電弧噴涂鐵基涂層的組織與減摩機(jī)制分析*

李德元，徐　鶴，李增榮

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；2.沈陽理工大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，沈陽 113122)

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電弧噴涂鐵基涂層的組織與減摩機(jī)制分析*

李德元，徐鶴，李增榮

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽 110870；2.沈陽理工大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，沈陽 113122)

為了研究電弧噴涂鐵基涂層的組織及減摩機(jī)制，采用電弧噴涂技術(shù)制備了08Mn2Si、4Cr13和65Mn鐵基涂層.利用光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡分析了涂層的組織特征.結(jié)果表明，涂層中孔隙的分布是互不連通的，并隨機(jī)分布.利用Image J計算涂層的孔隙率和氧化物占比，并結(jié)合摩擦磨損試驗分析了涂層的減摩機(jī)制.基于摩擦學(xué)理論與摩擦磨損試驗，分析了涂層的孔隙儲油和氧化物自潤滑作用.孔隙和氧化物的存在可以增加涂層的耐磨性，并提高其減摩作用.

電弧噴涂；鐵基涂層；耐磨性；減摩作用；孔隙率；氧化物；自潤滑作用；摩擦磨損試驗

目前電弧噴涂技術(shù)在制備耐腐蝕和耐磨涂層方面的使用十分廣泛，豐富的噴涂材料在電弧噴涂中得到了有效應(yīng)用.碳鋼和不銹鋼類絲材具有強(qiáng)度高、耐磨性好和價格低廉等特點(diǎn)，是使用較多的噴涂材料.由美國研制的粉芯絲材不但可以大幅降低操作成本，也展現(xiàn)了電弧噴涂在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢[1].粉芯絲材可以根據(jù)要求調(diào)節(jié)涂層成分以獲得特殊性能的涂層，在修復(fù)零件磨損和腐蝕方面具有巨大的發(fā)展?jié)摿2].近年來，以鐵、鋁、鎳為基體的復(fù)合涂層被廣泛研究和應(yīng)用[3-5]，如對復(fù)合涂層的高溫抗氧化防護(hù)能力研究[6].

影響涂層性能的因素不僅有噴涂材料，噴涂的工藝參數(shù)也關(guān)系著涂層的強(qiáng)度、耐磨性以及使用壽命[7].另外，在零部件修復(fù)領(lǐng)域，電弧噴涂作為有效修復(fù)手段，也得到了廣泛應(yīng)用[8-9].當(dāng)前，國內(nèi)部分科研院所開展了發(fā)動機(jī)電弧噴涂耐磨涂層的研究，取得了一定的進(jìn)展.本文主要通過分析鐵基涂層的顯微組織，進(jìn)而分析涂層耐磨機(jī)理中孔隙儲油及氧化物自潤滑作用.

1　試驗方法與設(shè)備

1.1試驗材料的選擇

本次試驗選擇了65Mn、08Mn2Si、4Cr13作為鐵基涂層，其絲材直徑均為2 mm，其中，高碳鋼65Mn的含碳量較高，噴涂后會產(chǎn)生馬氏體轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提高涂層的硬度與耐磨性.含碳量為0.08%的低碳鋼，易于接受各種加工，如鍛造，焊接和切削.4Cr13是不銹鋼絲材，強(qiáng)度和結(jié)合強(qiáng)度都很高，耐磨性也很高.三種鐵基涂層材料的化學(xué)成分如表1所示.

1.2噴涂工藝參數(shù)的選擇

試樣的制備采用XDP-5型電弧噴涂設(shè)備，電弧噴涂系統(tǒng)主要由噴槍、送絲機(jī)構(gòu)、噴涂電源、噴涂控制箱、絲盤、空氣壓縮機(jī)及噴砂機(jī)等構(gòu)成.試驗的基體材料是45#鋼，試驗前需在基體材料表面進(jìn)行預(yù)處理，去除影響噴涂結(jié)合強(qiáng)度的雜物(如油污、氧化層等)，然后對材料表面進(jìn)行噴砂處理，使基體表面獲得一定的清潔度和粗糙度，提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度.噴涂工藝參數(shù)的選擇直接影響涂層的性能及涂層的結(jié)合強(qiáng)度.表2為本試驗采用的工藝參數(shù)，經(jīng)試驗證明制備的涂層均符合要求.

表1　鐵基材料的化學(xué)成分(w)

表2　電弧噴涂工藝參數(shù)

1.3顯微硬度和磨損試驗

采用HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計，加載100 g、保壓時間15 s，測量涂層表面10點(diǎn)硬度并取平均值記為涂層硬度.

試驗使用MMU-5G型材料端面高溫摩擦磨損試驗機(jī)，磨損形式為銷-盤磨損，分為干摩擦和浸油摩擦兩組，兩組試驗共用磨損銷，材質(zhì)為灰鑄鐵.每組試盤為噴涂08Mn2Si、4Cr13、65Mn涂層(化學(xué)成分見表1，工藝參數(shù)見表2)的試盤(基體為45#鋼)和以灰鑄鐵為基體的無涂層試盤.

2　試驗結(jié)果與分析

2.1涂層的形貌與組織

圖1為65Mn的金相顯微形貌，從圖1a可以看出由于涂層是由多個扁平狀粒子疊合形成，涂層組織不致密，具有明顯的分層結(jié)構(gòu)，孔隙隨機(jī)地分布于涂層各處，孔隙相互之間基本不連通.從圖1b可以看出，灰色部分為氧化物，黑色部分為孔隙，孔隙的形狀多為不規(guī)則多邊形，有的近似圓形.

圖2為65Mn涂層在不同放大倍數(shù)下的電鏡照片，從圖中可以看出，氧化物主要分布在孔隙周圍，基本包裹住孔隙，粒子內(nèi)基本不出現(xiàn)氧化物，粒子間有少數(shù)帶狀氧化物，所占比例很低.根據(jù)分布結(jié)果可以推測應(yīng)有孔隙存在，使孔隙周圍的熔滴粒子表面被氧化，形成氧化物層包裹著孔隙，而熔滴粒子在飛行中，有部分表面被氧化、扁平化后，在粒子間形成帶狀的氧化物，但是分布及所占比例很小.65Mn作為高碳鋼，在急冷條件下，組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，增大了涂層的硬度，同時也提高了耐磨損性能.

圖1　65Mn的顯微組織

圖2　65Mn的SEM圖像

打點(diǎn)位置成分分析如圖3所示，重點(diǎn)分析了涂層中氧化物的化學(xué)成分，利用元素含量，推測氧化物的主要構(gòu)成如表3所示.由分析點(diǎn)處的化學(xué)元素的比例可以看出，氧元素所占比例較高，故該物質(zhì)應(yīng)為氧化物.

圖3　打點(diǎn)位置成分分析

元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原子質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%C1.375.34O5.4415.89Mn0.490.42Fe81.3168.10

圖4為65Mn的XRD圖譜，根據(jù)峰值比對可以判定涂層氧化物的相構(gòu)成，由圖可知65Mn涂層表面中有FeO、Fe3O4、Mn3O4等存在.

圖4　65Mn涂層的XRD圖譜

通過試驗證明三種涂層表面均存在一定的氧化物，且氧化物主要分布在孔隙的周圍，有少量存在熔滴粒子的周圍，且涂層中孔隙的分布是隨機(jī)的.

2.2涂層的孔隙率和氧化物占比

涂層中的孔隙和氧化物是隨機(jī)分布的，為計算涂層的孔隙率和氧化物占比，使試驗結(jié)果更加可信，利用Image J軟件選取五個視場，分別計算孔隙率和氧化物占比，然后取平均值.圖5為65Mn的低倍數(shù)金相照片(視場1).圖6a為利用Image J軟件處理后的低倍數(shù)孔隙形貌照片(視場2)，圖6b為利用Image J軟件去除噪聲，抽象后的孔隙輪廓圖片(視場3)，圖6c為利用Image J軟件處理后的低倍數(shù)氧化物形貌照片(視場4)，圖6d為利用Image J軟件篩選后的氧化物輪廓圖片(視場5).利用Image J軟件分析涂層的結(jié)果如表4所示.

圖5　65Mn涂層

圖6　利用Image J軟件處理后的圖像

注：圖6沒有注標(biāo)尺，因為圖6為利用Image J軟件處理的照片，如標(biāo)注標(biāo)尺處理時會出現(xiàn)誤差，影響試驗結(jié)果.

表4　涂層孔隙率與氧化物占比

2.3涂層的顯微硬度

表5為涂層的顯微硬度值，測量10組，取平均值.從表中可以看出涂層的硬度分布不均勻，這與涂層中存在的孔隙和氧化物有關(guān).因為低碳鋼的08Mn2Si涂層本身較軟，但氧化物較硬；與之相對的，高碳鋼65Mn與不銹鋼4Cr13則是基體與邊界硬度較大，又由于孔隙和氧化物存在于其邊界，所以硬度分布呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài).

表5　涂層及灰鑄鐵表面顯微硬度

2.4涂層的干摩擦

摩擦系數(shù)的能量模型[7]認(rèn)為，摩擦系數(shù)的大小反映了滑動摩擦過程中消耗于摩擦副自身的能量值大小，消耗的能量越多，摩擦系數(shù)越大.設(shè)定摩擦試驗所用載荷為50 N，轉(zhuǎn)速200 r/min，干摩擦10 min，試驗結(jié)果如表6所示.

表6　干摩擦磨損試驗結(jié)果

根據(jù)數(shù)據(jù)分析得到摩擦系數(shù)與時間的關(guān)系曲線如圖7所示.從圖中可以看出，各涂層的摩擦系數(shù)均有一個上升的趨勢，這是因為在干摩擦情況下，摩擦副表面之間不存在任何潤滑液和保護(hù)膜，兩固體表面直接接觸，摩擦因數(shù)大，磨損劇烈.表面的微小凸體很容易從基體材料上脫落而形成磨屑或磨粒，這些磨屑或磨粒無法被及時清理出來，隨著摩擦副的相對運(yùn)動，這些磨粒進(jìn)入到孔隙中，隨著摩擦而在表面形成一層氧化物潤滑膜.圖8是各涂層在干摩擦條件下，氧化物占比與涂層平均摩擦系數(shù)之間的關(guān)系.從圖中可以看出，隨著涂層中氧化物占比的增大，涂層的平均摩擦系數(shù)逐漸減小，涂層的減磨效果越顯著，進(jìn)一步說明，涂層中氧化物的自潤滑作用對涂層起到了減磨的作用.

圖7　摩擦系數(shù)與時間的關(guān)系

圖8　氧化物占比與平均摩擦系數(shù)之間的關(guān)系

從圖7中還可以看出，基體的摩擦系數(shù)最小，這是由于灰鑄鐵內(nèi)部含有大量的石墨，隨著摩擦的進(jìn)行，石墨顆粒不斷向基體表面轉(zhuǎn)移，形成石墨潤滑膜，石墨的潤滑作用要大于涂層氧化物自潤滑，因此相對于其它三種涂層，灰鑄鐵的平均摩擦系數(shù)最小.

另外，干摩擦條件下涂層自身的硬度對耐磨性影響更大，硬度是判斷耐磨性好壞的重要指標(biāo)之一.涂層的硬度與磨損量之間的關(guān)系如圖9所示，從圖中可以看出，干摩擦條件下，隨著涂層的硬度下降，涂層的磨損量逐漸增大，涂層的耐磨性能降低，這與現(xiàn)有的理論相一致.

圖9　硬度與磨損量的關(guān)系

2.5涂層浸油摩擦

假設(shè)孔隙是均勻分布的，孔隙半徑為r，深度為h，單個孔隙在X-Y面上的投影為正方形，邊長為d.改變d的大小就可以改變孔隙率，設(shè)孔隙率為S，孔隙的深徑比為e，則它們可以表示為

S=πr2/d2

(1)

e=h/2r

(2)

研究表明最優(yōu)孔隙率為5%～10%，最深徑比為0.10～0.18，并指出面積率對摩擦性能影響較大，而深徑比影響較小[10].由表4可以看出3種涂層的孔隙率均在最優(yōu)范圍內(nèi).

試驗所用載荷為50 N，轉(zhuǎn)速為200 r/min，單凸銷，試驗所用潤滑介質(zhì)為SF級汽車發(fā)動機(jī)用潤滑油，時間為1 h.平均摩擦系數(shù)如表7所示.

表7　平均摩擦系數(shù)結(jié)果

結(jié)合數(shù)據(jù)分析，得到平均摩擦系數(shù)與孔隙率的關(guān)系曲線如圖10所示.從圖中可以看出，涂層中孔隙率越大，平均摩擦系數(shù)越小，涂層的減磨效果越好.

圖10　平均摩擦系數(shù)與孔隙率的關(guān)系

從磨損試驗以及對涂層結(jié)構(gòu)的分析來看，浸油能提高涂層的耐磨性能主要原因在于：

1) 油液在摩擦過程中起到了潤滑作用.根據(jù)常規(guī)的摩擦學(xué)原理，在全膜潤滑狀態(tài)下表面不產(chǎn)生磨損，除非油膜失效而導(dǎo)致表面直接接觸，油液在涂層表面生成極薄的潤滑膜而起到減摩抗磨作用.

2) 隨著載荷的增大，油膜失效破碎，部分油液隨著摩擦副的轉(zhuǎn)動飛出；而也有部分油液在壓力的作用下進(jìn)入涂層的孔隙結(jié)構(gòu)中，使得孔隙在涂層中起到了儲油的作用，從而起到了減磨的作用.如圖11為4Cr13涂層磨痕橫截面的電鏡照片，從圖中可以看出，涂層中孔隙有兩種類別，一種是A型，孔隙與表面已連通，隨著摩擦的進(jìn)行，油液進(jìn)入孔隙，起到“二次潤滑”的作用，潤滑原理如圖12所示；另一種是B型，孔隙未與表面連通，隨著時間的延長，磨損量的增加，這些孔隙也將逐漸與表面連通，油液進(jìn)入，起到減磨的效果.

圖11　4Cr13涂層的磨痕橫截面SEM圖像

圖12　二次潤滑原理

3　結(jié)　論

利用XDP型電弧噴涂器，采用適當(dāng)?shù)膰娡抗に噮?shù)制備了三種鐵基涂層材料，然后分別在油液潤滑及干摩擦條件下測試了涂層的摩擦性能，得到摩擦系數(shù)與時間的關(guān)系曲線，最后通過各項數(shù)據(jù)對比及金相、電鏡照片分析，并結(jié)合摩擦學(xué)理論和潤滑理論得出如下結(jié)論：

1) 涂層為扁平粒子堆疊在基體表面，粒子之間存在孔隙、裂紋并夾雜著帶狀氧化物.孔隙多與帶狀氧化物一起，分布在粒子的邊界，只有少量近似圓形的孔隙分布在粒子內(nèi)部.

2) 單凸銷浸油磨損試驗中，減摩機(jī)理為孔隙儲油的“二次潤滑”原理，通過磨損試驗以及磨痕橫截面電鏡照片驗證了涂層的減摩機(jī)制源于孔隙的儲油作用.

3) 在單平銷干摩擦磨損試驗中，通過氧化物占比與平均摩擦系數(shù)之間的關(guān)系可知，涂層中氧化物含量越多，平均摩擦系數(shù)越小，涂層中氧化物自潤滑的作用越大.

4) 干摩擦過程中，由于基體中含有石墨，其自潤滑效果比各個涂層的大，因此其平均摩擦系數(shù)最小，涂層的顯微硬度越大，涂層的磨損量越小，涂層的耐磨性越好.

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(責(zé)任編輯：景勇英文審校：尹淑英)

Microstructure and antifriction mechanism analysis for Fe based coating with electric arc spraying

LI De-yuan,XU He,LI Zeng-rong

(1.School of Materials Science and Engineering,Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China; 2.Polytechnic School,Shenyang Ligong University,Shenyang 113122,China)

In order to study the microstructure and antifriction mechanism of Fe based coating with electric arc spraying,the 08Mn2Si,4Cr13 and 65Mn Fe based coatings were prepared with electric arc spraying technology.The microstructural features of the coatings were analyzed with optical microscope and scanning electron microscope.The results show that the pores in the coatings are not connected and the distribution of pores is random.The porosity and oxide proportion of coatings were calculated with Image J,and the antifriction mechanism of coatings was analyzed in combination with the friction and wear experiments.Based on the friction theory as well as the friction and wear experiments,the pore reservoir and oxide self-lubricating function were analyzed.The existence of pores and oxides can increase the wear resistance of coatings,and improve the antifriction effect of coatings.

electric arc spraying; Fe based coating; wear resistance; antifriction effect; porosity; oxide; self lubrication effect; friction and wear experiment

2015-09-14.

沈陽市科學(xué)技術(shù)基金資助項目(F14-231-1-26).

李德元(1959-)，男，遼寧營口人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事材料表面強(qiáng)化技術(shù)等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.04

TG 142.13

A

1000-1646(2016)02-0140-07

*本文已于2015-12-07 16∶18在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20151207.1618.038.html