孫又銀，高玉新，程 虎

(1. 日照職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 日照 276826；2. 浙江省工量刃具檢測與深加工技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臺州 318000)

0 前 言

鐵基、鎳基和鈷基合金常用于對磨損失效后的機(jī)械零部件及模具進(jìn)行表面修復(fù)，以延長其服役周期。鐵基合金與鎳基、鈷基合金相比，由于其成分和熱膨脹系數(shù)與基體相近，更易于和基材形成冶金結(jié)合，且價格低廉，在模具及機(jī)械零部件的磨損修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。電火花沉積工藝具有靈活簡便、沉積層與基材能實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合且對基材熱影響極小等特點(diǎn)，因此，利用電火花沉積工藝制備鐵基合金涂層是一種高效、經(jīng)濟(jì)的模具及零部件表面再制造技術(shù)，但該技術(shù)由于受自身工藝限制，沉積層存在較多孔洞、裂紋及夾雜等缺陷[4-6]，導(dǎo)致修復(fù)質(zhì)量下降，阻礙了該技術(shù)在表面再制造工程中的進(jìn)一步應(yīng)用。

近年來，研究者利用激光熔覆[7, 8]、等離子熔覆[9]及熱噴涂[10]技術(shù)，在鐵基、鎳基合金中添加少量稀土氧化物(La2O3、Ce2O)制備了耐磨、耐蝕涂層。研究表明，稀土元素的化學(xué)活性提高了冶金質(zhì)量，使涂層硬度及耐磨性能得到提高。但目前利用電火花沉積技術(shù)制備稀土摻雜鐵基涂層，并探索稀土元素對沉積層的組織及耐磨性能的影響的研究少有報道。為此，本工作在前期研究[11, 12]基礎(chǔ)上，制備了電火花沉積La2O3摻雜(Fe/La2O3)鐵基涂層，考察稀土氧化物L(fēng)a2O3對沉積層組織及耐磨性能的影響，以拓展電火花沉積技術(shù)在機(jī)械零部件及模具精密修復(fù)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

基體材料選取3Cr2Mo鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)為：0.37C，0.30Si，1.00Mn，1.90Cr，0.50Mo，其余為Fe。將其加工成尺寸為40 mm×40 mm×5 mm的方塊，并用平面磨床磨平。沉積電極材料采用Fe55合金(0.87C, 3.53Si, 3.76B, 16.56Cr, 11.09Ni, Fe 余量)粉末添加2.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))La2O3[12]，利用真空電弧熔鑄爐(型號DHL - 1250)將上述混合粉末熔鑄成直徑為5 mm的電火花沉積電極。

1.2 涂層制備

采用DZS - 1400型電火花沉積設(shè)備在基材表面分別制備Fe基和La2O3摻雜Fe基(Fe/La2O3)涂層，選取的工藝參數(shù)為：功率 900 W；電壓 60 V；頻率 1 000 Hz；氬氣流量5 L/min；生產(chǎn)率 1.5 min/cm2。沉積工藝實(shí)施時，電極保持勻速圓周運(yùn)動的同時在基體表面進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動。

1.3 分析及測試方法

采用HT - 600型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別對電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層試樣進(jìn)行室溫球盤式干滑動磨損試驗(yàn)。對摩副為直徑5 mm的YG8硬質(zhì)合金球，磨擦試驗(yàn)條件：法向載荷15 N，轉(zhuǎn)速600 r/min，轉(zhuǎn)動半徑為5 mm，時間30 min。摩擦試驗(yàn)正式開始之前，試樣先在法向載荷15 N、轉(zhuǎn)速600 r/min條件下進(jìn)行5 min的跑合。涂層的耐磨性能采用磨損體積Vω進(jìn)行評價[12]，用三維形貌儀測量磨損表面的磨痕寬度和深度，然后按式(1)所示公式計算Vω。每個試樣取3次測量的平均值作為最終磨損體積。

(1)

式中：h為磨痕深度，μm；b為磨痕寬度，mm；r為磨痕軌道半徑，mm。

采用X射線衍射儀(布魯克D8)分析Fe基和Fe/La2O3涂層的相組成；采用掃描電鏡(日立S - 4800)觀察Fe基和Fe/La2O3涂層的組織特征、磨損形貌和磨損試驗(yàn)結(jié)束后收集的磨粒的形貌；采用顯微硬度計(HVS - 1000型)測量Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的硬度，測試載荷為0.1 N ，加載時間為15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層物相分析

圖1為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的XRD譜。從圖1可知，2種涂層的主要物相為γ - (Fe, Ni)固溶體及Cr7C3、CrB、Fe3C硬質(zhì)相[11]。La2O3的添加促使新物相CrC、LaNi4Si的生成。另外，F(xiàn)e/La2O3涂層中在新的峰位出現(xiàn)了Cr7C3相，且Cr7C3、CrB硬質(zhì)相衍射峰強(qiáng)度變大，這可能導(dǎo)致其在涂層中含量增加，利于提高涂層的耐磨性能。

圖1 沉積層的XRD譜Fig. 1 XRD spectra of Fe based coatings without La2O3 and with 2.0% La2O3

2.2 涂層的組織結(jié)構(gòu)

圖2為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的組織形貌，由于電火花沉積工藝對基體熱輸入很小，涂層與基材界面并無明顯的熱影響區(qū)。從圖2a和圖2b對比可知，電火花沉積Fe基涂層中存在較多的裂紋和孔洞，而Fe/La2O3涂層中裂紋大大減少，局部區(qū)域存在深度較淺的微裂紋，未見明顯的孔洞。圖2c和圖2d為涂層近界面處的組織形貌，F(xiàn)e基涂層界面處為垂直界面生長的樹枝晶結(jié)構(gòu)，枝晶組織外圍為超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)；Fe/La2O3涂層近界面為超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，而遠(yuǎn)離界面10～15 μm處可見晶粒尺寸較大的蓮藕網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)。圖2e和圖2f為涂層橫截面中部區(qū)域的組織形貌，電火花沉積Fe基涂層中部區(qū)域存在重熔區(qū)，其組織為細(xì)小的枝晶組織；而Fe/La2O3涂層中部區(qū)域?yàn)樯徟籂罨ヂ?lián)的網(wǎng)狀組織，其晶粒尺寸比Fe基涂層大(圖2f)。圖2g和圖2h為涂層橫截面上部區(qū)域(近涂層表面)的組織形貌，由圖2g和圖2h可知，F(xiàn)e基和Fe/La2O3涂層上部區(qū)域均為超細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e基涂層上部形貌仍可見組織重熔特征，局部仍可見細(xì)小枝晶；而Fe/La2O3涂層上部區(qū)域與中部區(qū)域(圖2f)組織相近，為蓮藕狀互聯(lián)的網(wǎng)狀組織，但晶粒尺寸更加細(xì)小。

圖2 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面SEM形貌Fig. 2 SEM micrographs of cross - section of Fe based coatings

電火花沉積Fe基涂層中的裂紋、孔洞及夾雜物等缺陷會嚴(yán)重影響其使用性能。電火花沉積是一種等離子微弧堆焊工藝，工藝實(shí)施時放電微弧的均勻性與涂層表面平整性有關(guān)，已沉積表面如果存在粗糙度大的微凸體，旋轉(zhuǎn)電極與微凸體之間的放電微弧有可能變?yōu)橛泻Φ霓D(zhuǎn)移電弧，使電極過熱，導(dǎo)致已沉積涂層發(fā)生重熔(圖2e)，且沉積電極的過熱亦會使涂層產(chǎn)生較多的裂紋(圖2a)。Fe基合金電極中添加適量La2O3后，由于其高化學(xué)活性，增加了沉積時液態(tài)金屬的流動性[9]，使其極易與合金中的 O 、S 、P 等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)生成夾雜物(化合物)，且尺寸變得更為細(xì)小，呈彌散分布，這就降低了沉積過程中尺寸較大的不規(guī)則形狀夾雜物對放電微弧的影響，使電極與基體之間的放電微弧均勻、連續(xù)，提高了涂層的冶金質(zhì)量。因此，F(xiàn)e/La2O3涂層中的裂紋及孔洞大大減少(圖2b)，同時，均勻、連續(xù)的放電微弧使電極不易產(chǎn)生過熱，沉積層之間難以發(fā)生較嚴(yán)重的重熔(圖2f和圖2h)，涂層組織變得均勻連續(xù)。

2.3 涂層的硬度

圖3為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的硬度分布曲線。

由圖3可知，電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的硬度呈梯度分布，在靠近涂層表面區(qū)域，F(xiàn)e/La2O3涂層的硬度比Fe基涂層高約40 HV0.1 N，在涂層中下部區(qū)域，F(xiàn)e/La2O3涂層的硬度比Fe基涂層高約60 HV0.1 N；Fe基涂層中下部區(qū)域存在較多的裂紋、孔洞等缺陷(圖2a)，導(dǎo)致其硬度相比Fe/La2O3涂層下降較多。Fe/La2O3涂層中由于稀土元素的作用使涂層中的裂紋、孔洞、夾雜等缺陷大大減少，涂層組織變得均勻、連續(xù)，冶金質(zhì)量得到改善(圖2b～2h)；同時由于稀土的化學(xué)活性作用導(dǎo)致涂層中析出了較多的Cr7C3、CrB、Fe3C硬質(zhì)相(圖1)，這些硬質(zhì)相的存在也可能使Fe/La2O3涂層的整體硬度得到提高。

圖3 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的硬度分布Fig. 3 Microhardness of Fe based coatings with and without La2O3

2.4 涂層的耐磨性能及磨損機(jī)理

由式(1)計算得出Fe/La2O3涂層的磨損體積為0.373 mm3，F(xiàn)e基涂層的磨損體積為0.692 mm3，F(xiàn)e/La2O3涂層的耐磨性能比Fe基涂層提高了約86%。圖4為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的磨損形貌，從圖4可知，F(xiàn)e基和Fe/La2O3涂層的磨損表面均產(chǎn)生了塑性變形，其磨損機(jī)理以磨粒磨損為主。

圖4 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的磨損表面形貌Fig. 4 SEM micrographs of the worn surface of Fe based coatings with and without La2O3

在磨粒磨損中，材料表面的塑性變形表現(xiàn)為犁削、堆積和微切削等形式，磨損表面材料的移除方式主要有2種：一是塑性變形引起的犁削效應(yīng)和微切削，另外一種是斷裂[13]。圖4a顯示Fe基涂層的磨損表面存在較深的犁溝，并產(chǎn)生了較嚴(yán)重的塑性變形。由于Fe基涂層中存在較多的微裂紋、孔洞、夾雜等缺陷(圖2a、圖4a)，這些缺陷往往會成為裂紋源，涂層在摩擦過程中受到對摩副的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的反復(fù)作用而引起應(yīng)力集中，從而在涂層中產(chǎn)生較深、較長的裂紋，隨著摩擦過程的進(jìn)行，這些裂紋擴(kuò)展、連接，導(dǎo)致涂層發(fā)生剝落。從圖5a電火花沉積Fe基涂層磨損后的磨粒形貌可知，磨粒中存在犁削產(chǎn)生的長條狀磨粒及磨損斷裂產(chǎn)生的片狀磨粒，涂層磨損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致Fe基涂層磨損體積增加。圖4b顯示Fe/La2O3涂層的磨損表面比較光滑，呈現(xiàn)微切削痕跡，塑性變形輕微，局部存在由于摩擦過程中黏著磨損產(chǎn)生的淺坑。從圖5b Fe/La2O3涂層的磨粒形貌可知，磨粒主要呈細(xì)小顆粒狀，這說明Fe/La2O3涂層摩擦過程中材料的移除較輕微，耐磨性能得到提高。另外，硬度對涂層的耐磨性能也有重要影響，但從本試驗(yàn)來看，F(xiàn)e/La2O3涂層的硬度相比Fe基涂層提高有限。由于稀土的化學(xué)活性作用使涂層中的有害夾雜物、孔洞、裂紋等缺陷減少，提高了冶金質(zhì)量，組織更加均勻，在摩擦過程中塑性變形輕微，這是Fe/La2O3涂層耐磨性能提高的主要因素。

圖5 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層磨損后的磨粒形貌Fig. 5 SEM micrographs of the wear debris from Fe based coatings with and without La2O3

3 結(jié) 論

(1)稀土氧化物L(fēng)a2O3的添加能夠提高Fe基涂層的冶金質(zhì)量，使涂層中的有害夾雜物、裂紋、孔洞大大減少，涂層組織變得均勻、連續(xù)。

(2)La2O3的添加雖然對Fe基涂層的硬度影響有限，但摩擦試驗(yàn)證明其能夠降低涂層的磨損體積，使涂層的耐磨性能提高了約86%。

(3)電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主，La2O3的添加改變了涂層摩擦過程中材料的移除機(jī)制：Fe基涂層為犁削，而Fe/La2O3涂層為微切削。