韓 宇，姜正波，吳 非

（海軍駐沈陽(yáng)彈藥專(zhuān)業(yè)軍事代表室，遼寧 沈陽(yáng) 110045）

目前，彈體沖頭使用壽命偏低，一般在距頭部30 mm左右，重復(fù)工作久而久之就會(huì)發(fā)生失效，如圖1所示，失效情況有：頭部變形、縱向劃痕和端面環(huán)形壘痕。電火花表面沉積技術(shù)是通過(guò)電火花放電，把一種導(dǎo)電材料（陽(yáng)極）沉積熔滲到另一種導(dǎo)電材料（陰極）的表面，從而使后者表面的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能得到改善，而其心部的組織和力學(xué)性能不發(fā)生變化的一種技術(shù)，電火花表面強(qiáng)化技術(shù)可以提高零件表面耐磨性、耐蝕性、熱硬性和高溫抗氧化性等。應(yīng)用電火花表面強(qiáng)化技術(shù)在彈體沖頭工作表面進(jìn)行強(qiáng)化，可以大大延長(zhǎng)沖壓沖頭的使用壽命，節(jié)約生產(chǎn)成本，同時(shí)拓寬了這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，本文應(yīng)用電火花表面沉積技術(shù)在彈體沖頭鋼上沉積YG8涂層，研究其摩擦磨損行為。

圖1 彈體沖頭的失效特征

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用電火花表面沉積技術(shù)在基材上制備YG8涂層，實(shí)驗(yàn)用基材為H13鋼，其化學(xué)成分如表1所示。電火花沉積試樣尺寸為摩擦磨損試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸，見(jiàn)文獻(xiàn)[1]，試樣線切割加工后，經(jīng)水砂紙磨至600#，噴砂后進(jìn)行丙酮和超聲波清洗。電極采用YG8合金（化學(xué)成分為WC92%和Co8%，質(zhì)量百分含量），電極經(jīng)線切割切成準(zhǔn)8 mm×80 mm棒狀。

表1 H13的元素含量（質(zhì)量百分含量）

電火花表面沉積技術(shù)采用SD-D5A多功能設(shè)備，工藝參數(shù)選擇為功率4檔，頻率6檔，電極轉(zhuǎn)速5檔，氬氣保護(hù)流量15 L/min，比沉積時(shí)間3 min/cm2。

用日產(chǎn)S-3400N掃描電子顯微鏡觀察涂層的組織形貌及磨損表面形貌；日產(chǎn)D/max-RB X射線衍射分析涂層的相組成，HVS1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量沉積層截面的顯微硬度，載荷為300 g,加載時(shí)間為20 s，每個(gè)試樣測(cè)5點(diǎn)取平均值；國(guó)產(chǎn)MMW-1A萬(wàn)能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)評(píng)價(jià)基體和涂層的摩擦磨損性能，偶件為Si3N4陶瓷球試盤(pán)，實(shí)驗(yàn)條件為轉(zhuǎn)速60 r/min，載荷15 N，取實(shí)驗(yàn)時(shí)間20 min內(nèi)摩擦系數(shù)平均值作為摩擦系數(shù)的測(cè)定值。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖2（a）為電火花沉積YG8涂層的表面形貌從圖2（a）可以看出，整個(gè)涂層表面呈橘皮狀液體“蝕刻”的特征，在其表面微區(qū)內(nèi)還可以觀察到微小的孔洞和裂紋，這主要是由于電火花沉積技術(shù)本身所決定的，盡管通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)可以降低表面的粗糙度，但迄今為止仍沒(méi)有有效的工藝技術(shù)能克服電火花沉積表面粗糙度的產(chǎn)生。表面的微區(qū)裂紋是由于電火花沉積微區(qū)冷焊接過(guò)程中，可以達(dá)到105-106 K/s的高冷卻速率，在沉積層中要產(chǎn)生熱應(yīng)力，熱應(yīng)力累計(jì)到一定程度通過(guò)產(chǎn)生垂直于表面的縱向裂紋。這些縱向裂紋對(duì)釋放熱震過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力和摩擦磨損過(guò)程中存儲(chǔ)潤(rùn)滑油是有益的。圖2（b）是用4%硝酸酒精腐蝕的YG8涂層與基體的截面形貌，從圖2（b）可以看出，涂層耐腐蝕，且與基體結(jié)合良好，涂層厚度大約為40 μm。圖 2（c）為 YG8 涂層 XRD 衍射譜，從圖 2（c）可以看出涂層主要由W2C、Fe3W3C、Co3W3C組成，涂層中的W2C主要是由WC與基體反應(yīng)脫碳而形成，這種現(xiàn)象在高速氧燃料工藝中也有報(bào)道[2～3],而Fe3W3C、Co3W3C是由電極和基體在高溫下發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)生成的硬質(zhì)相。這些硬質(zhì)相彌散分布在沉積層中,提高了沉積層的機(jī)械性能。

圖2 電火花沉積YG8涂層的微觀結(jié)構(gòu)

電火花沉積YG8涂層的硬度測(cè)試結(jié)果表明：涂層硬度最高可達(dá)1882 HV0.3,平均硬度1848 HV0.3,涂層的硬度顯著高于基體硬度。在電火花的沉積過(guò)程中，電極材料和基體材料固、液、氣的電蝕產(chǎn)物，在基體微區(qū)上的小熔池中發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，在驟然冷卻的條件下，會(huì)產(chǎn)生大量的細(xì)晶和非晶態(tài)組織，這些組織具有優(yōu)良的機(jī)械性能。另外，涂層中存在著高密度的位錯(cuò)和較高的殘余應(yīng)力,這些都會(huì)導(dǎo)致涂層具有較高的顯微硬度[4]。

圖3（a）為YG8涂層和H13鋼的摩擦系數(shù)曲線。從圖3（a）可以看出，兩條摩擦系數(shù)曲線都經(jīng)歷了跑合到穩(wěn)定摩擦磨損的階段，H13鋼在穩(wěn)定摩擦磨損前有劇烈的波動(dòng)，而YG8涂層由跑合到穩(wěn)定摩擦磨損是平穩(wěn)的漸進(jìn)過(guò)程。YG8涂層穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)為0.445，而H13鋼穩(wěn)定階段的平均摩擦系數(shù)為0.702，由此表明YG8涂層降低了H13鋼的摩擦系數(shù)，具有明顯的減摩效果。

圖 3（b）為 H13 鋼的磨損形貌，從圖 3（b）可以看出，H13鋼表面可見(jiàn)較深較粗糙的磨痕，表面損壞方式嚴(yán)重磨損，磨痕顯示了材料嚴(yán)重的塑性變形和較深的犁線。因此，H13鋼的磨損機(jī)制主要為嚴(yán)重的磨料磨損。圖3（c）為YG8涂層的磨損形貌，從圖3（c）可以看出，YG8涂層不存在較深的犁線，因而，其磨損機(jī)制不同于H13鋼，但從YG8涂層的磨損表面觀察到存在不同的磨損區(qū)域特征，從區(qū)域A周?chē)梢钥闯?，與原始涂層相比，磨損后的電火花涂層顯示了適度拋光型的微切削磨料磨損特征，由于電火花涂層具有較高的硬度，沒(méi)有出現(xiàn)嚴(yán)重的塑性變形和磨痕邊緣材料堆積的現(xiàn)象。從區(qū)域B周?chē)梢钥闯?，電火花涂層磨損后的表面存在局部淺層剝落的形貌，這主要是由于電火花沉積過(guò)程中的局部缺陷造成的。對(duì)區(qū)域B內(nèi)的磨屑進(jìn)行EDAX能譜分析，發(fā)現(xiàn)其含有C:17.34,O:56.46,Fe:9.42,Co:5.92,W:10.86（原子百分含量），再對(duì)區(qū)域A進(jìn)行EDAX能譜分析，發(fā)現(xiàn)其含有C:56.71,O:29.03,Fe:7.25,Co:3.40,W:5.61（原子百分含量）。以上結(jié)果表明，由于在摩擦磨損過(guò)程中產(chǎn)生了較高的溫度，導(dǎo)致了涂層元素的氧化，而產(chǎn)生的氧化物由于附著力差而在剝層的區(qū)域內(nèi)富集，起到固體潤(rùn)滑劑的作用。綜上可知，電火花涂層的磨損機(jī)制是微切削磨料磨損、剝層磨損和氧化磨損。

在穩(wěn)定摩擦磨損中，YG8涂層的摩擦系數(shù)要顯著低于H13鋼的摩擦系數(shù)，一方面是由于YG8涂層的細(xì)晶組織結(jié)構(gòu)；另一方面由于硬度的影響，一般情況下，硬度越大，摩擦系數(shù)越小。另外，富集在剝層中的細(xì)小氧化物顆?？梢猿洚?dāng)固體潤(rùn)滑劑的作用，也有助于降低涂層的摩擦系數(shù)。

圖3 YG8涂層與H13鋼的摩擦系數(shù)和磨損形貌

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)以上分析可以知道：

（1）電火花沉積YG8涂層表面存在微觀缺陷，涂層與基體結(jié)合良好，涂層主要由W2C、Fe3W3C、Co3W3C組成。

（2）電火花沉積YG8涂層的硬度顯著高于H13鋼，其穩(wěn)定摩擦磨損階段的平均摩擦系數(shù)顯著低于H13鋼的摩擦系數(shù)，具有顯著的減摩作用。

（3）H13鋼的磨損機(jī)制主要是嚴(yán)重的磨料磨損，而YG8涂層的磨損機(jī)制是微切削磨料磨損、剝層磨損和氧化磨損。

以上分析對(duì)于在高磨損工況下使用的H13鋼提供了減摩耐磨的表面處理手段，也為炮彈沖頭延壽技術(shù)的拓展提供了理論和實(shí)踐指導(dǎo)。

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