反應等離子熔覆復合材料涂層的耐磨性研究＊

劉均波，王立梅，黃寶歆

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

反應等離子熔覆復合材料涂層的耐磨性研究＊

劉均波，王立梅，黃寶歆

（濰坊學院，山東 濰坊 261061）

以Fe－Cr－C合金粉末為原料，采用反應等離子熔覆技術，在45號鋼表面制得以原位生成初生相（Cr，F(xiàn)e）7C3為增強相的新型陶瓷復合材料涂層。利用SEM、XRD、EDS和顯微硬度計等分析了涂層的顯微組織和硬度，分別在室溫干滑動磨損及高溫滑動磨損條件下測試了涂層的耐磨性，并討論了其磨損機理。結果表明，涂層組織包括（Cr，F(xiàn)e）7C3增強相和γ－Fe固溶體與少量（Cr，F(xiàn)e）7C3構成的共晶；該涂層在室溫干滑動磨損和高溫滑動磨損條件下均具有優(yōu)異的耐磨性。

反應等離子熔覆；復合材料涂層；Fe－Cr－C；耐磨性

反應涂層技術是自蔓延高溫合成技術與傳統(tǒng)表面涂層技術相結合，利用傳統(tǒng)表面涂層技術提供熱量，引燃預先布在基體表面的反應物料，誘發(fā)局部化學反應后，利用化學反應自身放熱，使反應持續(xù)進行，通過反應形成涂層材料的一種新技術［1］。反應熔覆技術是在激光或等離子等高能量束熔覆過程中通過元素或化合物間的化學反應“原位合成”金屬陶瓷等涂層的一種新型涂層技術。近年來，反應熔覆技術受到了國內(nèi)外的普遍關注［2］。利用該技術可在5Cr Mn Mo鋼表面制備出TiC／Ni、TiC／Ti、TiC－TiB2／Ni基金屬陶瓷涂層［3－4］。

熔覆技術是指采用激光束、電子束或離子束等高能束在選定工件表面熔覆一層特殊性能的材料，以改善其表面性能的工藝［5］。等離子束作為一種高能束流，長期以來一直用作切割、焊接、噴涂等常規(guī)工藝的熱源。隨著同步送粉技術的發(fā)展及等離子炬結構的不斷改進，等離子熔敷技術已日趨成熟并表現(xiàn)出良好的發(fā)展態(tài)勢［6－7］，等離子熔覆技術與激光熔覆技術相比較，具有能量轉(zhuǎn)換效率高、設備投資小、操作維修簡便等特點［8］。

本文以廉價的Fe－Cr－C合金粉末為原料利用反應等離子熔覆技術在45號鋼表面制備了以原位生成初生相（Cr，F(xiàn)e）7C3為增強相、以γ－Fe固溶體與少量（Cr，F(xiàn)e）7C3構成的共晶為基體的新型陶瓷復合材料涂層。通過SEM、XRD、EDS和顯微硬度計等分析了涂層的顯微組織和硬度；在室溫干滑動磨損及400℃－600℃高溫滑動磨損條件下評價了耐磨性能，并對其磨損機理進行了探討。

1 試驗材料及方法

反應等離子熔覆基材為45號鋼，試樣尺寸為50 mm×20 mm×10 mm。試驗采用Fe－Cr－C合金粉末為原料，其粒度為－200～＋300目左右。熔覆設備采用DRF－1型全自動反應等離子熔覆機床。反應等離子熔覆工藝參數(shù)為：工作電流300 A，工作電壓45 V，選用氬氣為工作氣，工作氣流量1.5 L·min－1。熔覆過程中，采用專用送粉器進行同步送粉。用JSM－5800型掃描電子顯微鏡觀察顯微組織；采用日本理學Dmax－2200pc旋轉(zhuǎn)陽極X射線衍射儀并結合S－530型LinkISIS能譜儀進行物相鑒定；在MH－6型半自動顯微硬度計上進行顯微硬度測量，載荷為200 g，加載保持時間為10 s。室溫干滑動磨損試驗在MXP－2000型摩擦磨損試驗機上進行；選取硬度為HV798的淬火＋低溫回火處理的GCr15鋼環(huán)作為對磨環(huán)，被測試樣為45號鋼和反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3金屬陶瓷復合材料涂層試樣，載荷100 N，相對滑動速度0.5652 m·s－1，磨損滑動行程2034 m。室溫干滑動磨損試驗和高溫滑動磨損試驗均選取45號鋼作為標樣。為滿足試驗機對試樣尺寸的要求，將標樣和反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層試樣均用電火花切割成尺寸為6 mm×6 mm×7 mm的矩形塊，作為磨損上試樣，以試樣的6 mm ×6 mm表面作為磨損面；下試樣為圓盤狀，選取具有較高的高溫硬度及優(yōu)良的抗氧化性能的鎳基高溫合金GH22（室溫硬度HV500）作為盤形下試樣。載荷10 kg，相對滑動速度0.15 m·s－1，滑動距離508 m。利用精度為0.1 mg的Startorius BS 110s型電子天平稱重發(fā)生高溫磨損前后試樣的重量，并計算出磨損失重，試驗結果均取三個試樣的平均值。

2 試驗結果與討論

2.1 復合材料涂層的顯微組織

圖1為反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層X射線衍射結果，可見，涂層的主要組成相為（Cr，F(xiàn)e）7C3及γ－Fe固溶體。圖2為涂層顯微組織的SEM照片，可明顯看出，涂層組織均勻細小，無顯微孔洞及裂紋，涂層顯微組織結構為黑色塊狀初生相均勻分布于均勻細小的灰白色共晶基體上。由X射線衍射分析并結合能譜分析結果表明，共晶碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C3呈現(xiàn)菊花瓣狀分布，彼此被基體組織隔離。共晶基體中體積分數(shù)較高的灰白色長條狀組織為γ－Fe固溶體，EDS分析結果表明γ－Fe固溶體中固溶有大量Cr，共晶基體中長條組織之間的黑色不規(guī)則粒狀組織為共晶（Cr，F(xiàn)e）7C3?？梢?，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層為以原位生成初生相（Cr，F(xiàn)e）7C3為增強相、以γ－Fe固溶體與少量（Cr，F(xiàn)e）7C3構成的共晶為基體的復合材料涂層。

圖1 反應等離子熔覆復合涂層X射線衍射圖譜

圖2 復合材料涂層顯微組織SEM照片

2.2 復合材料涂層的硬度分布

圖3為45號鋼表面反應等離子熔覆復合材料涂層的顯微硬度分布曲線?？梢?，由表層到基體，涂層顯微硬度梯度分布合理。表層硬度較高，平均約HV980，這是由于表層初生增強相（Cr，F(xiàn)e）7C3的含量較高，而（Cr，F(xiàn)e）7C3是密排六方點陣結構，具有較高的顯微硬度（約HV1300左右［9－10］）；靠近結合區(qū)的部位涂層硬度較低，這是由于該部位初生增強相（Cr，F(xiàn)e）7C3的含量較低的緣故。由于反應等離子熔覆復合材料涂層具有較高的硬度及合理的硬度梯度，使得涂層具有優(yōu)異的粘著磨損及磨料磨損抗力。

2.3 反應等離子熔覆復合材料涂層的耐磨性分析

圖3 復合材料涂層的顯微硬度分布

圖4為反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層及原始45號鋼在室溫干滑動磨損試驗條件下的摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線?？梢钥闯?，涂層的平均摩擦系數(shù)大約為0.3，而原始45號鋼的平均摩擦系數(shù)為0.5左右。涂層的摩擦系數(shù)遠低于原始45號鋼的摩擦系數(shù)。由此可以推斷，涂層的粘著磨損抗力遠大于原始45號鋼的粘著磨損抗力，因為在干滑動磨損試驗條件下，摩擦系數(shù)的大小反映了摩擦面之間產(chǎn)生粘著的程度。室溫干滑動磨損試驗結果表明，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層具有優(yōu)異的耐磨性。

圖5為反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合涂層和45號鋼高溫滑動磨損失重隨試驗溫度變化的關系?？梢姡谳d荷及磨損滑動行程一定（載荷10kg，相對滑動速度0.15 m·s－1，滑動距離508 m）、試驗溫度不同的高溫滑動磨損試驗條件下，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合涂層磨損失重很低，且涂層磨損失重隨試驗溫度的升高而逐漸降低；相同試驗條件下，45號鋼標樣磨損失重均較高，且其磨損失重隨試驗溫度升高逐漸增大，因此，以45號鋼為標樣，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合涂層具有較高的相對耐磨性，且涂層的相對耐磨性隨試驗溫度升高而增大，與45號鋼相比，在400～600℃溫度范圍內(nèi)，試驗溫度越高，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合涂層的耐磨優(yōu)勢越明顯。

圖4 復合材料涂層及原始45號鋼在室溫干滑動磨損試驗條件下的摩擦系數(shù)隨時間變化曲線

圖5 復合材料涂層高溫滑動磨損失重隨溫度變化的關系

圖6 45號鋼和等離子熔覆試樣高溫滑動磨損形貌

圖6（a）為45號鋼在載荷為5 kg，相對滑動速度為0.15 m·s－1，試驗溫度為600℃，磨損滑動行程為508m試驗條件下的磨損表面SEM形貌?？梢姡p表面布滿了既寬又深的犁溝及大塊的粘著剝落坑，表明在600℃高溫磨損試驗條件下，鎳基高溫合金GH22磨盤表面微凸體對45號鋼產(chǎn)生了較嚴重的犁削和擦傷作用，同時兩摩擦面之間產(chǎn)生了嚴重的粘著磨損。圖6（b）為反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3金屬陶瓷復合材料涂層在10 kg載荷、600℃溫度條件下磨損1h后的磨損表面SEM形貌。與圖6（a）相比較可見，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3金屬陶瓷復合材料涂層磨損表面比較光滑，只有輕微的擦劃痕，沒有明顯的粘著磨損痕跡。

2.4 耐磨機理討論

2.4.1 室溫干滑動磨損機理

反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層具備優(yōu)異抵抗滑動磨損性能。第一，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe復合材料涂層中（Cr，F(xiàn)e）7C3耐磨增強相具有硬度高、耐磨性好的特點，在摩擦過程中起到了抗磨損骨干作用。第二，作為涂層基體的γ－Fe由于在磨損變形過程中產(chǎn)生應力誘發(fā)奧氏體相變效應而具有優(yōu)異的耐磨性，摩擦過程中對耐磨增強相（Cr，F(xiàn)e）7C3起到了強力支撐作用。第三，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe復合材料涂層的主要組成相為（Cr，F(xiàn)e）7C3和γ－Fe，其結合鍵除具有金屬鍵外，還有較強的離子鍵或共價鍵，其鍵合性質(zhì)與45號鋼或GCr15鋼對磨環(huán)的鍵合性質(zhì)相差很大，難以與之產(chǎn)生粘著，因而粘著磨損抗力很高。第四，反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe復合材料涂層組織細小均勻，賦予該涂層以優(yōu)良的強、韌性配合，使涂層材料在磨損過程中不致產(chǎn)生開裂和剝落等不良現(xiàn)象，因而反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐磨性能。

2.4.2 高溫滑動磨損機理

材料在高溫下的磨損較之常溫磨損有較大區(qū)別，隨著溫度的升高，金屬晶體中原子的結合力減弱，材料的硬度和強度降低，且無磨損后的加工硬化，塑性流動亦更容易進行，真實接觸面積增大，隨著溫度的改變，主導磨損機制往往會發(fā)生改變。

當涂層在高溫下與GH22固溶強化鎳基高溫合金對磨盤摩擦時，在環(huán)境溫度和摩擦熱的雙重作用下，GH22固溶強化鎳基高溫合金對磨盤材料軟化，硬度及剪切強度降低，相對于反應等離子熔覆涂層，GH22固溶強化鎳基高溫合金對磨盤材料硬度較低，高溫磨損時與反應等離子熔覆涂層相比相當于軟磨料磨損，對磨盤微凸體不但不能有效地壓入涂層表面對其實施有效的顯微切削，相反，在磨損過程中被大量的涂抹在反應等離子熔覆涂層表面，因此，在反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層磨損表面上看不到明顯的犁削溝槽，只有輕微的擦劃痕，說明該涂層在高溫滑動磨損試驗條件下具有良好的磨料磨損抗力；由于反應等離子熔覆涂層鍵合性質(zhì)與鎳基高溫合金對磨盤相差較大，不易與之產(chǎn)生粘著，加之涂層具有較高的高溫硬度，在接觸應力作用下不易產(chǎn)生變形，所以反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層在高溫滑動磨損試驗條件下也具有較好的粘著磨損抗力，在磨損表面上觀察不到明顯的粘著痕跡。

反應等離子熔覆（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層組織中，具有較高高溫硬度及優(yōu)異耐磨性的難熔金屬碳化物（Cr，F(xiàn)e）7C3塊狀初生相均勻分布于具有優(yōu)異強韌性配合及良好耐磨性的以（Cr，F(xiàn)e）7C3和γ－Fe為共晶的基體上，這種獨特的組織賦予了該涂層優(yōu)異的高溫耐磨性能。

3 結論

以廉價的Fe－Cr－C合金粉末為原料，利用反應等離子熔覆技術，在45號鋼表面制得新型（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe金屬陶瓷復合材料涂層。該涂層組織均勻、致密、無氣孔和裂紋，具有較高的顯微硬度，在室溫和高溫滑動磨損條件下均具有優(yōu)異的摩擦磨損和粘著磨損抗力。

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（責任編輯：肖恩忠）

Study on Wear Properties of Reactive Plasma Clad Ceramal Composite Coating

LIU Jun－bo，WANG Li－mei，HUANG Bao－xin
（Weifang University，Weifang 261061，China）

A neotype in－situ the reinforcing phase（Cr，F(xiàn)e）7C3ceramal composite coating was fabricated on substrate of a 0.45%C carbon steel using the Fe－Cr－C elemental powder blends by reactive plasma clad process.The microstructure，microhardness of the coating were evaluated by SEM，XRD，EDS and microhardness instrument.Room and high temperature wear properties were evaluated under dry sliding wear test conditions and the wear mechanism was discussed.The results indicated that the reactive plasma clad ceramal composite coating，has a rapidly solidified microstructure consisting of primary（Cr，F(xiàn)e）7C3and the（Cr，F(xiàn)e）7C3／γ－Fe eutectics.The coating have excellent wear properties under both room and high temperature sliding wear test conditions.

reactive plasma clad，composite coating，F(xiàn)e－Cr－C，wear properties

2011－08－16

山東省科學技術發(fā)展計劃項目（2007GG30003003）

劉均波（1973－），男，山東諸城人，濰坊學院機電工程學院副教授，博士。研究方向：材料表面涂層技術，粉末冶金。

TG174.44 文獻標識碼：A 文章編號：1671－4288（2011）06－0103－04