕不明显，比较浅；与其相对比，图
5c ，d 涂层的磨损表面没有明显的划痕以及剥落，可
以看出，添加纳米w （WC ）4%的图5c 涂层表面几乎没有剥落，只有少量非常浅的塑性犁构变形，但是，由于图5d 所示的涂层中纳米WC 添加量稍多，涂层的磨损程度比图5c 涂层的稍大。因此可以说，由于纳米
WC 的特殊性能和作用，使涂层的耐磨性得到了提高。
分析认为，Ni ，Fe 粉体熔点低，在氧乙炔火焰温度下即可熔融，形成韧性较好的Fe－Ni 固溶体，为硬质相WC 提供了强有力的支撑，当硬质磨粒在施加力作用下与涂层接触时很难嵌入Fe /WC 涂层，从而
有效地抵抗磨粒的微观切削，使涂层的耐磨性得到提高［11］；其次，由于加入的纳米WC 晶粒尺寸细小，纳米以及亚微米尺寸晶界密度增大，阻止了涂层磨损过程中裂纹的进一步扩展，致使涂层的耐磨性提高。在热喷涂过程中，纳米WC 硬质颗粒作为第二相粒子分散在涂层中，形成了具有更高显微硬度的涂层结构，显微硬度的提高使涂层抗犁削的能力提高，从而使涂层抗磨粒磨损的能力提高［12］。纳米WC 颗粒呈表面较为平滑的米粒形，在摩擦副接触表面起“微滚针”的作用，使得部分滑动摩擦转变为滚动摩擦，有利于降低摩擦系数和提高耐磨性。因而加入适量纳米WC ，复合涂层的耐磨性会提高。
通过对涂层的SEM ，XRD 测试分析可知，导致
复合涂层有较高耐磨性的另一原因还在于高速的涂覆组装及引入的纳米WC 颗粒的“纳米效应”，涂层中的细晶强化、超细硬质颗粒的弥散强化、提高涂层之间硬质相与Fe－Ni 固溶体之间结合强度等综合作用的结果，使得涂层具有很高的耐磨性。
当添加纳米w （WC ）6％时，可能由于涂层显微硬度下降以及纳米粉体含量过多对喷涂工艺的负面影响造成组织疏松、涂层韧性降低，使得耐磨性下降。
3结论
（1）添加适量的纳米WC 可以改善涂层组织形
貌，当纳米w （WC ）4％时，涂层组织形貌最佳。
·试验与研究·0.100.08
0.060.040.020
24
6
纳米WC 的添加量（%）
耐磨性/m g -1
图4
涂层耐磨性与纳米WC 添加量的关系
图5
磨损后涂层的表面形貌图
（a ）未添加纳米WC
（b ）添加纳米w （WC ）2%
（c ）添加纳米w （WC ）4%
（d ）添加纳米w （WC ）6%
100μm
100μm
100μm
100μm
14
Welding Technology Vol．39No．2Feb.2010!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
（2）纳米WC 可以提高涂层的显微硬度及其耐磨性，当纳米w （WC ）4％时，涂层的显微硬度最高，耐磨性最好。
参考文献：
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收稿日期：2009-08-09
文章编号：1002－025X (2010)02-0015-03
42CrMo 激光焊焊缝组织
庞
铭1，谭建松1，王建平1，吴
波1，解志民1，胡定云1，郑彩云2
（1．中国北方发动机研究所分所，河北廊坊065000；2．中国科学院力学研究所，北京100190）
摘要：42CrMo 合金钢C 含量高、合金元素含量多、淬硬倾向大，焊接性能差。激光焊接具有功率密度高、焊接变形小等优点，适合焊接传统工艺难焊的同种或异种金属。通过额定功率为3kW 的Nd∶YAG 固体激光器焊接42CrMo ，采用光学显微镜（OM ）、扫描电镜（SEM ）、X 衍射、硬度仪分析了焊缝区域组织、成分和硬度变化。研究结果表明：焊缝区域组织为马氏体，热影响完全淬火区的组织为马氏体+贝氏体组织，热影响不完全淬火区的组织为贝氏体。从焊缝正面到焊缝背面的硬度分布表明：由于焊缝正面有保护气体的作用提高了焊缝正面熔池的冷却速度，使焊缝背面的硬度低于焊缝正面的硬度。关键词：激光焊接；42CrMo ；焊缝硬度；组织中图分类号：TG 456．7
文献标志码：B
·试验与研究·42CrMo 是合金中碳钢，由于具有良好的强度、
韧性匹配及较高的疲劳强度，在中硬齿面齿轮上应用广泛［1］。受加工条件限制，大直径锻造齿轮整体制造很困难，甚至必须分体加工后再通过焊接实现连接［2］。但42CrMo C 含量高，合金元素含量多，淬硬倾向比较大，由国际焊接学会推荐的公式计算该钢的碳当量为0．87％，其焊接性很差。目前采用的焊接方法有弧焊、电阻焊和电子束焊等方法［3］。采用传统
的焊接方法，必须进行预热和焊后热处理，同时调质状态如何避免焊接热影响区的软化也是一个很大的挑战。
激光焊接具有功率密度高、焊接速度快、焊接热影响区小、焊接试样变形小等优点，适合焊接传统工艺难焊的同种或异种金属［4］。北京工业大学的吴世凯研究了采用激光填丝焊接合金钢42CrMo ，本文研究了采用不填丝激光焊接42CrMo 合金钢组织演变和接头的力学性能，为采用不填丝激光焊接42CrMo 工业应用奠定基础。
作者简介：李建国（1950—），男，河南洛阳人，教授，主要从事纳米材料在热喷涂中应用的研究.
15
Welding Technology Vol．39No．2Feb.2010
Effect of electromag n etic stirring on TIG weld-quality of AZ61magnesium alloy LIU Zheng-jun ，JIA Hua ，SU Yun-hai ，TANG Xing -tao
（School of Material Sciences and Engineering ，Shenyang University of Technology ，Shenyang 110178，Liaoning pro．，China ）P8-11
Abstract ：In order to improve the poor weldability of AZ61magnesium alloy ，AC lognitudinal magnetic field was employed to GTAW．The effect of eletromagnetic stirring on hot crack and gas cavity of welded jiont was studied through analy z ing the microstruture．The results indicated that the crystal process was changed ，the bubble was rised ，the sensibility of hot crack was depressed and the hot crack was restrained by electromag n etic stirring．Also the primary crystal organization of welding joint was refined．And the low melting eutectic was refined and spheroidized by electromag n etic stirring．So the mechanical properties of welding joint was improved．S oftening of welding joint was prevented effectively．Furthermore ，the quali t y of the welding joint was enhanced．
Key words ：lognitudinal magnetic field ，electromag n etic stirring ，magnesium alloy ，TIG welding
Effect of nanometer WC powder on wear resistance of thermal spraying coating LI Jian-guo 1，Guo Hong-jian 2，Du Mao-hua 1，Yao Qing-hu 1
（1．College of Materials Science and Engineering ，Inner Mongolian University of Technology ，Hohhot 010051，Inner Mongolian Autonomous Region ，China ；2．Engineering Training Center of Lanzhou Polytechnic College ，Lanzhou 730050，Gansu pro．，China ）P12-15
Abstract ：The nanometer Ni ，nanometer CeO 2and different addition nanometer WC powder were added into traditional metal--ceramic coating materials ，the composite coatings were manufactured on the surface of Q235steel by the s ubsonic flame spraying ，the microstructure and properties of coatings were studied ，the influence of the nanometer WC powders on the composite coating were researched．The result s showed that ，with suitable addition of the nanometer WC in the Fe ／WC coating ，the microstructure of the spraying coating could be refined ，microhardness and wear resistance of the coating could be increased．
Key word s ：s ubsonic flame spraying ，Fe /WC coating ，n anometer WC ，wear resistance
Weld microstructure of steel 42CrMo by laser welding
PANG Ming 1，TAN Jian-song 1，WANG Jian-ping 1，WU B o 1，X IE Zhi-ming 1，HU Ding-yun 1，ZHENG Cai-yun 2
（1．Substation China North Engine Research Institute ，Langfang 065000，Hebei pro．，China ；2．Institute of Mechanics ，Chinese Academy of Sciences ，Beijing 100190，China ）P15-16，20
Abstract ：It wa s difficulty to weld alloy steel 42CrMo for its high contents of carbon and diverse element．Laser welding wa s a high energy-density ，low heat-input process with specific advantages over conventional fusion welding processes．These include d high welding speed ，narrow heat-affected zone and low distortion．Laser welding ha d distinct advantage over conventional fusion welding processes．Exploring experiments of laser welding alloy steel 42CrMo were conducted．Microstructure of the welded seam was characterized by optical microscopy （OM ），scanning electron microscopy （SEM ）and X-ray diffraction （XRD ）．Mechanical properties of the welded seam were evaluated by microhardness．The r esults show ed that microstructure of welded seam wa s martensite．Completly quench region wa s martensite and bainite．Local quench region wa s bainite．Microhardness of the welded seam on bottom surface wa s lower than that of top surface due to protective gas effect．Key words ：l aser welding ，42CrMo ，m icrohardness ，m icrostructure
Ⅰ
·英文标题、摘要及关键词·MAIN TOPICS,ABSTRACTS ＆KEY WORDS