孟君晟，齊興權，周志文，李冬

(黑龍江科技大學材料科學與工程學院，哈爾濱150022)

0 引言

鎂合金作為一種輕質(zhì)材料，具有良好的導熱和減震性能，已廣泛應用于汽車、航空航天等領域［1－3］。AZ31B是較為常用的商業(yè)鎂合金，適合制造飛機和汽車的結(jié)構(gòu)部件，如氣缸頭，氣囊外殼，方向盤等［4］。以往，研究人員對AZ31變形鎂合金較為關注的是其組織演變及性能。為了進一步提高其應用領域和耐蝕耐磨性能，許多學者開始利用表面強化技術對AZ31鎂合金進行表面改性，如金屬鍍膜、氣相沉積、離子注入、激光熔覆、微弧氧化等［5－11］，其中應用較多是激光熔覆技術。崔澤琴等［12－13］利用激光熔覆技術在AZ31鎂合金表面制備了Cu-Ni合金層、Al2O3-TiO2復合涂層，提高了AZ31鎂合金的耐腐蝕性能和耐磨損性能;馮輝等［14］利用激光熔覆技術制備出SiC增強Al-Si基復合涂層，涂層的顯微硬度可達216HV0.2。但這些表面強化方法存在能耗高、污染大或成本高，涂層質(zhì)量差等不足，限制了推廣和規(guī)模化生產(chǎn)。氬弧熔覆技術是一種新興的表面強化技術，主要特點是能量相對集中，氬氣保護，設備價格低、易于操作，目前在鋼鐵材料表面強化方面有一定的應用［15－18］，但作為鎂合金材料表的面強化方法尚未見文獻發(fā)表。筆者利用氬弧熔覆技術，選用鋁－硅合金粉末和碳化硅粉作為熔覆材料，在AZ31B鎂合金表面制備出耐磨涂層，并對復合涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)和摩擦磨損性能進行研究。

1 涂層制備與檢測

1.1 涂層的制備

基體材料選用AZ31B鎂合金板，加工為60 mm×20 mm×15 mm試樣，表面用砂紙打磨，去除表面氧化膜，用丙酮進行清洗處理。熔覆材料選用Al-Si合金粉末和SiC粉末，其中SiC的純度為99.9%，粒度約為48 μm，選定總質(zhì)量為5 g，SiC的粉末的質(zhì)量占總質(zhì)量的10%。將選定的熔覆粉末在球磨機中進行球磨混合5 h，將混合好的粉末用膠水調(diào)成均勻的黏稠狀，涂覆于基體試件上，預涂覆層厚度約為1 mm，壓實后置于室溫通風處進行自然干燥24 h，然后在DHG－9070A型干燥箱中150℃烘干2 h。選用MW3000型數(shù)字化焊機進行熔覆實驗，工藝參數(shù)為:電流100 A，電壓15 V，氣體流量9 L/min，熔覆速度2 mm/s。

1.2 涂層的檢測

涂層的制備熔覆涂層的橫截面金相試樣，做水砂磨光和MgO溶液拋光處理等程序，使用4%的草酸溶液進行腐蝕。利用Bruker D8 Advance型X射線衍射儀作物相分析;采用Zeiss Axio Lab.A1光學顯微鏡、Cam Scan MX2600型熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡對涂層進行顯微組織分析。由顯微維氏硬度計(MHV2000型)測試熔覆涂層的顯微硬度。采用干滑動摩擦磨損實驗機(MMS－2B型)進行室溫磨損實驗，對磨試樣為淬火態(tài)的GCr15(硬度為55HRC)，磨損實驗參數(shù):載荷為50 N，時間10 min，下對磨試樣轉(zhuǎn)數(shù)為200 r/min。測量磨損失重，利用相對耐磨性εs來評價涂層的摩擦磨損性能。

式中:Bb——熔覆涂層的磨損失重，g;

Ba——基體的磨損失重，g。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層物相組成

圖1為氬弧熔覆SiC增強Al－Si基涂層X射線衍射圖譜。熔覆層主要為Mg2Si、Mg2C3、Mg17Al12、Al3.21Si0.47，沒有明顯的SiC峰出現(xiàn)。這是因為氬弧熔覆過程中，熔池溫度達到SiC分解的溫度，而Si原子擴散能力遠小于C原子，存在Si原子富集區(qū)和C原子富集區(qū)，在Si原子富集區(qū)會有Al3.21Si0.47和Mg2Si析出;在C原子富集區(qū)則會生成Mg2C3，這與文獻［14］獲得的結(jié)果一致。

圖1 氬弧熔覆涂層X射線衍射圖譜Fig.1 XRD pattern of composite coating by argon arc cladding

2.2 涂層組織分析

氬弧熔覆SiC增強Al-Si基涂層橫截面光學照片如圖2所示。從圖2中可看出，熔覆層與基體界面間沒有缺陷，達到良好的結(jié)合。圖3所示為圖2頂部(A)、中部(B)、底部(C)的掃描電鏡照片及能譜分析位置。

圖2 熔覆層橫截面形貌光學顯微照片(100×)Fig.2 Cross-section microstructure of composite coating of coating

圖3 熔覆層SEM形貌及能譜分析Fig.3 SEM micrographs and energy spectrum showing microstructure of coating

圖3a為頂部組織形貌，主要是以不規(guī)則的白色顆粒狀形式存在，尺寸為8～10 μm，Spectrum2位置能譜分析可知，這種物質(zhì)主要由Mg(15.41%)、Si(2.12%)、C(20.15%)、Al(62.32%)等元素組成，說明熔入的SiC發(fā)生分解生成新的物相;從圖3b可知，中部有黑色塊狀物相析出，尺寸為2～5 μm，分布較為均勻，由Spectrum2位置能譜分析可知，黑色物相主要含有Al(56.28%)、Mg(10.29%)、Si(24.28%)、C(33.43%)元素;由能譜分析可知，黑色顆粒中含有較多的Al、Si和C元素，而白色顆粒中Si的含量較少，結(jié)合XRD分析，白色物質(zhì)可能是Mg17Al12化合物，黑色顆粒狀物質(zhì)可能為Al3.21Si0.47;鎂鋁合金化合物的密度低于鋁硅合金，易于上浮到表面。圖3c所示為底部組織形貌，主要是由樹枝晶構(gòu)成，熔覆層組織形貌的形成影響因素是溫度梯度G與凝固速度R的比值。熔覆層組織尺寸大小主要受冷卻速度的影響，在熔池的底部靠近基體，導熱速度較快，溫度梯度大，G/R比值大，凝固由底部向表面生長，當G/R比值減小時，組織發(fā)生變化，由平面晶－胞狀晶－樹枝晶進行轉(zhuǎn)變［19］。另外，在氬弧熔覆過程中，熔池上部直接受電弧作用，造成SiC顆粒熔化分解生成其他物相，由于獲得的新物相密度小，有上浮的趨勢，因此在熔池底部黑色顆粒相少，熔覆層中上部黑色顆粒分布均勻。

圖4為氬弧熔覆SiC涂層顯微硬度分布曲線。

圖4 熔覆層顯微硬度曲線Fig.4 Microhardness profile of argon shielded arc clad coating

從圖4中可以看出，熔覆層能達到2 mm，且有較高的平均硬度，可達2.5 GPa，是AZ31B鎂合金4倍以上，且涂層的硬度分布平緩，熱影響區(qū)的顯微硬度有所提高。熔覆層生成了分散均勻的鋁硅化合物和鎂硅化合物，尺寸細小，提高了熔覆層的硬度。由于熔池溫度高，熱量通過結(jié)合界面?zhèn)鲗У交w，當溫度達到350℃時，鎂合金基體會發(fā)生較為充分的再結(jié)晶，形成的晶粒大小均勻穩(wěn)定，硬度有所提高［20］。熔覆層硬度升高主要的強化機制:一是由于氬弧熔覆是快熱快冷過程，使得晶粒細小，達到細晶強化;二是在涂層中固溶了Al、Si等元素，起到了固溶強化的作用;三是在涂層中形成了金屬間化合物，阻礙了基體的位錯運動［21］，從而得到強化。

2.3 涂層摩擦磨損分析

在相同的摩擦磨損條件下，熔覆涂層磨損失重為0.153 g，AZ31B鎂合金基體磨損失重為0.761 g，根據(jù)相對耐磨性計算公式可以得出，熔覆涂層的耐磨性較AZ31B鎂合金基體提高近5倍。

圖5為AZ31B鎂合金基體與熔覆層摩擦系數(shù)隨摩擦時間的變化曲線;由圖5可以看出，基體的平均摩擦系數(shù)大約是0.7，而10%SiC的熔覆層摩擦系數(shù)約為0.57，摩擦系數(shù)明顯降低。在載荷作用下隨摩擦時間的增長，AZ31B鎂合金表面溫度會升高，由于其硬度低，導致黏著傾向增大，而摩擦系數(shù)的大小與摩擦副之間黏著程度有關，因此，基體表面摩擦系數(shù)高;相對于鎂合金基體而言，氬弧熔覆SiC復合涂層具有較高的顯微硬度，在與摩擦副GCr15接觸的過程中，黏著程度大幅度下降，涂層中硬質(zhì)相細小，與基體具有良好的強韌性的配合，使得摩擦系數(shù)降低，耐磨性提高。

圖5 AZ31B鎂合金與熔覆層相對耐磨性Fig.5 Wear resistance comparison between AZ31B magnesium alloy and coating

AZ31B鎂合金基體與熔覆層磨損表面形貌見圖6。圖6a為AZ31B鎂合金基體磨損形貌。從圖6a可知，基體AZ31B鎂合金表面黏著程度嚴重。在GCr15鋼與AZ31B鎂合金表面相互接觸過程中，GCr15鋼表面微凸體會與鎂合金表面的微凸體形成接觸點，由于鎂合金基體的硬度極低，所以這些接觸點會發(fā)生塑性流動而形成黏著接點，接點在運動方向上長大并被剪斷，同時又會形成新的接點。如此反復下去，整個表面布滿了被剪斷的接點和轉(zhuǎn)移的磨屑，使大片的材料從基體表面剝落和磨屑附著在基體表面。這是黏著磨損的重要特征，說明AZ31B鎂合金在干滑動摩擦磨損作用下主要的磨損機制是黏著磨損。圖6b所示為氬弧熔覆SiC涂層的磨損表面形貌。從圖6b中可以看出，熔覆涂層表面比較光滑，黏著程度較輕，只有部分磨屑附著在表面，表面有一定的犁溝，其磨損機理主要是磨粒磨損。從磨損表面形貌進一步驗證了摩擦系數(shù)降低耐磨性提高的結(jié)果。分析原因主要是由于熔覆涂層表面生成了強化相，并且強化的尺寸細小，分布均勻，使涂層獲得細晶強化和彌散強化，使涂層的硬度得到提高。在50 N載荷作用下，GCr15表面微凸體難以有效的壓入到涂層的表面，在與涂層的相互接觸中，無法形成黏著接點，使得黏著磨損狀況大幅度下降，在表面的磨損情況來看，主要是微凸體對表層的切削作用，使表層形成了一道道犁溝，從而判定氬弧熔覆層的主要磨損機制是磨粒磨損。

圖6 AZ31B鎂合金與熔覆層磨損表面形貌Fig.6 Micrographs showing worn surface morphology of AZ31B magnesium alloy and coating

3 結(jié)論

(1)采用氬弧熔覆技術，以SiC粉和Al-Si粉為原料，制備Al-Si基熔覆層，熔覆層與基體結(jié)合良好，在熔覆區(qū)及結(jié)合界面沒有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜、裂紋等缺陷。

(2)涂層主要有黑色的塊狀相組成，尺寸為2～5 μm，分布較均勻，氬弧熔覆層物相組成為Mg2Si、Mg2C3、Mg17Al12、Al3.21Si0.47。

(3)氬弧熔覆層平均硬度可達2.5 GPa，在室溫干滑動摩擦磨損條件下，熔覆層的摩擦系數(shù)僅為0.57，耐磨性能比基體提高近5倍。

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