炮鋼表面電火花沉積Cr涂層的性能研究

郭策安，張 健，尚光明，于世強

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159;2.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110004;3.北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

隨著火炮威力和射程的提高，火炮身管的燒蝕和磨損成為各國火炮工作者亟待解決的問題［1］。到目前為止，電鍍鉻涂層由于其具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕、高熔點和低生產成本等優(yōu)點被廣泛應用于身管內膛表面的防護涂層［2］，并且結合了激光復合表面處理技術在實彈射擊中收到了很好的效果［3］。但電鍍鉻過程中會產生有害物質，處理成本非常高;而且電鍍技術所形成的鍍層與基材是機械結合，在經過一定時間炮彈射擊后，往往由于鉻層與鋼基材結合力差的原因而剝落，導致高溫發(fā)射藥氣體會熔化鍍鉻層下的鋼基材，導致身管燒蝕加?。?］。而電火花沉積技術是一種綠色技術，通過陽極與陰極放電作用形成冶金結合的涂層，不存在因結合力不足而剝落的問題，可以避免電鍍鉻的弊端。

為此，本文應用電火花沉積技術在身管用鋼PCrNi3MoVA上沉積Cr涂層，在實驗室環(huán)境下測試和分析涂層的硬度與摩擦磨損性能、高溫抗氧性能、耐腐蝕性能，為火炮身管技術的拓展提供理論參考。

1 實驗材料及方法

實驗用基材為炮鋼，其名義化學成分見文獻［5］。炮鋼經最后調質處理(淬火溫度870℃，一次回火580℃，二次回火620℃)，加工成20mm×10mm×3mm的試樣。用電火花沉積技術在炮鋼表面制備 Cr涂層，電極采用電解 Cr塊(純度99.9%)，線切割成φ5mm×80mm棒狀，電極與試樣經水砂紙磨至600#，并用丙酮超聲波清洗，電火花沉積設備采用SD-D5A多功電火花沉積機，工藝參數為功率4檔，頻率6檔，電極轉速5檔，氬氣保護流量 20L/min，比沉積時間為1.5min/cm2。

炮鋼和涂層的顯微硬度用FM-700顯微硬度計測量，加載時間為10s，載荷為10g，每個試樣測五點取平均值;涂層的摩擦磨損性能用MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機評價，與配副件45#鋼球組成止推摩擦副，采用干摩擦方式，實驗條件為轉速20r/min，載荷10N，取實驗時間5min內摩擦系數平均值作為摩擦系數的測定值;用間斷增重法進行抗氧化試驗，氧化溫度為850℃，試驗前坩堝在1100℃下燒至恒重，實驗過程中，每隔一定時間將樣品從爐中取出冷卻稱重，實驗中平行樣品不少于3個，稱重天平感量為0.1mg;電化學采用PARSTAT2273恒電位儀測試系統，測試溶液為分析純試劑和蒸餾水配置而成的3.5mass%NaCl溶液，恒溫水浴控制溫度為(30±1)℃，動電位極化曲線測量的掃描速度為20mV/min，試樣在溶液中穩(wěn)定5min后開始電化學測試;用S-3400N型掃描電鏡觀察基材和涂層表面、截面形貌及微區(qū)成分分析;用D/max-2500/PC型X射線衍射儀確定涂層的相結構。

2 實驗結果

2.1 涂層的組織結構

圖1a為電火花沉積Cr的表面形貌，從圖1a可以看出，電火花涂層的表面較為粗糙，強化點之間相互熔合連接，熔融的電極和基材材料在基材的表面上形成了液體涌濺的蝕刻形貌。對試樣截面磨制和機械拋光，用5%的硝酸酒精溶液腐蝕，涂層的截面因耐蝕能力較強而不易被腐蝕，厚度約為30μm，如圖1b所示。圖1c為電火花沉積Cr涂層的XRD衍射譜，其表明電火花沉積Cr涂層由 α-(Fe，Cr)與 γ-(Fe，Cr)兩種相結構組成。

2.2 涂層的硬度與摩擦磨損性能

炮鋼、Cr涂層的平均顯微硬度分別為HV420、HV636，可見Cr涂層的顯微硬度較基材提高了近50%。在電火花沉積的過程中要達到10000℃以上的高溫，電極與炮鋼的電蝕產物在炮鋼表面發(fā)生冶金反應，這種冶金反應會在涂層中形成Fe的兩種固溶體，在驟然冷卻的條件下還會產生大量亞穩(wěn)態(tài)成份，因而電火花沉積涂層為超細組織和非晶態(tài)組織［6］，這些因素都會提高涂層的硬度。另外，從涂層的截面來看，其致密的組織結構也有利于提高涂層的硬度。

炮鋼與Cr涂層的摩擦系數、Cr涂層磨損形貌如圖2所示。從圖2a可以看出，在磨損的起始階段，炮鋼的摩擦系數小于涂層的摩擦系數，這是由于電火花涂層的表面粗糙度較高，而炮鋼經過打磨處理，摩擦系數與粗糙度成正比。在隨后的穩(wěn)定摩擦磨損中，Cr涂層的摩擦系數為0.22～0.27，明顯小于基材的摩擦系數(0.78～0.86)，具有顯著的減摩效果。摩擦系數是與材料和環(huán)境條件有關的一個綜合特性系數，炮鋼與涂層的環(huán)境條件相同，摩擦系數與摩擦副材料本身性質有關。炮鋼的摩擦系數較大，主要是由于炮鋼與摩擦副45#鋼球硬度相當，成分相同的金屬易于粘著而發(fā)生嚴重磨損;電火花沉積Cr涂層的摩擦系數與其硬度有關，摩擦系數隨著硬度的升高而減小。

圖1 Cr涂層的組織結構

圖2 炮鋼與Cr涂層的摩擦系數及Cr涂層的磨損形貌

Cr涂層的磨損形貌如圖2b所示，其磨損后的表面存在較淺的磨痕，如圖2b中箭頭所示，與原始涂層表面(圖1a)相比要光滑得多。可見，磨損后的電火花涂層顯示了適度拋光型的微切削磨料磨損特征［7］;由于電火花涂層的硬度比炮鋼提高了近50%，沒有出現與炮鋼磨損類似的嚴重的塑性變形和磨痕邊緣材料堆積的現象［5］。同時，電火花Cr涂層磨損后的表面存在局部淺層剝落的形貌，如圖2b中箭頭所示，由于電火花在沉積的過程中，在電容中儲存的電能在幾微秒內迅速釋放而產生10000℃以上的高溫，從而使陽極材料與陰極材料在陰極材料表面上產生的小熔池中發(fā)生物理化學反應，最后急速冷凝形成涂層，這種驟熱驟冷的過程在涂層中產生殘余應力，殘余應力積累到一定程度在涂層中會產生的裂紋而使應力釋放，這些多裂紋往往在磨損過程中形成局部的淺層剝落。因此，電火花涂層的磨損機制主要是微切削磨料磨損，并伴隨局部的剝層磨損。

2.3 涂層的抗高溫氧化性

圖3為炮鋼與Cr涂層850℃氧化100h動力學曲線，從圖3可以看出，炮鋼氧化動力學曲線基本符合拋物線規(guī)律，在850℃氧化100h后，炮鋼單位面積的平均增重為182.383mg/cm2。Cr涂層氧化動力學曲線不符合拋物線規(guī)律，從氧化后樣品表面氧化宏觀形貌可以看出，這是由于涂層手工制備過程中出現的邊角局部缺陷造成的。經850℃氧化100h后，Cr涂層的增重僅為1.730mg/cm2，由此可見，涂層大大提高了炮鋼的高溫抗氧化性能。炮鋼850℃氧化100h后，由于其表面生成的氧化膜不具有保護性，以及產生的熱應力和生長應力使氧化膜不斷從炮鋼表面剝落，導致炮鋼氧化嚴重［8］。圖4為Cr涂層850℃氧化100h后的表面形貌及成分分析結果，從圖4a可以看出Cr涂層的表面形成了連續(xù)致密的氧化膜，圖4b局部區(qū)域的EDAX分析結果如圖4c所示，從圖4c可以看出，涂層表面生成了連續(xù)致密的Cr2O3保護膜，阻止了炮鋼基材被氧化。

圖3 炮鋼與Cr涂層850℃氧化100h動力學曲線

圖4 Cr涂層850℃氧化100h后的表面形貌及成分分析結果

2.4 涂層的耐腐蝕性

圖5為炮鋼與Cr涂層在3.5mass%NaCl溶液中的極化曲線，從圖5可以看出，炮鋼的電流密度隨時間增加而快速增大，這時材料表面發(fā)生活性溶解行為，即金屬快速溶解。而電火花沉積Cr涂層提高了炮鋼的抗腐蝕能力，在同一電極電位下，陽極溶解電流密度降低近1個數量級。

圖5 炮鋼與Cr涂層在3.5mass%NaCl溶液中的極化曲線

3 結論

(1)電火花沉積Cr涂層的顯微硬度較炮鋼提高了近50%，在穩(wěn)定摩擦磨損中，Cr涂層的摩擦系數為0.22～0.27，明顯小于炮鋼的摩擦系數(0.78～0.86)，具有顯著的減摩效果，Cr涂層的磨損機制主要是微切削磨料磨損。

(2)Cr涂層表面生成了連續(xù)致密的Cr2O3保護膜，阻止了炮鋼基材被氧化，極大地提高了炮鋼的抗氧化性能。

(3)炮鋼與電火花沉積Cr涂層在3.5mass%NaCl溶液中，在同一電極電位下，電火花沉積Cr涂層陽極溶解電流密度降低近1個數量級。

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