丁懷博，劉成威，陳嘉誠(chéng)，王惠生，吳樹(shù)輝，覃恩偉，王博，黃騫，陸海峰，鄧春銀

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司,北京100029 2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

關(guān)鍵字:高速電弧噴涂；Fe 基涂層；微觀組織結(jié)構(gòu)；耐磨性；磨損機(jī)制

0 引言

熱噴涂技術(shù)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，廣泛用于材料表面的強(qiáng)化，提高材料的耐腐蝕、耐磨損等性能[1-3]。熱噴涂是利用特定熱源將材料加熱至熔融或者是半熔融狀態(tài)，在氣流的作用下將熔滴以一定的速度噴射到基材表面，形成表面強(qiáng)化層的一種工藝[4-5]。常見(jiàn)的熱噴涂方式包括電弧噴涂[6]、火焰噴涂[7]、等離子噴涂[8]、爆炸噴涂[9]等熱噴涂技術(shù)。其中高速電弧噴涂因其噴涂生產(chǎn)效率高、成本低、操作簡(jiǎn)易以及靈活便捷有利于現(xiàn)場(chǎng)施工，在工程現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[10-12]。

高速電弧噴涂技術(shù)是再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的發(fā)展和完善，噴涂工藝和噴涂材料都得到很大提高。在上世紀(jì)末，粉芯絲材的出現(xiàn)，因其成分可調(diào)，結(jié)合高速電弧噴涂靈活方便、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢(shì)，拓寬了高速電弧噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域，使得在石油化工、水力機(jī)械、火力發(fā)電及供熱等工業(yè)領(lǐng)域被廣泛推廣，用于工業(yè)領(lǐng)域零部件的表面修復(fù)及強(qiáng)化[13-14]。對(duì)于要求具有耐磨性工況應(yīng)用的場(chǎng)景，F(xiàn)e 基合金因其成本較低、優(yōu)異的機(jī)械性能等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[15]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)向Fe 基合金中添加硬質(zhì)相元素，采用高速電弧噴涂技術(shù)制備涂層，可大大提高涂層的耐磨性能[16]，比如添加B、C 等硬質(zhì)相元素[17]。Son 等人[18]研究結(jié)果顯示硬質(zhì)相B、C 元素的添加，在FeCr 固溶體中會(huì)生成Cr2B、Fe2B 等硬質(zhì)相，由于這些硼化物非常堅(jiān)硬，穩(wěn)定性好、耐腐蝕，增強(qiáng)了合金的機(jī)械性能，合金的硬度、高耐磨性和耐腐蝕性是不銹鋼的2～5 倍。Yuksel 等人[19]研究了硬質(zhì)相的元素含量對(duì)涂層耐磨性能的影響，研究結(jié)果表明硬質(zhì)相元素含量的增加，使得涂層的磨損量降低，有效提高涂層的耐磨性能。高振等人[20]研究了涂層的摩擦磨損特性，結(jié)果顯示涂層的磨痕深度遠(yuǎn)小于基體，說(shuō)明了涂層相對(duì)于基體具有更優(yōu)異的耐磨性。Guo 等人[21]研究了高速電弧噴涂Fe 基涂層的微觀形貌，結(jié)果顯示噴涂層呈典型的片層狀結(jié)構(gòu)，在相隔片層之間存在有氧化物和孔隙等缺陷,這些缺陷會(huì)降低涂層的耐磨性能。

本文研究采用粉芯絲材和高速電弧噴涂技術(shù)，在低碳鋼基體上制備FeBCSi 噴涂涂層，研究分析了涂層的顯微組織、基體到涂層的微觀硬度變化以及涂層的耐磨性能，并探究了基體與涂層的磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 材料及工藝

基體材料選用的是低碳鋼20G 鋼，試樣尺寸為100 mm×100 mm×10 mm，噴涂材料采用的是電弧噴涂粉芯絲材。絲材成分：Fe 余量、Cr12%、B7%、C1.85%以及Si 痕量。粉芯絲材是通過(guò)連續(xù)的軋制、拉伸等變形工序，實(shí)現(xiàn)絲材的包覆、合圓及減徑，生產(chǎn)出一定規(guī)格的粉芯絲材，粉芯絲材的微觀形貌如圖1 所示。

圖1 粉芯絲材的微觀形貌;(a) 絲材形貌；(b) 填充的粉末形貌Fig.1 Micromorphology of powder-cored wires:(a) wires morphology;(b) filling powder morphology

采用ZPG-400 型高速電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行電弧噴涂，噴涂前對(duì)基材表面進(jìn)行預(yù)處理，去除基材表面的油污、氧化皮等雜質(zhì)，凈化基材表面，并形成凹凸不平的粗糙面，為熔融或半熔融態(tài)的噴涂粒子提供拋錨點(diǎn)。噴砂工藝參數(shù)：空氣壓力0.6～0.8 MPa、噴砂距離150～200 mm、噴砂角度70°～80°；噴涂工藝參數(shù)：噴涂電壓40～45V，噴涂電流250～300A，空氣壓力0.6～0.8 MPa，噴涂距離150～200 mm，噴涂角度80°～100°。

1.2 結(jié)構(gòu)表征及性能檢測(cè)

采用ZEISS Axi Observer A3 型金相顯微鏡觀察涂層的微觀形貌，利用Image J 定量分析軟件測(cè)量涂層內(nèi)部的孔隙率。采用Tescan VEGA TS 型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察摩擦磨損試驗(yàn)后基體和涂層磨損后的微觀形貌。采用Qness Q10A+型維氏硬度計(jì)測(cè)量涂層的微觀硬度，載荷為0.3 kg，保載時(shí)間10 s。

采用HT-500 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)涂層進(jìn)行磨損試驗(yàn)，為球-盤(pán)摩擦方式，對(duì)磨材料為?5 mm的Si3N4球，試驗(yàn)條件為對(duì)磨半徑2 mm，載荷6.17 N，轉(zhuǎn)速560 rpm，對(duì)磨時(shí)間5 min，總滑動(dòng)距離為35.17 m。每次摩擦試驗(yàn)前后，經(jīng)超聲清洗和干燥，使用精度為10-4g 的電子天平測(cè)量試樣的質(zhì)量損失。該試驗(yàn)條件重復(fù)5 次，所得磨損率是5 次試驗(yàn)的平均值。采用Bruker GT 型白光干涉儀對(duì)磨痕進(jìn)行三維形貌分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)

采用石英砂對(duì)待噴涂表面進(jìn)行清潔和粗化處理，形成凹凸不平的粗糙面，在壓縮空氣的作用下，熔融或半熔融態(tài)的粒子噴射到基體表面，冷凝收縮時(shí)在粗糙面處與基體相互咬合，形成機(jī)械結(jié)合。圖2 為涂層橫截面的顯微組織形貌，從圖中可以看出，涂層呈典型的片層狀結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部存在有少量的氧化物，涂層較為致密，涂層的孔隙率為1.75±0.22%（體積分?jǐn)?shù)）。因?yàn)槿鄣卧趬嚎s空氣的作用下撞擊到基材表面鋪展凝固形成片狀，后續(xù)粒子不斷堆垛沉積，使得涂層呈片層狀結(jié)構(gòu)。在噴涂過(guò)程中，高速飛行的高溫熔滴不可避免的發(fā)生氧化，撞擊到基材表面時(shí)，會(huì)在層間夾雜氧化物。飛行過(guò)程中熔滴粒子具有不同的溫度和速度，使得粒子的鋪展、潤(rùn)濕和堆積過(guò)程也存在差異，出現(xiàn)不完全融合現(xiàn)象，同時(shí)熔滴的快速冷卻使得氣體來(lái)不及逸出，都會(huì)導(dǎo)致形成孔隙，同時(shí)，熔滴在快速冷卻成形過(guò)程中，由于溫度和熱物性參數(shù)的差異會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力，使得涂層內(nèi)部出現(xiàn)熱裂紋或冷裂紋[22]。

圖2 涂層的橫截面組織形貌：(a)低倍；(b) 高倍Fig.2 Cross-section micrograph of coating:(a) low magnification;(b) high magnification

圖3 為涂層的XRD 圖譜，從圖中可以看出，涂層主要是由 FeCr 固溶體、Fe 和 Cr 的氧化物、硼化物以及碳化物組成，其中硼化物和碳化物等硬質(zhì)相分布于涂層中，增加了涂層的硬度，提高了涂層的耐磨性能。

圖3 涂層的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of the coating

2.2 涂層的微觀硬度

圖4 為從涂層表面到基體的微觀硬度變化，從圖中可以看出，涂層的平均微觀硬度為591.64±29.58 HV0.3，基體的平均微觀硬度為168.60±16.43 HV0.3，涂層的微觀硬度高于基體，因?yàn)樵谕繉又袕浬⒎植加信鸹锏绕渌操|(zhì)相，可以增強(qiáng)涂層的微觀硬度。從圖中還可以看出，在相同載荷以及恒載時(shí)間下，涂層上留下的壓痕小于基體上的壓痕，這也說(shuō)明了，涂層的微觀硬度大于基體。并且涂層的微觀硬度在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，主要因?yàn)閲娡窟^(guò)程中在涂層內(nèi)部會(huì)形成松散的氧化物、孔隙等微觀缺陷，這會(huì)降低涂層局部的微觀硬度。Habib 等人[23]的研究結(jié)果表明熔融粒子的溫度和速度影響了涂層內(nèi)部的氧化物含量以及涂層的致密度，這都會(huì)導(dǎo)致涂層局部微觀硬度的變化，這與圖4 中的研究結(jié)果是相似的。涂層的硬度可以反映其耐磨性能，硬度越高，耐磨性越好[24]。

圖4 從涂層表面到基體的微觀硬度變化Fig.4 Changes of microhardness from coating to substrate

2.3 涂層的摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦系數(shù)

圖5 展示了涂層與基體的摩擦系數(shù)曲線以及磨損量，從圖5(a)中可知，在摩擦磨損初期，由于磨損試樣經(jīng)過(guò)拋光處理，表面的粗糙度較小，摩擦產(chǎn)生的阻力也較低，使得摩擦系數(shù)的數(shù)值較低。隨著摩擦磨損試驗(yàn)的進(jìn)行，摩擦系數(shù)曲線逐漸趨于平穩(wěn)，涂層的摩擦系數(shù)低于基體，涂層的摩擦系數(shù)約為0.472，基體的摩擦系數(shù)約為0.748。主要是因?yàn)橥繉釉谀p過(guò)程中，由于硬質(zhì)相的存在，會(huì)使涂層產(chǎn)生磨粒磨損，硬質(zhì)相顆粒起到一定的潤(rùn)滑作用，使得涂層的摩擦系數(shù)較低，并且涂層中硬質(zhì)相彌散分布韌性相中，在磨損過(guò)程中，韌性相先被磨損，其硬質(zhì)點(diǎn)漏出，導(dǎo)致涂層的摩擦系數(shù)出現(xiàn)波動(dòng)。對(duì)磨材料Si3N4相對(duì)基體材料來(lái)說(shuō)，其硬度較高，在磨損過(guò)程中切削基體，在較高摩擦溫度下，基體會(huì)產(chǎn)生一定的粘著，導(dǎo)致基體的摩擦系數(shù)較高。由圖5(b) 可知，在相同磨損條件下，涂層與基體的磨損質(zhì)量損失，分別為17.62±0.88 mg 和82.36±4.12 mg，涂層的質(zhì)量損失低于基體材料。主要是涂層中存在有硼化物等硬質(zhì)相，使得涂層的磨損量相對(duì)基體來(lái)說(shuō)降低了78.61%，顯示出了涂層具有較好的耐磨性能。

圖5 涂層與基體的摩擦系數(shù)和磨損量：(a)摩擦系數(shù)；(b)磨損量Fig.5 The friction coefficient and wear loss between coating and substrate:(a) friction coefficient;(b) wear loss

2.3.2 磨損形貌

為了直觀的觀察基體與涂層摩擦磨損后的表面形貌，更好的分析基體與涂層的耐磨性能，通過(guò)采用白光干涉儀對(duì)試樣磨損后表面的三維形貌進(jìn)行了測(cè)量分析。圖6 為基體與涂層的三維磨痕形貌，從圖中可以看出，在相同載荷和加載時(shí)間下，對(duì)磨球?qū)w進(jìn)行切削，在表面留下一條較深的溝槽，切削下來(lái)的基體材料在對(duì)磨球的擠壓下，在溝槽邊緣形成一個(gè)凸型輪廓，而涂層表面只留下一層較淺的磨痕，并殘留一些脫落的斷裂層。因?yàn)橥繉拥挠捕雀哂诨w的硬度，使得涂層的耐磨性能較好，涂層相對(duì)于基體材料來(lái)說(shuō)，其磨損痕跡相對(duì)較淺，沒(méi)有較深的溝槽。

圖6 三維磨痕形貌：(a)基體；(b)涂層Fig.6 Three-dimensional wear morphology:(a) substrate;(b) coating

為了更為直觀的觀察基體與涂層的磨痕形貌，通過(guò)磨痕的輪廓曲線定量分析了磨痕的深度和寬度，如圖7 和表1 所示。從圖7 和表1 中可以看出，基體磨痕的寬度和深度分別為296.83±14.64 μm、2.69±0.23 μm，磨痕較深、寬度較窄，主要是因?yàn)榛w的硬度較低，對(duì)磨球切削基體表面，形成較深的犁溝。涂層的磨痕的深度和寬度分別為474.60±22.38 μm、1.02±0.08 μm，磨痕較淺、寬度較寬，因?yàn)橥繉泳哂休^大的硬度，表面不容易被切削形成較淺的溝槽，但涂層表層因硬度較大而發(fā)生脆裂脫落，導(dǎo)致寬度較大，硬度越大，這個(gè)現(xiàn)象會(huì)越明顯。

圖7 基體與涂層的磨痕輪廓曲線Fig.7 Wear grooves profile curve of substrate and coating

表1 基體與涂層磨痕的深度和寬度Table 1 Depth and width of wear grooves of substrate and coating

2.3.3 磨損機(jī)理

磨料磨損和粘著磨損是材料在磨損過(guò)程中常見(jiàn)的兩種磨損形式，在實(shí)際磨損過(guò)程中，幾種磨損形式是同時(shí)共存的，但是某種磨損機(jī)制會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位[25-26]。

圖8 為基體與涂層的磨損形貌，從圖中可以看出，基體因硬度較低，表面被對(duì)磨球切削，并且切削下來(lái)的材料在摩擦高溫下被氧化、軟化，生成氧化物附著在磨損表面，發(fā)生粘著磨損。涂層因硬度較大，在磨損過(guò)程中表層的涂層發(fā)生脆裂、剝落現(xiàn)象，并且脆裂過(guò)程中產(chǎn)生的部分硬質(zhì)磨粒充當(dāng)磨料，發(fā)生磨料磨損。

圖8 基體和涂層的磨損形貌：(a) 基體；(b) 涂層Fig.8 Wear morphology of substrate and coating:(a) matrix;(b) coating

3 結(jié)論

本文采用高速電弧噴涂技術(shù)在基體低碳鋼表面制備FeBCSi 耐磨噴涂涂層，研究了涂層的組織形貌、微觀硬度以及摩擦磨損性能，并對(duì)其磨損機(jī)制進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1) 高速電弧噴涂制備的涂層呈典型的片層狀結(jié)構(gòu)，在涂層內(nèi)部存有少量的氧孔隙、氧化物以及微觀裂紋等缺陷，涂層較為致密，孔隙率為1.75±0.22%。

(2) 從基體到涂層表層的微觀硬度是增加的，涂層的平均微觀硬度為591.64±29.58 HV0.3，基體的平均微觀硬度為168.60±16.43 HV0.3，涂層的硬度大約是基體硬度的四倍左右，主要是硼化物等硬質(zhì)相提高了涂層的微觀硬度。

(3) 在相同摩擦磨損條件下，涂層的磨損量相對(duì)基體來(lái)說(shuō)降低了78.61%，在磨損過(guò)程中，對(duì)磨球切削基體表面，形成寬度為296 μm、深度為2.69 μm 深的犁溝，涂層因具有較大的硬度，表面不容易被切削形成較淺的溝槽，并發(fā)生脆裂、剝落，所以涂層的磨痕深度較淺、寬度較大。

(4) 在摩擦磨損過(guò)程中，基體表面被對(duì)磨球切削下來(lái)的材料在摩擦產(chǎn)生的高溫下被氧化、軟化，生成氧化物，發(fā)生粘著磨損。而涂層硬度較大，在脆裂過(guò)程中產(chǎn)生硬質(zhì)磨粒，發(fā)生磨料磨損，因此，基體與涂層的磨損機(jī)制由粘著磨損向磨料磨損轉(zhuǎn)變。