段文軍，李貞，王好平，莫繼良，章龍管，李建斌,3，周仲榮

（1.西南交通大學(xué) 盾構(gòu)/TBM 裝備摩擦學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，成都 610031；2.中鐵工程服務(wù)有限公司，成都 610083；3.中鐵高新工業(yè)股份有限公司，北京 100070）

隨著當(dāng)今世界各國在城市軌道交通、地下管廊等行業(yè)的快速發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)作為地下工程的重要施工裝備得到了廣泛的使用和大力發(fā)展[1-2]。作為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)系統(tǒng)的“牙齒”，盾構(gòu)刀具直接作用于開挖面，其工作環(huán)境惡劣，載荷不穩(wěn)定，受載荷沖擊大，是掘進(jìn)過程中最易損壞的零部件之一，其損耗和壽命直接影響施工效率和成本[3-4]。盾構(gòu)刀具失效的主要原因是刀刃出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、脫落和崩刃等形式[5-6]。為了提高盾構(gòu)刀具的耐磨性和抗沖擊性能，延長(zhǎng)其使用壽命，國內(nèi)外很多學(xué)者都在尋找新的強(qiáng)化工藝方法[7-12]，其中段松[10]采用光纖激光器在調(diào)質(zhì)態(tài)40CrNiMo 鋼板上使用Ni60+30%鎳包碳化鎢粉末制備涂層，結(jié)果發(fā)現(xiàn)未熔碳化鎢顆粒增多，分布均勻，存在大量細(xì)小碳化鎢以及析出的塊狀富W 相，其耐磨性較盾構(gòu)刀圈的耐磨性提高了7.7 倍。付琴[11]在H13 的基材上運(yùn)用激光器使用Fe-Mo-Ni-Si-B 體系粉末進(jìn)行多道搭接制備厚度約為1.5 mm 的涂層，結(jié)果表明涂層組織均勻致密，硬化區(qū)的硬度范圍為1000～1200HV0.2，遠(yuǎn)高于基材，同時(shí)其磨損失重僅為基材的20%，耐磨性顯著提高。Anil Kumar Agrawal[12]在已磨損的滾刀刀圈（H13）上利用激光器使用納米碳化鎢顆粒進(jìn)行了掃描速度和激光功率的工藝參數(shù)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)涂層硬度值比基材高了16%～95%。盡管激光熔覆有熔覆速度快、稀釋率低、能量集中等優(yōu)點(diǎn)，但該技術(shù)存在使用成本高、殘余應(yīng)力大的缺點(diǎn)，而離子堆焊因有等離子弧溫度高[13]、稀釋率低、熔覆效率高[14]、成本低等的優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用。通過涂層技術(shù)對(duì)刀具材料表面進(jìn)行加工可以大幅提高刀具表面性能，也可對(duì)已磨損失效的刀具進(jìn)行修復(fù)和再制造[10-11]。鎳基碳化鎢（Ni-WC）涂層是目前耐腐蝕、耐磨損和抗沖擊性能最好的涂層之一，已被廣泛運(yùn)用于機(jī)械零部件的表面防護(hù)和再制造等領(lǐng)域[15-17]。

目前國內(nèi)外對(duì)Ni-WC 涂層的研究主要集中在粉末配比、制備工藝及力學(xué)性能分析等方面[18-20]，其摩擦磨損性能研究則主要集中在涂層的成分含量、組織結(jié)構(gòu)和制備工藝等對(duì)耐磨性的影響[21-24]，而對(duì)涂層在不同運(yùn)動(dòng)模式下的摩擦學(xué)性能和損傷機(jī)理研究報(bào)道較少。常規(guī)的摩擦磨損試驗(yàn)往往只能對(duì)涂層在單一運(yùn)動(dòng)模式下的耐磨性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[25-26]，而盾構(gòu)刀具掘進(jìn)時(shí)與巖石的相對(duì)運(yùn)動(dòng)實(shí)際是沖擊和滑動(dòng)的復(fù)合[27]，可能無法對(duì)涂層的耐磨性能和損傷機(jī)理進(jìn)行準(zhǔn)確全面的認(rèn)識(shí)。因此，有必要對(duì)涂層在不同運(yùn)動(dòng)模式下的摩擦磨損性能進(jìn)行綜合全面的評(píng)價(jià)分析。

本文根據(jù)盾構(gòu)刀具實(shí)際工況，選擇在往復(fù)滑動(dòng)和沖滑復(fù)合兩種相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式條件下對(duì)涂層進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究其摩擦磨損性能，并探究該涂層在兩種運(yùn)動(dòng)模式下的磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料以H13 鋼（4Cr5MoSiV1）為基材，H13鋼（采用真實(shí)刀圈的熱處理工藝）是目前國內(nèi)外制作滾刀刀圈的常用材料，運(yùn)用等離子堆焊工藝在其表面制備厚度約為2 mm 的Ni-WC 涂層。涂層制備所采用的Ni-WC 粉末是通過在NiCrBSi 合金粉末中添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 60%的球形碳化鎢顆粒（粒徑：125～ 150 μm 的約25%，75～125 μm 的約60%，45～75 μm的約15%）來制備，具體成分見表1。為對(duì)比研究盾構(gòu)滾刀表面Ni-WC 涂層的磨損性能，將基材H13 鋼作為對(duì)比材料，兩種試驗(yàn)材料均由中鐵工程服務(wù)有限公司提供。

表1 實(shí)驗(yàn)材料的化學(xué)成分 Tab.1 Chemical composition of the experimental materials wt%

1.2 表征與性能分析

磨損試驗(yàn)均采用“球-平面”接觸方式，試驗(yàn)前將涂層及基材原材料切成20 mm×10 mm×10 mm 的平面試樣（其中涂層厚度為 2 mm），對(duì)磨球?yàn)橹睆?0 mm 的Si3N4陶瓷球（硬度1800HV0.05），試驗(yàn)環(huán)境為大氣環(huán)境下干態(tài)（室溫，相對(duì)濕度RH (60±10)%）。

往復(fù)滑動(dòng)磨損試驗(yàn)在CETR UMT-3 多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)裝置如圖1a 所示，應(yīng)變式力傳感器通過上夾具連接球試樣，試驗(yàn)時(shí)移動(dòng)平臺(tái)使球試樣往下移動(dòng)并與平面試樣接觸，同時(shí)施加法向載荷（試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)保持平衡），往復(fù)運(yùn)動(dòng)裝置帶動(dòng)平面試樣作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與球試樣之間的往復(fù)摩擦。試驗(yàn)參數(shù)為：法向載荷Fn=10 N，往復(fù)頻率f=1 Hz，往復(fù)位移幅值S=4 mm，循環(huán)次數(shù)N分別取1000、2000、3000 次。

沖滑復(fù)合磨損試驗(yàn)在自制的沖滑復(fù)合摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)裝置如圖1b 所示，其中沖擊軸經(jīng)彈簧片與沖擊試樣的夾具相連，伺服電機(jī)則通過沖擊軸驅(qū)動(dòng)沖擊試樣對(duì)平面試樣進(jìn)行往復(fù)沖擊。沖擊過程中彈簧片受力彎曲，使沖擊試樣與平面試樣之間實(shí)現(xiàn)沖滑復(fù)合運(yùn)動(dòng)。平面試樣底部的動(dòng)態(tài)壓電傳感器可監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程中平面試樣受到的動(dòng)態(tài)載荷。試驗(yàn)參數(shù)為：彈簧片厚度為0.5 mm（抗彎剛度EI=85.83× 10–3N·m2），沖擊角度α=30°，沖滑頻率f=1 Hz，沖滑幅值S=2 mm，循環(huán)次數(shù)N分別取5000、10 000、15 000 次。

采用光學(xué)顯微鏡（OM，OLYMPUS-BX60M，日本）、三維光學(xué)輪廓儀（3D-OM，BRUKER NPFLEX，美國）和掃描電子顯微鏡（SEM，JSM-6610LV，日本）觀察，并結(jié)合電子能譜儀（EDS，OXFORD X-MAX50 INCA-250，日本）對(duì)基材和涂層的微觀形貌、磨損特征及元素成分進(jìn)行分析。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)示意圖 Fig.1 Schematic diagram of wear test: (a) reciprocating sliding; (b) impact-sliding

2 結(jié)果與分析

2.1 涂層的結(jié)構(gòu)特征與顯微硬度

圖2 為Ni-WC 涂層的截面形貌，可見WC 顆粒分布均勻，涂層與基材結(jié)合良好，未見裂紋。磨損試驗(yàn)前用砂紙和磨拋機(jī)分別對(duì)涂層和基材試樣的摩擦面進(jìn)行打磨和拋光，處理后兩種試樣的三維形貌如圖3 所示，其中Ni-WC 涂層表面的WC 顆粒普遍高于鎳基合金區(qū)域。分別對(duì)涂層和基材的表面取點(diǎn)進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果取10 個(gè)測(cè)試點(diǎn)的平均值，H13 鋼樣品表面的顯微硬度值約為650HV，Ni-WC 涂層中的鎳基合金硬度約為600HV，與H13 鋼硬度相似，而涂層中含有的WC 顆粒硬度約為1500～2000HV，其硬度與對(duì)磨球相似。

2.2 往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4 為往復(fù)磨損3000 次后Ni-WC 涂層和基材H13 鋼的損傷特征。從圖4 中可觀察到，Ni-WC 涂層的磨痕寬度為0.42 mm，大部分磨損區(qū)域的磨損深度小于0.3 μm，只有部分鎳基合金區(qū)域出現(xiàn)剝落，H13鋼的磨痕較寬，達(dá)到0.78 mm，磨損深度達(dá)到0.5 μm?？梢?，在H13 鋼表面制備的Ni-WC 涂層的耐磨損性能有較大幅度的提高。

圖5 為對(duì)應(yīng)不同往復(fù)次數(shù)的兩種試樣表面SEM微觀形貌，可見Ni-WC 涂層在磨損初期（N=1000 次），鎳基合金區(qū)域無明顯損傷，只有少量磨屑粘附，但隨著磨損次數(shù)的增加，磨痕中部的部分鎳基合金區(qū)域，在接觸應(yīng)力的反復(fù)碾壓作用下產(chǎn)生微裂紋，隨后剝落。相比之下，H13 鋼表面在磨損初期就出現(xiàn)犁溝和微裂紋，且隨磨損次數(shù)的增加，磨損加劇，部分區(qū)域出現(xiàn)剝落。

兩種試樣在往復(fù)滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)過程中的摩擦因數(shù)如圖6 所示，可見摩擦穩(wěn)定階段H13 鋼的摩擦因數(shù)高于Ni-WC 涂層，在試驗(yàn)后期H13 鋼的摩擦因數(shù)呈現(xiàn)不穩(wěn)定波動(dòng)。觀察可知，兩種試樣的摩擦因素變化規(guī)律與磨損特征演變規(guī)律相對(duì)應(yīng)。Ni-WC 涂層表面磨損較為緩慢，其磨痕較窄，摩擦因數(shù)較低且較平穩(wěn)。相對(duì)而言，H13 鋼表面材料易被去除，磨痕較寬，與對(duì)磨球的接觸面積較大，其摩擦因數(shù)也較高，且磨損過程中生成的大量磨屑不易排出，磨損表面出現(xiàn)犁溝和剝落等復(fù)雜的損傷形式，導(dǎo)致摩擦因數(shù)不穩(wěn)定波動(dòng)。

圖4 兩種材料在3000 次往復(fù)滑動(dòng)循環(huán)后的磨損特征分析 Fig.4 Wear feature analysis after 3000 cycles of reciprocating sliding: (a) Ni-WC coating; (b) H13 steel

圖5 兩種試樣磨痕的SEM 微觀形貌 Fig.5 SEM micrographs of two worn surfaces: (a) Ni-WC coating; (b) H13 steel

圖6 摩擦因數(shù)曲線 Fig.6 Curves of friction coefficient

圖7 往復(fù)滑動(dòng)磨損過程的周期演變示意圖 Fig.7 Schematic diagrams of cycle evolution of reciprocating sliding wear process: (a) Ni-WC coating; (b) H13 steel

圖7 為兩種試樣往復(fù)滑動(dòng)磨損損傷過程的示意圖。Ni-WC 涂層的往復(fù)滑動(dòng)磨損呈周期性特征，在一個(gè)磨損周期中的初期，在法向載荷的作用下，對(duì)磨球沿Ni-WC 涂層表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)發(fā)生二體磨粒磨損，多個(gè)凸起的WC 顆粒形成的主要接觸平臺(tái)，其較高的硬度及耐磨性可有效阻隔磨粒對(duì)鎳基合金區(qū)域的切削[28]。 此外，高WC 顆粒與低鎳基合金組合的結(jié)構(gòu)，在磨損過程中使大部分磨屑滯留在較低的鎳基合金區(qū)域，打斷磨屑在對(duì)磨球與涂層間的連續(xù)移動(dòng)，從而減少對(duì)磨球與涂層接觸處的三體磨粒磨損，減輕涂層表面發(fā)生塑性變形或脆裂的程度。磨損中期，WC 顆粒經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的磨損后，涂層表面磨損區(qū)域趨于平滑，磨粒對(duì)較軟的鎳基合金區(qū)域有犁溝作用，且磨粒與有磨屑堆積的表面產(chǎn)生較高的接觸應(yīng)力，在此接觸應(yīng)力的循環(huán)加載下，鎳基合金區(qū)域出現(xiàn)疲勞剝落現(xiàn)象[29]。但無論是犁溝作用，還是剝落，都會(huì)使鎳基合金區(qū)域的材料被快速去除，涂層磨損區(qū)域恢復(fù)到高WC 顆粒與低鎳基合金組合的結(jié)構(gòu)，開始下一周期的磨損歷程。相比之下，H13 鋼材料的硬度較低，在磨損過程中被迅速去除，且在磨損區(qū)域留下較深的犁溝痕跡，而產(chǎn)生的磨屑在界面反復(fù)移動(dòng)，產(chǎn)生了嚴(yán)重的三體磨粒磨損，使磨損表面發(fā)生疲勞或剝落。

2.3 沖滑復(fù)合磨損試驗(yàn)結(jié)果分析

圖8 為Ni-WC 涂層和H13 鋼在一個(gè)沖滑磨損循環(huán)過程中的載荷曲線。沖滑磨損過程中，對(duì)磨球以一定初速度向下移動(dòng)并與傾斜的平面試樣接觸，產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間較短的沖擊載荷F1，而后由于與對(duì)磨球連接的彈簧片具有一定的剛度，對(duì)磨球受到沿斜面的較大接觸應(yīng)力，使對(duì)磨球快速向側(cè)向彈起，隨后在沖擊軸的軸向驅(qū)動(dòng)下與試樣再次接觸，產(chǎn)生一個(gè)時(shí)間較短的沖擊載荷F2，而后對(duì)磨球與試樣相對(duì)滑動(dòng)并產(chǎn)生一個(gè)變化的壓載荷Fp，因此在沖滑磨損過程中，平面試樣既承受沖擊載荷又承受壓載荷。從圖8 中Ni-WC涂層對(duì)應(yīng)的載荷響應(yīng)曲線可觀察到不連續(xù)的載荷峰，這是由于涂層表面分布有突出的WC 硬質(zhì)顆粒，沖滑過程中突出WC 硬質(zhì)顆粒承受主要載荷，鎳基合金區(qū)域承受的載荷較小。

圖8 單次沖滑試驗(yàn)的力曲線 Fig.8 Force curves in one cycle of impact-sliding test

圖9 為Ni-WC 涂層和H13 鋼在不同載荷響應(yīng)階段的損傷特征。Ni-WC 涂層的沖擊區(qū)域和滑動(dòng)區(qū)域均無明顯損傷。而對(duì)于H13 鋼，其表面在初始接觸的沖擊區(qū)由于對(duì)磨球的反復(fù)沖擊損傷嚴(yán)重，形成圓形凹坑，坑底較為平整，坑邊沿處有明顯的塑性隆起現(xiàn)象；滑動(dòng)區(qū)損傷略小于沖擊區(qū)，但均有明顯的磨屑堆積現(xiàn)象?？梢?，Ni-WC 涂層的抗沖滑性能明顯優(yōu)于H13 鋼。

圖10 為15 000 次循環(huán)沖滑磨損試驗(yàn)后Ni-WC涂層磨痕的SEM 微觀形貌和EDS 能譜圖。從圖10中可以看出，在沖擊區(qū)Ni-WC 涂層承受沖擊載荷，突出的WC 硬質(zhì)顆粒承受大部分沖擊載荷，可保護(hù)鎳基合金區(qū)域不被磨損，只有承受沖擊載荷的小部分區(qū)域有材料附著現(xiàn)象，在反復(fù)沖擊后呈龜裂狀。在滑動(dòng)區(qū)突出的WC 硬質(zhì)顆粒形成主要的接觸平臺(tái)，其硬度與對(duì)磨球相當(dāng)，因此涂層磨損較輕微?；瑒?dòng)區(qū)的中心部位存在磨屑粘附，磨屑可以在一定程度上保護(hù)Ni-WC 涂層不被磨損，在反復(fù)碾壓后出現(xiàn)龜裂并剝落，露出未損傷的鎳基合金基底。通過EDS 能譜分析發(fā)現(xiàn)磨屑中有較高的O 元素和Si 元素峰，表明磨損過程中存在氧化磨損，對(duì)磨球中的Si 元素在摩擦過程中磨損轉(zhuǎn)移形成磨屑并粘附在Ni-WC 涂層表面。

圖11 為15 000 次循環(huán)沖滑磨損試驗(yàn)后H13 鋼磨痕的SEM 微觀形貌和EDS 能譜，可見磨痕一側(cè)和尾部有大量磨屑。沖擊區(qū)存在塑形變形和沿摩擦方向的犁溝，由于在試驗(yàn)時(shí)該區(qū)域主要承受沖擊載荷，使大顆粒材料從H13 鋼表面脫落，形成凹坑。EDS 能譜結(jié)果顯示，滑動(dòng)區(qū)尾部有大量O 元素和Si 元素，說明在摩擦過程中存在明顯的氧化磨損，同時(shí)對(duì)磨球在 磨損過程中出現(xiàn)材料轉(zhuǎn)移，并與涂層磨損產(chǎn)物形成混合磨屑且堆積在滑動(dòng)區(qū)的尾部，在反復(fù)沖滑碾壓后呈龜裂狀。

圖9 沖滑試驗(yàn)后兩種材料的摩擦磨損分析 Fig.9 Friction and wear analysis after impact-sliding test: (a) Ni-WC coating; (b) H13 steel

圖10 沖滑試驗(yàn)后Ni-WC 涂層的SEM 微觀形貌和EDS 能譜分析 Fig.10 SEM images and EDS spectra of Ni-WC coating after impact-sliding test: (a) wear scar; (b) impact zone; (c) sliding zone; (d, e) EDS spectra

圖11 沖滑試驗(yàn)后H13 鋼的SEM 微觀形貌和EDS 能譜分析 Fig.11 SEM images and EDS spectra of H13 steel after impact-sliding test: (a) wear scar; (b) impact zone; (c) sliding zone; (d, e) EDS spectra

3 結(jié)論

1）與基材H13 鋼相比，Ni-WC 涂層在往復(fù)滑動(dòng)和沖滑復(fù)合兩種模式下的摩擦磨損試驗(yàn)后的磨痕較淺，損傷輕微，說明在盾構(gòu)刀具材料H13 鋼表面制備Ni-WC 涂層后，其耐磨性能和抗沖擊性能得到大幅提升。

2）Ni-WC 涂層耐磨性和抗沖擊性提高的原因是：其表面的高硬度WC 顆?？梢宰柚鼓チ?duì)較軟鎳基合金區(qū)域的切削與碰撞，打斷磨粒對(duì)接觸表面的連續(xù)磨損作用。

3）在往復(fù)滑動(dòng)和沖滑復(fù)合兩種相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式下，Ni-WC 涂層和H13 鋼的磨痕特征及損傷形式都有明顯的不同。綜合采用不同相對(duì)運(yùn)動(dòng)模式的摩擦磨損試驗(yàn)，能對(duì)盾構(gòu)刀具材料的摩擦磨損行為進(jìn)行更全面、合理的研究及評(píng)價(jià)。