丁懷博，劉成威，陳嘉誠，王惠生，吳樹輝，覃恩偉，王博，黃騫，陸海峰，鄧春銀

(1.中廣核鈾業(yè)發(fā)展有限公司,北京100029 2.蘇州熱工研究院有限公司,蘇州 215004)

關(guān)鍵字:高速電弧噴涂；Fe 基涂層；微觀組織結(jié)構(gòu)；耐磨性；磨損機制

0 引言

熱噴涂技術(shù)在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著重要的作用，廣泛用于材料表面的強化，提高材料的耐腐蝕、耐磨損等性能[1-3]。熱噴涂是利用特定熱源將材料加熱至熔融或者是半熔融狀態(tài)，在氣流的作用下將熔滴以一定的速度噴射到基材表面，形成表面強化層的一種工藝[4-5]。常見的熱噴涂方式包括電弧噴涂[6]、火焰噴涂[7]、等離子噴涂[8]、爆炸噴涂[9]等熱噴涂技術(shù)。其中高速電弧噴涂因其噴涂生產(chǎn)效率高、成本低、操作簡易以及靈活便捷有利于現(xiàn)場施工，在工程現(xiàn)場作業(yè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[10-12]。

高速電弧噴涂技術(shù)是再制造工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，經(jīng)過長期的發(fā)展和完善，噴涂工藝和噴涂材料都得到很大提高。在上世紀(jì)末，粉芯絲材的出現(xiàn)，因其成分可調(diào)，結(jié)合高速電弧噴涂靈活方便、生產(chǎn)效率高等優(yōu)勢，拓寬了高速電弧噴涂的應(yīng)用領(lǐng)域，使得在石油化工、水力機械、火力發(fā)電及供熱等工業(yè)領(lǐng)域被廣泛推廣，用于工業(yè)領(lǐng)域零部件的表面修復(fù)及強化[13-14]。對于要求具有耐磨性工況應(yīng)用的場景，F(xiàn)e 基合金因其成本較低、優(yōu)異的機械性能等特點，被廣泛應(yīng)用[15]，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，通過向Fe 基合金中添加硬質(zhì)相元素，采用高速電弧噴涂技術(shù)制備涂層，可大大提高涂層的耐磨性能[16]，比如添加B、C 等硬質(zhì)相元素[17]。Son 等人[18]研究結(jié)果顯示硬質(zhì)相B、C 元素的添加，在FeCr 固溶體中會生成Cr2B、Fe2B 等硬質(zhì)相，由于這些硼化物非常堅硬，穩(wěn)定性好、耐腐蝕，增強了合金的機械性能，合金的硬度、高耐磨性和耐腐蝕性是不銹鋼的2～5 倍。Yuksel 等人[19]研究了硬質(zhì)相的元素含量對涂層耐磨性能的影響，研究結(jié)果表明硬質(zhì)相元素含量的增加，使得涂層的磨損量降低，有效提高涂層的耐磨性能。高振等人[20]研究了涂層的摩擦磨損特性，結(jié)果顯示涂層的磨痕深度遠(yuǎn)小于基體，說明了涂層相對于基體具有更優(yōu)異的耐磨性。Guo 等人[21]研究了高速電弧噴涂Fe 基涂層的微觀形貌，結(jié)果顯示噴涂層呈典型的片層狀結(jié)構(gòu)，在相隔片層之間存在有氧化物和孔隙等缺陷,這些缺陷會降低涂層的耐磨性能。

本文研究采用粉芯絲材和高速電弧噴涂技術(shù)，在低碳鋼基體上制備FeBCSi 噴涂涂層，研究分析了涂層的顯微組織、基體到涂層的微觀硬度變化以及涂層的耐磨性能，并探究了基體與涂層的磨損機理。

1 試驗材料及方法

1.1 材料及工藝

基體材料選用的是低碳鋼20G 鋼，試樣尺寸為100 mm×100 mm×10 mm，噴涂材料采用的是電弧噴涂粉芯絲材。絲材成分：Fe 余量、Cr12%、B7%、C1.85%以及Si 痕量。粉芯絲材是通過連續(xù)的軋制、拉伸等變形工序，實現(xiàn)絲材的包覆、合圓及減徑，生產(chǎn)出一定規(guī)格的粉芯絲材，粉芯絲材的微觀形貌如圖1 所示。

圖1 粉芯絲材的微觀形貌;(a) 絲材形貌；(b) 填充的粉末形貌Fig.1 Micromorphology of powder-cored wires:(a) wires morphology;(b) filling powder morphology

采用ZPG-400 型高速電弧噴涂設(shè)備進(jìn)行電弧噴涂，噴涂前對基材表面進(jìn)行預(yù)處理，去除基材表面的油污、氧化皮等雜質(zhì)，凈化基材表面，并形成凹凸不平的粗糙面，為熔融或半熔融態(tài)的噴涂粒子提供拋錨點。噴砂工藝參數(shù)：空氣壓力0.6～0.8 MPa、噴砂距離150～200 mm、噴砂角度70°～80°；噴涂工藝參數(shù)：噴涂電壓40～45V，噴涂電流250～300A，空氣壓力0.6～0.8 MPa，噴涂距離150～200 mm，噴涂角度80°～100°。

1.2 結(jié)構(gòu)表征及性能檢測

采用ZEISS Axi Observer A3 型金相顯微鏡觀察涂層的微觀形貌，利用Image J 定量分析軟件測量涂層內(nèi)部的孔隙率。采用Tescan VEGA TS 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察摩擦磨損試驗后基體和涂層磨損后的微觀形貌。采用Qness Q10A+型維氏硬度計測量涂層的微觀硬度，載荷為0.3 kg，保載時間10 s。

采用HT-500 型摩擦磨損試驗機對涂層進(jìn)行磨損試驗，為球-盤摩擦方式，對磨材料為?5 mm的Si3N4球，試驗條件為對磨半徑2 mm，載荷6.17 N，轉(zhuǎn)速560 rpm，對磨時間5 min，總滑動距離為35.17 m。每次摩擦試驗前后，經(jīng)超聲清洗和干燥，使用精度為10-4g 的電子天平測量試樣的質(zhì)量損失。該試驗條件重復(fù)5 次，所得磨損率是5 次試驗的平均值。采用Bruker GT 型白光干涉儀對磨痕進(jìn)行三維形貌分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的顯微組織結(jié)構(gòu)

采用石英砂對待噴涂表面進(jìn)行清潔和粗化處理，形成凹凸不平的粗糙面，在壓縮空氣的作用下，熔融或半熔融態(tài)的粒子噴射到基體表面，冷凝收縮時在粗糙面處與基體相互咬合，形成機械結(jié)合。圖2 為涂層橫截面的顯微組織形貌，從圖中可以看出，涂層呈典型的片層狀結(jié)構(gòu)，涂層內(nèi)部存在有少量的氧化物，涂層較為致密，涂層的孔隙率為1.75±0.22%（體積分?jǐn)?shù)）。因為熔滴在壓縮空氣的作用下撞擊到基材表面鋪展凝固形成片狀，后續(xù)粒子不斷堆垛沉積，使得涂層呈片層狀結(jié)構(gòu)。在噴涂過程中，高速飛行的高溫熔滴不可避免的發(fā)生氧化，撞擊到基材表面時，會在層間夾雜氧化物。飛行過程中熔滴粒子具有不同的溫度和速度，使得粒子的鋪展、潤濕和堆積過程也存在差異，出現(xiàn)不完全融合現(xiàn)象，同時熔滴的快速冷卻使得氣體來不及逸出，都會導(dǎo)致形成孔隙，同時，熔滴在快速冷卻成形過程中，由于溫度和熱物性參數(shù)的差異會產(chǎn)生熱應(yīng)力，使得涂層內(nèi)部出現(xiàn)熱裂紋或冷裂紋[22]。

圖2 涂層的橫截面組織形貌：(a)低倍；(b) 高倍Fig.2 Cross-section micrograph of coating:(a) low magnification;(b) high magnification

圖3 為涂層的XRD 圖譜，從圖中可以看出，涂層主要是由 FeCr 固溶體、Fe 和 Cr 的氧化物、硼化物以及碳化物組成，其中硼化物和碳化物等硬質(zhì)相分布于涂層中，增加了涂層的硬度，提高了涂層的耐磨性能。

圖3 涂層的XRD 圖譜Fig.3 XRD patterns of the coating

2.2 涂層的微觀硬度

圖4 為從涂層表面到基體的微觀硬度變化，從圖中可以看出，涂層的平均微觀硬度為591.64±29.58 HV0.3，基體的平均微觀硬度為168.60±16.43 HV0.3，涂層的微觀硬度高于基體，因為在涂層中彌散分布有硼化物等其他硬質(zhì)相，可以增強涂層的微觀硬度。從圖中還可以看出，在相同載荷以及恒載時間下，涂層上留下的壓痕小于基體上的壓痕，這也說明了，涂層的微觀硬度大于基體。并且涂層的微觀硬度在一定范圍內(nèi)浮動，主要因為噴涂過程中在涂層內(nèi)部會形成松散的氧化物、孔隙等微觀缺陷，這會降低涂層局部的微觀硬度。Habib 等人[23]的研究結(jié)果表明熔融粒子的溫度和速度影響了涂層內(nèi)部的氧化物含量以及涂層的致密度，這都會導(dǎo)致涂層局部微觀硬度的變化，這與圖4 中的研究結(jié)果是相似的。涂層的硬度可以反映其耐磨性能，硬度越高，耐磨性越好[24]。

圖4 從涂層表面到基體的微觀硬度變化Fig.4 Changes of microhardness from coating to substrate

2.3 涂層的摩擦磨損性能

2.3.1 摩擦系數(shù)

圖5 展示了涂層與基體的摩擦系數(shù)曲線以及磨損量，從圖5(a)中可知，在摩擦磨損初期，由于磨損試樣經(jīng)過拋光處理，表面的粗糙度較小，摩擦產(chǎn)生的阻力也較低，使得摩擦系數(shù)的數(shù)值較低。隨著摩擦磨損試驗的進(jìn)行，摩擦系數(shù)曲線逐漸趨于平穩(wěn)，涂層的摩擦系數(shù)低于基體，涂層的摩擦系數(shù)約為0.472，基體的摩擦系數(shù)約為0.748。主要是因為涂層在磨損過程中，由于硬質(zhì)相的存在，會使涂層產(chǎn)生磨粒磨損，硬質(zhì)相顆粒起到一定的潤滑作用，使得涂層的摩擦系數(shù)較低，并且涂層中硬質(zhì)相彌散分布韌性相中，在磨損過程中，韌性相先被磨損，其硬質(zhì)點漏出，導(dǎo)致涂層的摩擦系數(shù)出現(xiàn)波動。對磨材料Si3N4相對基體材料來說，其硬度較高，在磨損過程中切削基體，在較高摩擦溫度下，基體會產(chǎn)生一定的粘著，導(dǎo)致基體的摩擦系數(shù)較高。由圖5(b) 可知，在相同磨損條件下，涂層與基體的磨損質(zhì)量損失，分別為17.62±0.88 mg 和82.36±4.12 mg，涂層的質(zhì)量損失低于基體材料。主要是涂層中存在有硼化物等硬質(zhì)相，使得涂層的磨損量相對基體來說降低了78.61%，顯示出了涂層具有較好的耐磨性能。

圖5 涂層與基體的摩擦系數(shù)和磨損量：(a)摩擦系數(shù)；(b)磨損量Fig.5 The friction coefficient and wear loss between coating and substrate:(a) friction coefficient;(b) wear loss

2.3.2 磨損形貌

為了直觀的觀察基體與涂層摩擦磨損后的表面形貌，更好的分析基體與涂層的耐磨性能，通過采用白光干涉儀對試樣磨損后表面的三維形貌進(jìn)行了測量分析。圖6 為基體與涂層的三維磨痕形貌，從圖中可以看出，在相同載荷和加載時間下，對磨球?qū)w進(jìn)行切削，在表面留下一條較深的溝槽，切削下來的基體材料在對磨球的擠壓下，在溝槽邊緣形成一個凸型輪廓，而涂層表面只留下一層較淺的磨痕，并殘留一些脫落的斷裂層。因為涂層的硬度高于基體的硬度，使得涂層的耐磨性能較好，涂層相對于基體材料來說，其磨損痕跡相對較淺，沒有較深的溝槽。

圖6 三維磨痕形貌：(a)基體；(b)涂層Fig.6 Three-dimensional wear morphology:(a) substrate;(b) coating

為了更為直觀的觀察基體與涂層的磨痕形貌，通過磨痕的輪廓曲線定量分析了磨痕的深度和寬度，如圖7 和表1 所示。從圖7 和表1 中可以看出，基體磨痕的寬度和深度分別為296.83±14.64 μm、2.69±0.23 μm，磨痕較深、寬度較窄，主要是因為基體的硬度較低，對磨球切削基體表面，形成較深的犁溝。涂層的磨痕的深度和寬度分別為474.60±22.38 μm、1.02±0.08 μm，磨痕較淺、寬度較寬，因為涂層具有較大的硬度，表面不容易被切削形成較淺的溝槽，但涂層表層因硬度較大而發(fā)生脆裂脫落，導(dǎo)致寬度較大，硬度越大，這個現(xiàn)象會越明顯。

圖7 基體與涂層的磨痕輪廓曲線Fig.7 Wear grooves profile curve of substrate and coating

表1 基體與涂層磨痕的深度和寬度Table 1 Depth and width of wear grooves of substrate and coating

2.3.3 磨損機理

磨料磨損和粘著磨損是材料在磨損過程中常見的兩種磨損形式，在實際磨損過程中，幾種磨損形式是同時共存的，但是某種磨損機制會占據(jù)主導(dǎo)地位[25-26]。

圖8 為基體與涂層的磨損形貌，從圖中可以看出，基體因硬度較低，表面被對磨球切削，并且切削下來的材料在摩擦高溫下被氧化、軟化，生成氧化物附著在磨損表面，發(fā)生粘著磨損。涂層因硬度較大，在磨損過程中表層的涂層發(fā)生脆裂、剝落現(xiàn)象，并且脆裂過程中產(chǎn)生的部分硬質(zhì)磨粒充當(dāng)磨料，發(fā)生磨料磨損。

圖8 基體和涂層的磨損形貌：(a) 基體；(b) 涂層Fig.8 Wear morphology of substrate and coating:(a) matrix;(b) coating

3 結(jié)論

本文采用高速電弧噴涂技術(shù)在基體低碳鋼表面制備FeBCSi 耐磨噴涂涂層，研究了涂層的組織形貌、微觀硬度以及摩擦磨損性能，并對其磨損機制進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

(1) 高速電弧噴涂制備的涂層呈典型的片層狀結(jié)構(gòu)，在涂層內(nèi)部存有少量的氧孔隙、氧化物以及微觀裂紋等缺陷，涂層較為致密，孔隙率為1.75±0.22%。

(2) 從基體到涂層表層的微觀硬度是增加的，涂層的平均微觀硬度為591.64±29.58 HV0.3，基體的平均微觀硬度為168.60±16.43 HV0.3，涂層的硬度大約是基體硬度的四倍左右，主要是硼化物等硬質(zhì)相提高了涂層的微觀硬度。

(3) 在相同摩擦磨損條件下，涂層的磨損量相對基體來說降低了78.61%，在磨損過程中，對磨球切削基體表面，形成寬度為296 μm、深度為2.69 μm 深的犁溝，涂層因具有較大的硬度，表面不容易被切削形成較淺的溝槽，并發(fā)生脆裂、剝落，所以涂層的磨痕深度較淺、寬度較大。

(4) 在摩擦磨損過程中，基體表面被對磨球切削下來的材料在摩擦產(chǎn)生的高溫下被氧化、軟化，生成氧化物，發(fā)生粘著磨損。而涂層硬度較大，在脆裂過程中產(chǎn)生硬質(zhì)磨粒，發(fā)生磨料磨損，因此，基體與涂層的磨損機制由粘著磨損向磨料磨損轉(zhuǎn)變。