石亮，陳坤，常雪婷，王東勝，尹衍升

摩擦磨損與潤(rùn)滑

球形碳化鎢增強(qiáng)鈷基堆焊涂層的組織及低溫耐磨性

石亮1a,1b，陳坤1a，常雪婷1a，王東勝1a，尹衍升2

（1.上海海事大學(xué) a.海洋科學(xué)與工程學(xué)院 b.科技情報(bào)研究所，上海 201306；2.廣州航海學(xué)院 嚴(yán)酷海洋環(huán)境裝備與材料蝕損過(guò)程控制研究中心，廣州 510725）

提升低溫鋼的摩擦磨損性能，為極地特殊船板的焊補(bǔ)和延壽技術(shù)提供試驗(yàn)依據(jù)。利用等離子轉(zhuǎn)移弧技術(shù)，在低溫鋼E32表面堆焊制備3組球形不同碳化鎢含量的鈷基涂層，比較該改性涂層和E32鋼在低溫條件下（–20 ℃）的摩擦磨損性能。通過(guò)X射線衍射儀、掃描電子顯微鏡、能譜分析儀、3D光學(xué)輪廓儀等研究手段，分析碳化鎢含量對(duì)堆焊層耐磨損性能和顯微組織的影響規(guī)律，并揭示其耐磨損機(jī)理。在載荷為50 N、滑動(dòng)速度為20 mm/s條件下，經(jīng)2 h干滑動(dòng)摩擦磨損后，3組涂層較低溫鋼E32的摩擦系數(shù)和體積磨損率均下降，磨痕的寬度和深度均變小。富含WC、W2C增強(qiáng)相以及Cr23C6、Cr7C3、Co6W6C和Fe6W6C等碳化物硬質(zhì)相的涂層，顯著提升了E32鋼的硬度和低溫耐磨性。涂層的低溫耐磨性能隨著碳化鎢含量的增大而提高，未添加碳化鎢的涂層的主要磨損機(jī)理為磨粒磨損和粘著磨損，當(dāng)碳化鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和60%時(shí)，主要磨損機(jī)理為三體磨粒磨損。通過(guò)在E32鋼表面進(jìn)行等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊，得到了結(jié)構(gòu)致密、高硬度和抗低溫耐磨性的球形碳化鎢增強(qiáng)鈷基表面改性涂層，在一定程度上提升了低溫鋼的服役壽命。

等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊；鈷基涂層；球形碳化鎢；低溫；摩擦磨損

北極地區(qū)蘊(yùn)藏著豐富的油氣礦產(chǎn)資源，對(duì)東南亞國(guó)家改善能源結(jié)構(gòu)具有重要的戰(zhàn)略意義。近年來(lái)，全球氣候的變暖使得北極航道的開(kāi)通成為可能，致使北極地區(qū)成為21世紀(jì)全球矚目的熱點(diǎn)和戰(zhàn)略博弈的新高地[1]。為了科學(xué)勘測(cè)和運(yùn)輸北極資源，極地破冰船技術(shù)一直都是研究熱點(diǎn)[2-4]。然而，北極地區(qū)冬季時(shí)間長(zhǎng)，平均氣溫約為–20 ℃[5]，極地船舶長(zhǎng)期服役于低溫低濕環(huán)境，且在航行過(guò)程中會(huì)受到海水及海冰的連續(xù)撞擊和摩擦，導(dǎo)致船體鋼板磨損失效。此外，我國(guó)現(xiàn)有破冰船船體的耐低溫結(jié)構(gòu)材料仍主要依賴進(jìn)口。因此，極地特殊船板的焊補(bǔ)和延壽技術(shù)顯得尤為重要，通過(guò)先進(jìn)的表面改性技術(shù)，對(duì)極地船舶進(jìn)行維護(hù)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

表面涂層技術(shù)是保護(hù)材料的有效方法之一，激光熔覆、超音速熱噴涂、等離子體轉(zhuǎn)移弧堆焊是目前3種用于制備金屬基復(fù)合涂層（MMCs）最常用的方法。其中，等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊技術(shù)具有成本低、熔深淺、冶金結(jié)合性能好和熔覆率高等優(yōu)點(diǎn)，成為MMCs中應(yīng)用最為廣泛的一項(xiàng)技術(shù)[6-7]。鈷基合金兼具相對(duì)較高的硬度和較低的摩擦系數(shù)，從而具有優(yōu)異的耐磨蝕、抗熱疲勞等性能，在機(jī)械、化工、航空和航天等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[8-10]。在鈷基合金中，通常會(huì)添加WC、TiC、VC、Al2O3等陶瓷材料作為增強(qiáng)相，來(lái)提高M(jìn)MCs的硬度和耐磨耐蝕性。WC作為最常用的耐磨材料，具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性能、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于刀具、采礦業(yè)、鉆孔和機(jī)加工等領(lǐng)域[11-12]。Ni、Co和Fe等金屬能很好地潤(rùn)濕WC等高硬度材料，常與WC組成復(fù)合粉末，顯著提高金屬材料的表面耐磨性能[13]。鑄造的碳化鎢顆粒通常為針狀、片狀或多角狀等不規(guī)則形狀，在堆焊涂層時(shí)，由于應(yīng)力集中，會(huì)產(chǎn)生裂縫。球形碳化鎢粉末顆粒具有均勻的內(nèi)部組織，克服了多角狀碳化鎢粉末的應(yīng)力集中缺陷，使涂層具有優(yōu)異的耐磨性[14]。

金屬基復(fù)合涂層的耐磨性能受到碳化物顆粒、粉體硬度、涂覆工藝等多種因素的影響。劉建秀等[15]研究發(fā)現(xiàn)，不同碳化鎢含量對(duì)銅基涂層的磨損性能具有顯著影響，當(dāng)碳化鎢含量超過(guò)一定量后，可能會(huì)造成裂紋等缺陷，盡管涂層的耐磨性能有所提高，但明顯增多的微裂紋會(huì)在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中帶來(lái)很多危害。何波等[16]采用激光熔覆技術(shù)，在45#鋼基材上制備了碳化鎢/鈷基合金復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)鈷基合金涂層的磨粒磨損機(jī)理主要為微觀切削，碳化鎢/鈷基合金復(fù)合涂層的磨粒磨損機(jī)理主要為擠壓剝落。李明喜等[17]在鎳基高溫合金表面熔覆鈷基合金，比較了熔覆層兩道之間搭接重熔區(qū)與非重熔區(qū)的組織特征。Silva等[18]用冷噴涂法在7075-T6合金上制備了2種WC-Co涂層，發(fā)現(xiàn)WC-25Co具有較好的耐鹽霧腐蝕性能。Lamana等[19]研究了鈷含量和HVOF沉積工藝對(duì)WC-Co涂層斷裂韌性和抗氣蝕性能的影響。

盡管國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈷基碳化鎢涂層的組織和耐磨性做了大量研究，但以往研究都集中于常溫環(huán)境，且涂層采用的大多為不規(guī)則碳化鎢。另外，極地船舶在航行過(guò)程中處于低溫環(huán)境，而關(guān)于球形碳化鎢增強(qiáng)的鈷基復(fù)合涂層在低溫環(huán)境下磨損行為的研究較為少見(jiàn)。本文采用等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊技術(shù)，在E32低溫鋼表面制備了球形碳化鎢增強(qiáng)鈷基涂層，比較研究不同碳化鎢含量涂層和基材的組織、硬度及低溫摩擦磨損性能，為等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊技術(shù)在低溫鋼上的應(yīng)用提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料及制備

基體材料為萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的船舶低溫鋼E32，其化學(xué)成分（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)，下同）為：C 0.15%，Si 0.26%，Mn 1.42%，Cr 0.05%，P 0.01%，Al 0.03%，Ni 0.14%，Nb 0.02%，Cu 0.01%，F(xiàn)e余量?；w材料尺寸為100 mm×100 mm。使用前，用200#—1000#碳化硅砂紙將試樣逐級(jí)打磨平整，使用無(wú)水乙醇清洗，干燥后置于干燥箱中，待用。試驗(yàn)粉末選取赫格納斯公司生產(chǎn)的鈷粉和球形碳化鎢粉末，鈷基合金粉末的化學(xué)成分為：C 1.0%，W 4.6%，Ni 1.1%，F(xiàn)e 0.2%，Cr 29.2%，Si 1.1%，Co余量。球形碳化鎢粉末的化學(xué)成分為：C 3.1%～4.1%，W余量。

選取鈷粉和球形碳化鎢粉末，分別按表1成分配比稱取，并使用行星式球磨機(jī)（QM-3SP4，南大儀器）進(jìn)行充分混合，球磨2 h。利用干式噴砂機(jī)（GP-1型）對(duì)E32鋼表面進(jìn)行噴砂處理，以去除油漬、銹跡、氧化皮，增加粗糙度和結(jié)合強(qiáng)度。使用等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊機(jī)（DML-V02BD型）在E32鋼上堆焊鈷基球形碳化鎢粉，具體制備工藝見(jiàn)表2。根據(jù)表2的工藝參數(shù)，制成3組鈷基碳化鎢堆焊涂層。

表1 復(fù)合粉末成分

Tab.1 Composition of composite powder　wt.%

表2 等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊工藝參數(shù)

Tab.2 PTAW parameters

1.2 方法

使用Microtrac S3500（Microtrac Inc）激光粒度分析儀對(duì)試驗(yàn)粉末進(jìn)行粒度尺寸分析，其中鈷粉顆粒尺寸主要分布在71～106 μm，而球形碳化鎢顆粒的尺寸則主要分布在127～163 μm，如圖1所示。另外，使用JSM 7500F型掃描電子顯微鏡（SEM）對(duì)粉末形貌進(jìn)行觀察，觀察結(jié)果與粒度分析結(jié)果相符，如圖2所示。

圖1 堆焊粉末的粒度分布

圖2 堆焊粉末的SEM形貌

將基體和涂層試樣切割成10 mm×10 mm×5 mm的樣品，試驗(yàn)前用碳化硅砂紙將試樣逐級(jí)打磨至2000#直至光滑，隨后用紅絲絨布和拋光劑在磨拋機(jī)上進(jìn)行拋光。采用HVS-1000型顯微硬度計(jì)分別對(duì)3組涂層試樣的不同位置進(jìn)行測(cè)試。每個(gè)試樣以熔合線處作為零點(diǎn)，垂直于熔合線分別向基體和涂層表面兩個(gè)方向沿直線進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，間隔0.1 mm打點(diǎn)測(cè)試。按照GB/T 4340《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)》，試樣每個(gè)區(qū)域至少測(cè)試7次，去除最高值和最低值后，取其平均值[20]。試驗(yàn)載荷為1.96 N，加載時(shí)間為10 s。使用多晶X射線衍射儀（X'Pert-ProMPD，荷蘭帕納科公司）進(jìn)行物相分析，掃描范圍為10°～90°，步進(jìn)式掃描速度為2 (°)/min，Cu-Kα射線，工作電壓為40 kV，電流為10 mA。E32鋼基體和涂層樣品的沖擊功數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 樣品在–20℃時(shí)的沖擊韌性

Tab.3 Impact toughness of the samples at –20 ℃

為了進(jìn)一步貼近極地船舶航行的服役工況，按照ASTM D1141—98配制3.5%NaCl溶液，以及石英砂質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%的含砂海水，模擬含冰環(huán)境。利用MSH-B型腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)E32鋼基體以及3種涂層試樣進(jìn)行常溫條件下的磨蝕試驗(yàn)，磨蝕速度為5.5 m/s，磨蝕時(shí)間為4 h。

用王水腐蝕堆焊層試樣，腐蝕時(shí)間為30 s。腐蝕后，用去離子水清洗至pH 5.4，烘干。采用JSM 7500F型SEM表征涂層表面和側(cè)面的組織結(jié)構(gòu)及碳化鎢分布，并用其自帶的X射線能譜分析（EDS）判斷涂層元素組成。利用BRUKER UMT TriboLab摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)配置的低溫試驗(yàn)?zāi)K，對(duì)3組不同碳化鎢含量的鈷基涂層以及E32基體進(jìn)行往復(fù)干摩擦磨損試驗(yàn)[2]。磨球?yàn)橹睆? mm的碳化鎢球，載荷為50 N，測(cè)試時(shí)間為2 h，頻率為2 Hz，溫度為–20 ℃。試樣的摩擦系數(shù)由磨損試驗(yàn)機(jī)軟件直接讀取記錄。

在低溫環(huán)境下的摩擦試驗(yàn)結(jié)束后，用雙面導(dǎo)電膠收集3組涂層的磨屑。采用JSM 7500F型SEM觀測(cè)磨屑及磨痕形貌，使用EDS分析其表面的元素組成。然后使用超聲波清洗樣品表面，采用白光干涉儀（Contour GT-I，Bruker公司）分析試樣磨損面，計(jì)算磨損體積。試樣磨損率r由式(1)計(jì)算[21]。

式中：r為體積磨損率，mm3/(N·m)；為載荷，N；為磨損體積，mm3；為摩擦行程，m。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織

3組鈷基堆焊涂層的XRD圖譜如圖3所示。可以看出，不含碳化鎢的純鈷基堆焊涂層主要由γ-Co和硬質(zhì)相Cr23C6、Cr7C3、Co6W6C組成，Co6W6C是由WC熔入Co中產(chǎn)生的合金化合物。球形碳化鎢顆粒增強(qiáng)鈷基堆焊層的物相較純鈷基涂層多了WC、W2C、Fe6W6C等物相。W2C是由等離子體轉(zhuǎn)移弧堆焊過(guò)程中熱源引起WC的脫碳分解產(chǎn)生的，WC、W2C大量熔解到γ-Co，生成了更多的Co6W6C相[22]。W原子和C原子與Fe反應(yīng)，形成Fe6W6C硬質(zhì)相。不同碳化鎢含量的鈷基堆焊層的物相種類基本相同，只是含量略有差異。

圖3 鈷基堆焊涂層試樣的XRD譜

純鈷基涂層試樣的微觀組織及相應(yīng)點(diǎn)的EDS譜如圖4所示。從圖4中可以觀察到，純鈷基堆焊層的微觀組織分布著大量灰色的奧氏體枝晶和白色細(xì)小、致密度高的共晶。大塊灰色區(qū)域的結(jié)構(gòu)為面心立方的γ-Co和富Co固溶體，共晶組織為M7C3和M23C6型碳化物[23]。由EDS分析測(cè)得，區(qū)域A含較多的Co和Cr，區(qū)域B除Co、Cr外，還有較高的C，說(shuō)明碳化物更多彌散分布在共晶區(qū)。結(jié)合XRD物相分析，可以確定灰色組織為γ-Co和Co6W6C共存的枝晶，白色組織為晶間碳化物Cr7C3、Cr23C6與γ-Co組成的共晶，兩者的Cr元素含量均較高，可見(jiàn)在堆焊層中形成了富含Cr的固溶體。

碳化鎢增強(qiáng)鈷基堆焊層試樣的微觀組織及相應(yīng)點(diǎn)的EDS譜如圖5所示。由圖5可知，碳化鎢的加入使得組織形貌發(fā)生了較大變化，出現(xiàn)了典型的魚(yú)骨狀組織。隨著碳化鎢含量的增加，沿γ-Co相晶界斷續(xù)分布的白色樹(shù)枝狀碳化物增多。2種碳化鎢含量的鈷基堆焊層的微觀組織形貌區(qū)別不大，均由沿未熔解球形碳化鎢顆粒周向分布的樹(shù)枝狀?yuàn)W氏體枝晶和魚(yú)骨狀共晶組織組成，與XRD的分析結(jié)果相互印證。圖5e的EDS能譜顯示，樹(shù)枝狀組織中，W元素的含量較高。結(jié)合圖3的XRD分析可知，高含量的W元素可能來(lái)自WC、W2C以及Fe6W6C的共同作用。

圖4 Co-0WC堆焊涂層試樣的微觀組織及相應(yīng)點(diǎn)的EDS譜

圖5 碳化鎢增強(qiáng)鈷基堆焊涂層試樣的微觀組織（a）—（d）及相應(yīng)點(diǎn)的EDS譜（e）—（f）

2.2 顯微硬度

3組鈷基堆焊試樣不同深度的顯微硬度如圖6所示。由圖6可知，純鈷基涂層的硬度相對(duì)較低，為1345HV0.2，與E32基體（691HV0.2）相比，提高了約95%。這是因?yàn)楣菭钐蓟镏У奈龀龊透哂捕茹t碳化物硬質(zhì)相共晶的聚集，且E32鋼表面在等離子體轉(zhuǎn)移弧堆焊過(guò)程中形成的Co6W6C相，可以起到第二相彌散強(qiáng)化的作用[24]。在加入碳化鎢后，涂層的顯微硬度平均值提高，其中添加30%WC、60%WC涂層的顯微硬度分別達(dá)1443HV0.2、1534HV0.2。堆焊涂層在等離子轉(zhuǎn)移弧熱源下，合金粉末元素的相互擴(kuò)散，形成了更多硬質(zhì)相化合物，有利于提高涂層的硬度[25]。堆焊涂層的顯微硬度隨著碳化鎢含量的增加而增大，主要原因是，碳化鎢添加量增多后，涂層中鉻碳化物硬質(zhì)相增多，此外還有未完全熔解的WC和W2C增強(qiáng)相。碳化鎢顆粒的存在會(huì)限制晶界滑移，阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，并且由于加入碳化鎢后，形核的質(zhì)點(diǎn)增加了，涂層在沉積過(guò)程中更容易形核，抑制了晶粒的聚集長(zhǎng)大，細(xì)化了晶粒[26]。隨著碳化鎢含量的增加，晶粒更加細(xì)化。由圖6可知，基體上靠近熔合線部分（–100～ 0 μm處）的硬度要高于基體本身，并且在涂層底部（0～200 μm），隨著距熔合線的距離增大，硬度逐漸增加。當(dāng)距離增大到200 μm后，涂層中間層（200～ 400 μm）的顯微硬度隨著距離的增加而略有下降。

圖6 鈷基堆焊涂層的顯微硬度

涂層的截面形貌如圖7所示。可以看到，熔合線呈現(xiàn)“白亮帶”狀態(tài)，“白亮帶”是由Fe和Co形成的固溶體組織。當(dāng)涂層被基體稀釋后，“白亮帶”的碳化鎢含量高于基體本身，其存在證明涂層與基體產(chǎn)生了冶金結(jié)合，導(dǎo)致硬度升高。另外，從圖7中可以看出，涂層底部富集大量未熔化的碳化鎢顆粒。這主要是由于雖然堆焊前充分混合了碳化鎢增強(qiáng)鈷基復(fù)合粉末，但碳化鎢的松裝密度高達(dá)9.75 g/cm3，為鈷基粉末松裝密度的2倍（4.7 g/cm3），且碳化鎢的熔點(diǎn)高達(dá)2870 ℃，熔化損失量很少。

3組涂層底部的硬度均高于基體，主要源于以下幾個(gè)方面的原因[27-28]：涂層本身有大量的硬質(zhì)相WC粒子；粘結(jié)相Co和主相WC結(jié)合，使涂層有很高的強(qiáng)度；涂層組織比較細(xì)小致密，裂紋和氣孔的比例大大減少。由熔合線到涂層底部，涂層硬度上升的主要原因是，涂層內(nèi)部吸收的能量較低，碳化鎢燒損較少，并且由于碳化鎢顆粒密度大于鈷基金屬，致使碳化鎢顆粒下沉，所以涂層底部硬度高。涂層中間層的硬度有所降低，主要是由于涂層表面獲得的能量較多，溫度較高，冷卻速度快，致使碳化鎢分解燒損，并且碳化鎢顆粒變得粗大稀疏，導(dǎo)致涂層表面的硬度低于涂層內(nèi)部。

圖7 碳化鎢增強(qiáng)鈷基堆焊涂層截面WC分布

2.3 耐磨性分析

E32鋼基體及涂層試樣在含砂海水環(huán)境中的磨蝕形貌如圖8所示。經(jīng)過(guò)4 h的磨蝕后，E32鋼發(fā)生了一定程度的腐蝕與磨損，表面覆蓋有銹層，部分區(qū)域銹層疏松脫落，出現(xiàn)磨蝕坑，且有砂粒鑲嵌在磨蝕坑里面。3種鈷基堆焊涂層表面未見(jiàn)銹層，僅出現(xiàn)沿砂粒沖刷方向分布的劃痕，涂層的高硬度使得砂粒對(duì)涂層表面的沖擊效果不明顯，可見(jiàn)涂層的耐磨蝕效果優(yōu)于E32鋼。

不同碳化鎢含量的鈷基堆焊涂層及E32鋼基體在–20 ℃下的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖9所示。由圖9a可知，E32鋼基體的摩擦系數(shù)最大（約為1.09），隨摩擦過(guò)程進(jìn)行時(shí)的波動(dòng)也最劇烈。純鈷基堆焊涂層的摩擦系數(shù)為0.74，耐磨性較基體增加了32.1%。添加了30%WC的復(fù)合涂層，摩擦系數(shù)明顯降低，平均為0.57。添加了60%WC的鈷基復(fù)合涂層，摩擦系數(shù)最?。s為0.45），也最為平穩(wěn)。這主要是由于30%WC和60%WC的鈷基涂層硬度較高，抗剪切能力強(qiáng)，磨損量較小，純鈷基涂層硬度相對(duì)較低。由圖9b可以發(fā)現(xiàn)，純鈷基涂層的截面磨痕面積明顯大于添加碳化鎢的涂層，這與硬度和摩擦系數(shù)的變化規(guī)律一致。另外，在磨損過(guò)程中，表面與摩擦副的接觸面積不斷增大，摩擦副與基體之間產(chǎn)生粘著，摩擦阻力增大，導(dǎo)致摩擦系數(shù)波動(dòng)劇烈。

圖8 試樣磨蝕后的表面形貌

圖9 試樣的摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線和磨痕截面曲線

從4種試樣摩擦系數(shù)的總體變化上可知，其摩擦系數(shù)在摩擦初期（約3～5 min時(shí)）快速上升，該階段為跑合階段。在該階段，基體表面的微凸體在載荷的作用下會(huì)產(chǎn)生變形，導(dǎo)致磨損面積增大，因此摩擦系數(shù)會(huì)迅速增加。進(jìn)一步摩擦?xí)r，進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段，摩擦系數(shù)逐漸穩(wěn)定。隨著摩擦磨損的不斷進(jìn)行，磨痕逐漸擴(kuò)展到涂層深處，硬質(zhì)材料越來(lái)越少，涂層的耐磨性能逐漸下降，摩擦系數(shù)升高。

使用白光干涉儀研究了3組堆焊涂層以及基體材料表面的摩擦磨損性能，其在相同載荷下的磨損表面輪廓和尺寸如圖10所示。在–20 ℃條件下，磨痕的平均寬度、平均深度以及磨損體積等低溫摩擦學(xué)性能見(jiàn)表4?？梢?jiàn)，基體磨痕的寬度和深度均最大，3組鈷基堆焊層磨損體積、磨損率、摩擦系數(shù)均低于E32低溫鋼基體，添加30%WC涂層的體積磨損率約為純鈷基涂層的1/2，添加60%WC涂層的體積磨損率是基體的1/14。涂層的耐磨性能隨碳化鎢添加量的增加逐漸提高，與摩擦系數(shù)分析結(jié)果一致。由此可見(jiàn)，添加碳化鎢可以提高鈷基堆焊涂層的耐磨性能。

在載荷為50 N、溫度為–20 ℃、滑動(dòng)速度為 20 mm/s條件下，干摩擦2 h后，不同碳化鎢含量的鈷基堆焊層以及E32鋼基體的摩擦磨損形貌如圖11所示。由圖11可以看出，3組堆焊層與基體的磨痕寬度差異較大，堆焊層均表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性，但碳化鎢含量對(duì)涂層表面磨損形貌的影響效果不顯著。另外，低溫鋼基體E32的磨損表面呈現(xiàn)明顯犁削形成的溝槽，并伴隨著輕微層狀剝離和氧化產(chǎn)物。純鈷基堆焊涂層的磨損表面有小面積剝落以及輕微的犁削。30%WC的鈷基涂層磨痕表面有輕微的氧化層，而60%WC鈷基涂層經(jīng)過(guò)摩擦磨損后，表面存在涂抹、撕裂現(xiàn)象，表現(xiàn)為較為明顯的鱗片狀片層組織。這主要是由于脫落的磨粒在摩擦下不斷填充凹坑，粗糙度下降，磨痕出現(xiàn)鱗片狀，局部脫落，使得表面為微凸起狀態(tài)[29]。另外，2種不同碳化鎢添加量的鈷基堆焊層磨損后的磨痕比較均勻，且磨痕輪廓內(nèi)裸露出球形碳化鎢顆粒。

圖10 試樣表面磨痕的3D形貌

表4 試樣的低溫摩擦學(xué)性能

Tab.4 Low-temperature tribological properties of the tested samples

磨屑是摩擦對(duì)偶材料經(jīng)過(guò)塑性變形、氧化、斷裂等作用的集中產(chǎn)物，是判斷摩擦磨損機(jī)理的主要依據(jù)[30]。3組鈷基堆焊涂層磨損后的磨屑形貌及EDS譜如圖12所示。由圖12a可以看出，純鈷基堆焊層磨損后磨屑的微觀形貌存在大量的片狀物質(zhì)及少量的粉末狀物質(zhì)，這是典型的粘著磨損特征。究其原因，主要是由于PTAW涂層的層狀結(jié)構(gòu)缺陷導(dǎo)致層間結(jié)合力減小，且純鈷基涂層的硬度遠(yuǎn)低于摩擦副碳化鎢陶瓷球，對(duì)磨時(shí)的粘著效應(yīng)使微裂紋沿層間缺陷擴(kuò)展，導(dǎo)致涂層輕微剝離。受制于高硬度碳化鎢磨球的擠壓，產(chǎn)生塑性變形，磨粒密集地反復(fù)壓入接觸面，在純鈷基堆焊涂層表面形成犁溝磨痕。純鈷基涂層的摩擦面相對(duì)比較光滑，接觸磨球表面積大，摩擦過(guò)程中的粘著較多。此外，伴隨著摩擦磨損的進(jìn)行，接觸界面的溫度升高，在摩擦磨損的過(guò)程中，產(chǎn)生的磨屑在摩擦熱的作用下發(fā)生氧化。EDS分析結(jié)果表明，純鈷基堆焊層磨屑中含有大量的Co、O、Cr。結(jié)合磨痕形貌，推測(cè)其磨損機(jī)理為以磨粒磨損和粘著磨損為主，還存在少量的氧化磨損。

由圖12b、c可以看出，30%WC鈷基堆焊層的磨屑是片狀與粉末狀共存，60%WC鈷基堆焊層的磨屑更細(xì)，磨屑主要呈粉末狀，片狀磨屑基本消失。在碳化鎢增強(qiáng)鈷基堆焊層中，Co粘結(jié)相可以支撐和保護(hù)未熔化分解的碳化鎢顆粒，降低了碳化鎢顆粒剝落的幾率，高硬度的碳化鎢顆粒有效提高了鈷基堆焊層的硬度。磨損初期，鈷基堆焊層基體表面的硬度遠(yuǎn)低于磨球，在空氣中磨球不斷地對(duì)摩擦面進(jìn)行涂抹和擦傷，主要表現(xiàn)為粘著磨損，同時(shí)伴隨著氧化磨損。隨著磨球犁削過(guò)程的持續(xù)進(jìn)行，堆焊層表面材料發(fā)生變形，粘結(jié)性差的部位被磨球剝離下凹，使得未熔解的碳化鎢顆粒微凸起，能夠起到抵御磨球犁削的作用，磨粒磨損的失效機(jī)制占主導(dǎo)地位[31]。對(duì)磨屑進(jìn)行能譜分析可知，30%WC和60%WC鈷基涂層的磨屑均顯示出了較高含量的W元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為20.42%和35.52%。高含量的W元素可能來(lái)自碳化鎢陶瓷球的轉(zhuǎn)移物，這表明在低溫條件下，摩擦副與基體發(fā)生了劇烈磨損。碎裂的微小碳化鎢顆粒附著在磨痕表面，充當(dāng)了磨粒磨損機(jī)制中摩擦副之間的外源第三體，對(duì)涂層形成了微切削[32]。2組球形碳化鎢增強(qiáng)鈷基涂層的磨損機(jī)制是三體磨粒磨損。

圖11 試樣表面磨痕SEM形貌

圖12 PTAW鈷基涂層磨屑的SEM及EDS譜

3 結(jié)論

1）在低溫鋼E32表面成功制備了球形碳化鎢增強(qiáng)鈷基等離子轉(zhuǎn)移弧堆焊層，堆焊層的表面和側(cè)面組織均勻致密，形貌光滑平整，無(wú)氣孔和裂紋，與基體呈冶金結(jié)合。

2）球形碳化鎢增強(qiáng)鈷基堆焊層由WC、W2C增強(qiáng)相以及高硬度Cr23C6、Cr7C3、Co6W6C、Fe6W6C等碳化物硬質(zhì)相組成，30%WC和60%WC鈷基涂層的顯微硬度分別達(dá)1443HV0.2、1534HV0.2，較純鈷基涂層提高了7.3%、14.1%，約為低溫鋼E32基體顯微硬度（691HV0.2）的2倍。

3）在載荷為50 N、滑動(dòng)速度為20 mm/s條件下，經(jīng)2 h干滑動(dòng)摩擦磨損后，3組鈷基堆焊涂層較低溫鋼E32基體的摩擦系數(shù)和體積磨損率均降低，磨痕的寬度和深度均變小。30%WC和60%WC涂層的穩(wěn)態(tài)摩擦系數(shù)分別為0.57和0.45，分別比純鈷基涂層減小了22.9%和39.2%。30%WC涂層的磨損率為1.181× 10–6mm3/(N·m)，60%WC涂層的磨損率為9.722× 10–7mm3/(N·m)，相比低溫鋼基體的磨損率（1.278× 10–5mm3/(N·m)），其耐磨性均提高了10倍以上。

4）未添加碳化鎢鈷基堆焊涂層的磨損機(jī)理以粘著磨損和磨粒磨損為主，部分區(qū)域有氧化磨損現(xiàn)象，而添加了碳化鎢的鈷基堆焊涂層的主要磨損機(jī)理為三體磨粒磨損。

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Microstructure and Low-temperature Tribological Properties of Spherical Coatings Reinforced by Spherical Tungsten Carbide Plasma Transferred Arc Welding

1a,1b,1a,1a,1a,2

(1. a. College of Ocean Science and Engineering, b. Institute of Science and Technology Information, Shanghai Maritime University, Shanghai 201306, China; 2. Research Center for Corrosion and Erosion Process Control of Equipment and Material in Marine Harsh Environment, Guangzhou Maritime University, University, Guangzhou 510725, China)

Enhancement of friction and wear performance of low temperature steel by plasma transfer arc welding (PTAW) technology to provide a test basis for welding and life extension technology for polar special ship plates. Three sets of Co-based coatings with spherical tungsten carbide content were prepared by overlay welding on the surface of low-temperature steel E32 using plasma transfer arc technology, and the frictional and wear performance of this modified coating and E32 steel at low temperature conditions (–20 ℃) was compared. By means of X-ray diffractometer (XRD), scanning electron microscope (SEM), energy disperse spectroscopy (EDS) and 3D optical profilometer, the influence law of tungsten carbide content on the wear resistance and microstructure of the overlay layer was analyzed, and the wear resistance mechanism was revealed. After 2 h dry sliding friction wear with a load of 50 N and a sliding speed of 20 mm/s, the friction coefficient and volume wear rate of the three sets of coatings decreased compared to the low temperature steel E32, and the width and depth of the wear marks became smaller. Coatings rich in WC, W2C reinforced phases and carbide hard phases such as Cr23C6, Cr7C3, Co6W6C and Fe6W6C significantly improve the hardness and low temperature wear resistance of E32 steel. The low temperature wear resistance of the coating increases with the increase of tungsten carbide content. Adhesive wear and abrasive wear were predominant wear mechanism of the coating when the coating without adding tungsten carbide. When the content of tungsten carbide was 30% and 60%, three-body abrasion was the main wear mechanism. Through PTAW on the surface of E32 steel, the spherical tungsten carbide reinforced Co-based modified coatings with dense structure, high hardness and excellent low-temperature wear resistance were obtained, which can improve the service life of low-temperature steel to some extent.

plasma transferred arc welding (PTAW); Co-based coating; spherical tungsten carbide; low-temperature; friction and wear

TH117；TG455

A

1001-3660(2022)02-0165-11

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.02.015

2021-02-05；

2021-07-12

2021-02-05；

2021-07-12

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2016YFB0300704）；國(guó)家自然科學(xué)基金（52071091）；浦東新區(qū)科技項(xiàng)目（PKJ2019-C03）

The National Key Research and Development Program of China (2016YFB0300704); the National Natural Science Foundation of China (52071091) and Science and Technology Project of Pudong New Area (PKJ2019-C03)

石亮（1984—），男，博士研究生，主要研究方向?yàn)椴牧系母g與防護(hù)。

SHI Liang (1984—), Male, Doctoral candidate, Research focus: corrosion and protection of materials.

常雪婷（1982—）女，博士，教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟾g與防護(hù)。

CHANG Xue-ting (1982—), Female, Doctor, Professor, Research focus: marine corrosion and protection.

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