闕銘鑫，柏興旺，周祥曼，張海鷗

（1.南華大學 a.機械工程學院 b.核燃料循環(huán)技術與裝備湖南省協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 衡陽 421001；2.三峽大學 機械與動力學院，四川 宜昌 443002；3.華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074）

在汽輪機、渦輪機、風力發(fā)電機等大型重載設備中，巴氏合金常被熔覆于強度較高的基體材料表面，以滿足運動副配合面減摩、耐磨的功能需求。隨著零件服役愈加趨向于高油溫、高載荷、高轉速的惡劣情況，對巴氏合金熔覆層性能及缺陷控制的要求不斷提高。為了減少巴氏合金熔覆層的失效率，學界對其摩擦磨損行為、蠕變力學性能、結合性能以及孔隙和物相偏析等問題開展了廣泛的研究[1-7]。

在油溫、載荷、沖擊載荷的共同作用下，巴氏合金熔覆層常出現(xiàn)整體或局部脫落等失效形式，解決此類問題的關鍵是提高巴氏合金與基體材料的結合強度。王建梅等[8-10]研究發(fā)現(xiàn)，五層復合結構襯套界面結合性能優(yōu)于三層復合結構襯套。王星星等[11]研究了時效處理對巴氏合金堆焊層結合強度的影響，結果表明，結合強度隨時效時間增加而降低。宋振亞等[12]對比了不同制備方法對錫基巴氏合金軸瓦組織及性能的影響，實驗證明，MIG 堆焊工藝的結合強度遠大于離心澆鑄制備工藝，而且MIG 堆焊巴氏合金試樣組織更為細小均勻。此外，堆焊前，對基體表面進行毛化預處理也是提升結合強度的有效方式之一[13]。石玗等[14]通過激光毛化工藝改變鋼表面微觀形貌，開展了鋁上鋼下的TIG 熔釬焊搭接試驗，研究發(fā)現(xiàn)，由于鋁鋼反應接觸面積增大以及機械咬合作用增強，鋁鋼接頭結合強度獲得提升。激光毛化預處理的方式具有制槽精度高、靈活性強等優(yōu)點，但激光熔化去除材料的方式也存在引入氧化物雜質(zhì)的風險，毛化的效率也有待提高。本文采用精密刨床對基體表面進行機械式毛化預處理，然后利用 MIG 在基板表面堆焊SnSb11Cu6 巴氏合金，對比了不同毛化形貌及參數(shù)對巴氏合金堆焊層界面組織、金屬間化合物微觀結構、結合強度及斷裂形貌的影響規(guī)律。

1 實驗

1.1 表面毛化及堆焊

實驗所用基體材料是Q235 鋼，尺寸為300 mm×300 mm×3 mm；焊絲是直徑為1.6 mm 的SnSb11Cu6合金焊絲，其化學成分見表1。堆焊前，采用刨床對基體表面進行機械毛化處理，刀具選用45°切槽刨刀，毛化槽深有0.15、0.3 mm 兩種規(guī)格，毛化形貌有直槽和網(wǎng)格槽兩種類型，如圖1 所示。每個試樣的毛化參數(shù)與堆焊參數(shù)見表2。

表1 SnSb11Cu6 合金化學成分Tab.1 chemical composition of SnSb11Cu6 alloy wt%

表2 毛化及堆焊參數(shù)Tab.2 Texturing and welding parameters

圖1 不同的毛化類型Fig.1 Schematic diagram of different texturing types: a) mesh texturing morphology; b) straight groove texturing morphology; c)schematic diagram of texturing parameters

堆焊前，先用角磨機對鋼板表面進行清理，再用丙酮洗去鋼基體上的油污，最后用無水乙醇對鋼基體進行脫水處理。堆焊合金高度為8 mm，堆焊合金層數(shù)為3 層。堆焊第一層時，采用較大焊接速度的單層多道焊接方式；后續(xù)堆焊，采用Z 型擺焊工藝來增大熔寬。焊后冷卻時間為1～2 min，且每次焊完后對合金表面進行清理。

1.2 測試方法

堆焊完成后，用銑床銑平巴氏合金堆焊層表面，并涂抹潤滑油，然后對堆焊試樣進行超聲波檢測，以免出現(xiàn)明顯缺陷，影響后續(xù)實驗的可靠性。確保檢測合格后，將試樣切成8 mm×8 mm 的方塊，再將方塊打磨拋光成金相試樣。通過4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，利用GX51F 金相顯微鏡觀察其界面形貌與合金的物相分布；采用XRD-7000S 型X 射線衍射儀檢測巴氏合金堆焊層的物相成分；利用PWS-E100 電液伺服動靜萬能試驗機測試堆焊層與鋼基體之間的結合強度；結合使用Zeiss Sigma 掃描電鏡和Smart EDX能譜儀觀測界面處各元素的分布情況。

2 結果與分析

2.1 堆焊層物相分析

采用X 射線衍射儀對SnSb11Cu6 合金堆焊層進行了檢測，結果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，合金的物相組成有：Sn 基固溶體α 相、Cu6Sn5星狀或針狀的ε 硬質(zhì)相、SnSb 立方晶體β 硬質(zhì)相。軟相基體使得巴氏合金具備良好的嵌藏性和順應性，硬質(zhì)相起支撐作用。在結晶過程中，星狀ε 硬質(zhì)相先結晶析出，立方晶體β 硬質(zhì)相以體積較小的β 硬質(zhì)相為結晶中心生長結晶。ε 硬質(zhì)相析出后，以網(wǎng)狀均勻分布在軟基體α 相中，阻礙了β 相，因比質(zhì)量較低而產(chǎn)生上浮，使得硬質(zhì)相在軟相基體中分布相對均勻[15-16]。得益于巴氏合金組織均勻分布的特性，在磨合過程中，合金表面的軟基體向內(nèi)凹陷，硬質(zhì)相向外凸出，形成微小間隙，這些間隙能儲存潤滑油，起到減摩的作用[1]。

圖2 SnSb11Cu6 巴氏合金堆焊層XRD 圖譜Fig.2 XRD results of SnSb11Cu6 Babbitt alloy cladding layer

2.2 界面組織與形貌分析

在金相顯微鏡下觀察到的界面組織如圖3 所示，上層為SnSb11Cu6 巴氏合金，下層為Q235 鋼基體。如圖1 所示，毛化處理獲得的槽形大體是圓弧形，但從圖3a 可以看出，毛化槽形貌發(fā)生變化，深度方向變化不大，但是毛化凹槽槽寬大幅度增加，圓弧形凹槽已經(jīng)轉變?yōu)闄E圓形槽。這是在堆焊過程中，電弧產(chǎn)生的高溫熔化了凹槽邊緣的鋼基體材料，熔化的材料進入熔池，會提高界面部位的Fe 元素濃度，有利于促進界面反應和元素擴散。

圖3 Q235 鋼與SnSb11Cu6 巴氏合金的界面金相組織Fig.3 The metallographic structure of the interface between Q235 steel and SnSb11Cu6 Babbitt alloy: a) 0.15 mm straight groove texturing sample; b) non-textured sample

在毛化和無毛化兩種試樣金相截面上，都可以看到清晰的界面，還都可以發(fā)現(xiàn)眾多的白色硬質(zhì)相沿著界面分布。在巴氏合金熔池冷卻過程中，熔池通過基體熱傳導快速散熱，靠近基體一側的巴氏合金快速冷卻，過冷度增大，形核率提升，使得巴氏合金中首先結晶析出的ε 硬質(zhì)相Cu6Sn5在界面處聚集，β 硬質(zhì)相SnSb 以ε 相為結晶中心生長[17-19]，數(shù)量較多的ε 相以及相對較高的過冷度也為β 相結晶提供了良好條件，故β 相也密集分布在界面部位。

對比圖3a、3b 可知，堆焊表面做毛化處理后，硬質(zhì)相沿著界面密集分布的情況更為顯著。原因有以下兩點：首先，堆焊表面經(jīng)毛化后，表面積大幅增加，使得冷卻速率增加，過冷度增大，形核率進一步提升；其次，毛化處理本身會增加原子的擴散距離，在接觸面積增大的同時，巴氏合金熔池內(nèi)會形成更高的化學勢能梯度，活性金屬元素更易向界面處移動[20]。

2.3 界面元素與物相分析

為探究Q235 鋼與SnSb11Cu6 巴氏合金界面特征，采用SEM 對未腐蝕的試樣進行觀察，并結合EDS進行元素分析。EDS 線掃描結果如圖4 所示。圖4a中橫坐標32 μm 處為巴氏合金與鋼基體的分界面，F(xiàn)e元素強度大幅度提升，Sn 和Sb 強度大幅度降低，表明元素擴散距離不長，巴氏合金堆焊層與鋼基體的分界線比較明顯。從圖4b 可以清晰地看出，在17、34 μm處有兩個較為明顯的界限。17 μm 之前，Sn 和Sb 元素的強度較高，說明該區(qū)域為巴氏合金；34 μm 之后，只有Fe 元素的強度較高，說明該區(qū)域為鋼基體；17～34 μm 區(qū)域，F(xiàn)e、Sn、Sb、Cu 元素都能有一定強度，說明這幾種元素在該區(qū)域都存在。分析認為，圖4b 界面部位出現(xiàn)了較為劇烈的界面反應，在界面中間部位生成約為15 μm 厚的金屬間化合物。有研究指出，金屬間化合物的主要成分為FeSn2，且FeSn2能增強鋼基體與巴氏合金之間的結合強度[21]。無毛化與毛化試樣從整體界面上看都存在金屬間化合物，然而毛化處理的試樣生成的金屬間化合物更厚，且具備更廣闊的接觸面積，易生成更多的金屬間化合物?？偟貋碚f，毛化處理對界面反應的影響有以下幾點：首先，毛化基板更利于原子擴散，接觸面積增大使得化學勢能梯度增加，合金與基體間原子擴散距離更遠，且反應更加劇烈；其次，電弧高溫熔化毛化凹槽邊緣基體材料，使得更多被溶解的Fe 元素向巴氏合金液態(tài)金屬中擴展，加劇了界面反應；最后，毛化凹槽輪廓峰對三相線位移產(chǎn)生釘扎作用，潤濕鋪展效果受到抑制，但活性金屬元素更易于向界面處擴散，進一步促進了界面反應。

圖4 鋼基體/巴氏合金界面區(qū)域能譜掃描結果Fig.4 EDS results of the interface area between steel matrix and Babbitt alloy: a) non-textured sample, b) 0.1 mm straight groove texturing sample

2.4 結合強度

巴氏合金主要用于大型重載機械的軸承、軸瓦、軸襯、軸套等零部件中，巴氏合金堆焊層在這些工況下承受的主要載荷是剪切力，因此選用拉剪法測量堆焊層與鋼基體之間的結合強度[22-25]。堆焊完成后，利用線切割加工出如圖5 所示的拉剪測試樣件。通過電子萬能實驗機以0.2 cm/min 的速率均勻施加載荷，保持載荷增值，直到合金或結合層斷裂為止。實驗中每組參數(shù)的試樣測量3 次，記錄實驗過程中的載荷情況，讀取錫基巴氏合金層剝離時的最大載荷。結合強度的計算公式為：

圖5 拉剪試件結構Fig.5 Schematic diagram of tensile-shear specimen structure

式中：W為結合強度，MPa；F為剝離時最大載荷，kN；S為試樣剪切面積，mm2。

測試計算后，得到各試樣的結合強度，見表3。拉剪測試中，15 個試樣斷裂的位置全部位于巴氏合金一側，這說明無論有無毛化，巴氏合金與基體的結合強度都超過了巴氏合金的抗拉強度。毛化試樣的結合強度高于無毛化試樣，無毛化試樣的結合強度平均值為39.67 MPa，而各毛化試樣所測得的結合強度較為相近，平均值為51.14 MPa，增幅為28.9%。毛化處理提升堆焊層結合強度的原因有3 個方面：首先，毛化處理后，基體的輪廓表面積增加，表面積的增加意味著巴氏合金與基體之間更大的接觸面積，分離合金與基體所需要的拉剪力更大，即更大的結合強度；其次，毛化處理后，基體與合金的接觸面由平行于載荷方向的平面變?yōu)榫哂兄T多凹槽的復雜曲面，凹槽中嵌合了部分巴氏合金，形成了基體間與合金層之間的機械咬合作用，該機械咬合作用有利于抵御剪切載荷；最后，如2.2 節(jié)和2.3 節(jié)所分析，毛化后的基體表面更有利于元素擴散和界面反應，包含金屬間化合物的過渡區(qū)域更厚，這些也是毛化處理增加結合強度的重要原因。

表3 拉剪實驗結果Tab.3 Statistics of tensile-shear test results

對比表3 中不同毛化參數(shù)下的測試結果，可以發(fā)現(xiàn)，結合強度較為相近。這是由于，盡管網(wǎng)格槽毛化可以獲得比直槽毛化更大的表面積增量，但是網(wǎng)格槽毛化情況下，巴氏合金在基體表面浸潤性更差。在圖6 所示的各類試樣的潤濕角測試中，無毛化、直槽毛化、網(wǎng)格槽毛化三種情況下的潤濕角依次增大。良好潤濕性有利于提升結合強度，但是在巴氏合金潤濕過程中，毛化凹槽輪廓峰對三相線的位移有釘扎作用，所測得的潤濕角較大，潤濕鋪展受到阻礙。

圖6 各毛化類型的潤濕角Fig.6 Wetting angle of each texturing type: a) no roughening; b) straight groove roughening; c) grid groove roughening

3 結論

在堆焊前采用精密刨槽加工對鋼基體表面進行毛化處理，對比分析了無毛化與不同毛化參數(shù)條件下的巴氏合金堆焊層界面組織、物相分布以及結合強度，主要得出以下結論：

1）毛化處理增加了巴氏合金與基體材料間的接觸面積，且毛化凹槽嵌合了一部分巴氏合金，基體與合金層之間產(chǎn)生了機械咬合。毛化處理加劇了元素擴散，毛化輪廓邊緣的材料易于熔化，從而促進了界面反應。

2）不同毛化參數(shù)條件下，合金與基體的結合強度變化不大。網(wǎng)格槽毛化可以獲得比直槽毛化更大的表面積增幅，但網(wǎng)格槽毛化情況下，巴氏合金在鋼基體表面的浸潤性更差。