商俊超，梁秀兵，郭永明，陳永雄，徐濱士

(1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100072;2.裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械產(chǎn)品再制造國(guó)家工程研究中心，北京100072)

重載車輛發(fā)動(dòng)機(jī)在超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)、機(jī)油不足、機(jī)油黏度減?。?-2］等情況下，最小油膜厚度可能減少到使軸頸與軸瓦直接接觸而產(chǎn)生粘著磨損，特別嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)軸瓦燒熔等問題而損壞發(fā)動(dòng)機(jī)［3］。確保車輛有足夠的潤(rùn)滑是防止損壞發(fā)動(dòng)機(jī)的重要一環(huán);如何開展對(duì)重載車輛發(fā)動(dòng)機(jī)軸類件進(jìn)行高科技修復(fù)，增強(qiáng)其表面的耐磨性能，是提高發(fā)動(dòng)機(jī)使用性能、延長(zhǎng)使用壽命亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。

文獻(xiàn)［4-5］對(duì)利用高速電弧噴涂修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸進(jìn)行了系統(tǒng)論述。高速電弧噴涂技術(shù)在修復(fù)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸方面具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛力。筆者利用高速電弧噴涂技術(shù)在18Cr2Ni4WA軸類件基體上制備一種高非晶含量的Ni基非晶納米晶復(fù)合涂層，該涂層具有抗高溫腐蝕、高強(qiáng)度、耐磨性好等特點(diǎn)，因而可解決在極端情況下發(fā)動(dòng)機(jī)燒蝕磨損問題，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)軸類件的再制造工藝進(jìn)行了探討，為再制造重載車輛發(fā)動(dòng)機(jī)軸類件的實(shí)際應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

1 試樣制備及試驗(yàn)方法

噴涂材料為自制的Φ2 mm粉芯絲材，基體材料為18Cr2Ni4WA。噴涂的主要工藝參數(shù)為:噴涂電壓34 V;噴涂電流180 A;噴涂距離180 mm;空氣壓強(qiáng)0.7 MPa。

在UMT-3型微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行涂層的摩擦磨損試驗(yàn)。載荷為5 N;頻率為30 Hz;時(shí)間30 min。磨損試驗(yàn)采用球-面接觸方式，上試樣為Φ4.0 mm的燒結(jié)GCr15球，下試樣為Φ25.4 mm×7.9 mm的涂層圓片。采用Nova Nano SEM 650型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡觀測(cè)涂層表面微觀結(jié)構(gòu);采用D8型X射線衍射儀分析涂層的相結(jié)構(gòu)，加速電壓為40 kV，電流為100 mA，衍射范圍為20°～100°，衍射速度為2°/min，步長(zhǎng)為0.02°。采用德國(guó)NETZSCH公司的DSC 404F3型實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)得涂層的差熱分析(DSC)曲線。測(cè)試的溫度范圍為室溫至900℃，升溫速率為10 K/min，測(cè)試過程均有流動(dòng)的氬氣保護(hù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 涂層的斷面形貌及成分

圖1為涂層截面組織形貌，可以看出:涂層組織均勻，幾乎看不到高速電弧噴涂涂層的典型特征，層狀結(jié)構(gòu)不明顯;涂層組織結(jié)構(gòu)致密，存在少量空隙，界面處沒有明顯的裂紋。

2.2 涂層的組織結(jié)構(gòu)

圖2為涂層的XRD圖譜，可以看出:在40°～45°之間有較寬化的漫散射峰存在，說明涂層中有非晶相的存在;在漫散射峰上疊加了相對(duì)尖銳的晶體衍射峰，說明涂層中含有晶態(tài)物質(zhì)。對(duì)XRD圖譜進(jìn)行函數(shù)擬合［6］，涂層中非晶相的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為45%。

圖3為涂層的微觀組織，可以看出:涂層的微觀特征結(jié)構(gòu)為非晶與多晶并存(圖中灰白色為非晶母相，灰黑色斑點(diǎn)為納米晶相);納米晶尺寸相對(duì)均勻，彌散分布在非晶相中，其尺寸大小約為10 nm。從涂層的電子衍射花樣可以看出:其由中心較寬的暈及漫散的環(huán)組成［7］，說明涂層中含有非晶與晶體相，與XRD試驗(yàn)的結(jié)論相吻合。

圖3 涂層的微觀組織

2.3 涂層的差熱分析

如圖4所示，在DSC曲線上能觀察到一個(gè)明顯的對(duì)應(yīng)非晶轉(zhuǎn)變的放熱峰，利用切線法從DSC曲線上可確定涂層非晶轉(zhuǎn)變的溫度Tg在峰值430℃附近，該放熱峰始于401.1℃，止于460.5℃，開始有γ-Ni(Cr)基納米晶固溶體析出。第2個(gè)放熱峰始于471.5℃，止于527.5℃，有少量α-Fe(Cr)基納米晶相析出。在700～750℃區(qū)間仍存在明顯的晶化反應(yīng)放熱峰，這表明因?yàn)樵摵辖痼w系中含有多種添加元素，其多組元的添加導(dǎo)致了在加熱過程中晶相析出及晶型轉(zhuǎn)變的多樣性［8-10］;該合金在加熱過程中出現(xiàn)了2個(gè)放熱峰，即出現(xiàn)了二次晶化，并在晶型轉(zhuǎn)變的同時(shí)，或伴有少量的新相析出。

圖4 涂層在10 K/min加熱速率下的DSC曲線

2.4 涂層的力學(xué)性能

圖5是涂層的顯微硬度沿截面分布圖。可以看出:涂層具有較高的硬度［11］，平均硬度為 HV625。涂層由非晶和納米晶相組成，非晶相中又彌散分布著γ-Ni(Cr)納米晶粒，起到硬質(zhì)相強(qiáng)化的作用。

圖5 涂層的顯微硬度沿截面分布圖

表1為涂層的結(jié)合強(qiáng)度。結(jié)合強(qiáng)度的大小反映了涂層與基體的結(jié)合狀態(tài)，直接影響到涂層的可靠性，結(jié)合強(qiáng)度越高，涂層越牢固，可靠性越好。從表1可以看出:涂層的結(jié)合強(qiáng)度都在47 MPa以上，結(jié)合強(qiáng)度良好。

表1 涂層的結(jié)合強(qiáng)度 MPa

2.5 涂層的摩擦磨損性能

圖6、7分別為采用三維白光干涉表面形貌儀(Phase Shift MicroXAM-3D)測(cè)得的基體(18Cr2Ni4WA)和涂層的二維、三維形貌。以單位距離單位載荷下的磨損量作為磨損率，計(jì)算公式為K=ΔV/(F·L)［12］，式中:ΔV為磨損體積(μm3);F為摩擦力(N);L為滑動(dòng)總距離(m)。計(jì)算出基體與涂層的磨損率如表2所示，可以看出:涂層的磨損率明顯小于基體材料，涂層的相對(duì)耐磨性約是基體的8倍，耐磨效果顯著。

表2 涂層與基體磨損率對(duì)比

涂層在摩擦磨損過程中，受到GCr15摩擦球的接觸應(yīng)力作用，整個(gè)過程由開始的點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，應(yīng)力狀態(tài)十分復(fù)雜［13-15］。另外，由于電弧噴涂層的片層狀結(jié)構(gòu)［16］，以及涂層存在的扁平粒子界面、界面孔隙、裂紋、氧化物等缺陷，涂層在交變的接觸應(yīng)力作用下，容易產(chǎn)生疲勞磨損。

圖8為涂層高倍下的磨損形貌及EDS能譜分析，可以看出:涂層為典型的疲勞磨損。涂層中的淺灰色區(qū)域(A)主要為涂層成分;在深色區(qū)域(B)，氧和Cr元素水平較高，主要為Cr的氧化物。這是因?yàn)槟Σ吝^程產(chǎn)生的摩擦熱使涂層產(chǎn)生氧化，Cr元素與氧結(jié)合能力比Ni、Fe等元素強(qiáng)，故出現(xiàn)Cr元素富集的深色氧化區(qū)域。因氧化物薄層脆性大，在交變載荷持續(xù)作用下易發(fā)生脆性斷裂而剝落，從而形成圖中所示的片狀剝落坑。

圖8 涂層的高倍磨痕形貌

3 結(jié)論

1)利用高速電弧噴涂技術(shù)在重載車輛曲軸18Cr2Ni4WA基體上制備了NiCrBMoFe非晶納米晶涂層。涂層由非晶相和γ-Ni(Cr)相納米晶組成，非晶相質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為45%。

2)該涂層具有良好的熱穩(wěn)定性，較高的硬度。在相同的摩擦磨損條件下，相對(duì)耐磨性是曲軸基體18Cr2Ni4WA的8倍，耐磨性能遠(yuǎn)優(yōu)于基體材料。

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