中碳鋼表面Fe-Al-Nb涂層顯微結構與力學性能研究

施 群，張花萍，姚正軍，周金堂

(1.鎮(zhèn)江立達纖維工業(yè)有限責任公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212038) (2.南京航空航天大學材料科學與技術學院，江蘇 南京 211106)

中碳鋼常用于制造強度較高的運動零件，如空氣壓縮機連桿、活塞，重型機械的軸、蝸桿、齒輪等，這些零件對材料的耐磨性能有著較高的要求。中碳鋼中含有大量金屬間化合物，這些化合物具有優(yōu)異的耐磨及耐蝕性能，能夠顯著延長惡劣工作環(huán)境下的航天及石油化工裝備的服役壽命，因此受到極大的關注。Fe-Al合金由于其高比強度、優(yōu)異的耐腐蝕和耐磨性能以及良好的耐大氣氧化和硫化性能，被認為是具有廣闊應用前景的結構和功能材料。然而，F(xiàn)e-Al合金韌性差、成形困難、蠕變強度低等缺點嚴重限制了其在工業(yè)領域的應用[1-4]。研究表明，采用Fe-Al-Nb涂層等表面處理方法可有效解決Fe-Al合金加工過程中的變形問題。在各種表面涂層技術中，熱浸鍍是一種低成本的碳鋼表面改性方法[5-6]。由于用熱浸鍍工藝生成的涂層與基體之間結合力較強，目前該技術已被廣泛應用于鍍鋁鋼板制造中。此外，研究者發(fā)現(xiàn)添加適當?shù)暮辖鹪豙7-8]可以進一步改善該類金屬間化合物涂層的硬度和脆性等力學性能[9]。研究發(fā)現(xiàn)，Ni元素可以通過沉淀強化、固溶強化、細晶強化等方式來增強Fe-Al涂層的綜合性能[4,10]，而添加一定量的Nb可以顯著提高Fe-Al合金的抗氧化性能[11]。然而有關添加Nb元素改善Fe-Al涂層力學性能的研究鮮有報道。本文采用熱浸鍍Al技術與雙輝等離子滲Nb技術在中碳鋼表面制備Fe-Al-Nb涂層，以此研究Fe-Al-Nb合金的顯微結構、相組成和力學性能，并分析其形成機理。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗選用15mm×15mm×7mm的45鋼作為基體材料，經(jīng)過機械打磨、拋光后，再用酒精超聲清洗、吹干備用；熱浸鍍用鍍鋁材料為工業(yè)純鋁(99.7wt%)；雙輝滲金屬靶材為φ100mm×3mm的圓狀純Nb(99.99wt%)。

為了保證試樣和熔融鋁之間充分接觸，試樣浸漬在KF/AlF3混合水溶液中。干燥后的試樣浸沒在熔融鋁液中進行熱浸鍍處理，處理后的試樣放入RXL-120型的箱式電阻爐中進行真空擴散退火處理，其工藝參數(shù)見表1。

表1 熱浸鍍與熱擴散工藝參數(shù)

對擴散退火后的鍍鋁樣品表面氧化層進行去除處理，為雙輝等離子表面冶金滲Nb做準備。以純鈮作為提供合金元素的源電極，其工藝參數(shù)見表2。

表2 雙輝等離子表面冶金工藝參數(shù)

1.2 涂層表征

采用掃描電鏡(SEM)觀察涂層表面的微觀結構，并利用能量分散譜(EDAX)對涂層元素組成進行線性掃描半定量分析。

采用X射線衍射儀(XRD)對涂層進行物相結構分析，X 射線源采用Cu Kα靶，波長為0.154 056nm，加速電壓為40 kV，電流為40 mA，掃描速度為10 (°)/min，掃描范圍為20°～90°。

1.3 力學性能測量

采用HXS-1000A顯微維氏硬度機對合金涂層的截面進行顯微維氏硬度測試，加載載荷100N，保持時間15s，自基體至涂層表面等距離選取測量點。

納米壓痕試驗在安捷倫G20 納米壓痕儀上進行涂層納米壓入試驗。采用WS-2006型涂層附著力自動劃痕儀對涂層進行結合強度的檢測，采用光學顯微鏡(OM)觀察納米壓痕和線性劃痕的形貌。

2 結果與討論

2.1 微觀組織、元素分布與物相組成

圖1顯示了利用熱浸鍍和雙輝光等離子體表面技術制備的Fe-Al-Nb涂層的表面形貌。從宏觀角度看，合金涂層致密均勻，表面形態(tài)呈無明顯裂縫的胞狀分布，表明涂層是以島狀生長模式形成的。

圖1 Fe-Al-Nb涂層表面顯微結構

圖2是Fe-Al-Nb合金涂層的截面形貌及其元素分布圖。如圖2(a)所示，涂層為層狀結構，厚度約為150μm，且涂層與基底結合緊密，呈冶金結合。EDS線掃分析結果如圖2(b) 所示，外部為厚度約15μm的光亮沉積層，主要為Fe-Al-Nb涂層；次外層厚度約90μm，主要為Fe-Al涂層；介于次外層與基體之間的過渡層為α-Fe(Al)固溶體層。由EDS線掃分析結果可以發(fā)現(xiàn)，表層Al、Nb元素含量由表及里呈先增后減分布，這與雙輝光等離子體表面合金化技術的固有特征有關。對該涂層的不同部位(A、B、C)進行 EDS 點分析，測得結果如圖2(c)所示。表面沉積層(即光亮沉積層)Nb 元素居多，擴散層(即次外層)中 Fe、Al 含量處于形成FeAl和Fe3Al相的區(qū)間，涂層與基體的結合處形成鐵鋁的固溶體，這與線掃描結果一致。

圖2 Fe-Al-Nb涂層截面顯微結構與元素組份

為了進一步研究涂層的物相結構，利用X射線衍射對Fe-Al-Nb涂層進行表征。如圖3所示，涂層顯示存在多相，包括純Nb、Fe2Al5、Fe3Al、AlNb2和Fe7Nb6。前期研究表明，F(xiàn)e3Al和Fe2Al5在高溫環(huán)境下具有良好的性能，同時，新生AlNb2和Fe7Nb6相可以提高涂層的表面硬度，從而有效提高耐磨性。

2.2 力學性能

硬度是影響材料耐磨性的重要因素，反映了抵抗殘余變形和破壞的能力，也是反映彈性變形、塑性變形、拉伸強度、疲勞強度和耐磨性的綜合指標。圖4為Fe-Al-Nb涂層的截面壓痕形態(tài)和相應硬度的演變。由圖可見，涂層呈現(xiàn)出較高的表面硬度和較低的芯部硬度，可以滿足復雜應力條件下的要求。

圖3 Fe-Al-Nb涂層XRD結果

圖4 Fe-Al-Nb涂層硬度分布結果

載荷-位移曲線所包圍的面積可用來表示薄膜發(fā)生塑性變形的量，在一定程度上表征了材料的韌性大小。圖5(a)顯示的是涂層納米壓痕試驗得到的典型載荷-位移(P-H)曲線。在P-H曲線中，卸載曲線的斜率顯示薄膜的彈性形變能力，對比圖中的卸載曲線可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e-Al-Nb涂層在載荷減小以后具有更好的彈性回復能力。加載曲線和卸載曲線包圍區(qū)域表征了塑性變形的全過程，代表膜層塑性變形量。圖5(b)顯示的是Fe-Al-Nb涂層與基體的動態(tài)納米硬度隨壓痕深度變化的情況，當曲線的硬度趨于恒定時，相應的硬度值是涂層表面的納米硬度。可以看出，F(xiàn)e-Al-Nb涂層的硬度高于基體。這是因為通過轟擊Nb原子改變了原有的化學成分，形成了新的相，改變了組織結構，明顯提高了材料的強度和韌性。

圖5 Fe-Al-Nb涂層納米壓痕測試結果

結合強度是評價涂層質量的重要指標之一。本文采用聲發(fā)射劃痕儀來測試涂層與基體之間的結合強度，繪制的聲發(fā)射曲線如圖6(a)所示。當捕獲到在涂層劃痕試驗期間發(fā)生破壞時發(fā)出的聲信號，試樣的臨界載荷開始出現(xiàn)，通常以第一聲發(fā)射信號的起始位置的臨界載荷來表征涂層的結合強度。從圖中可以看出,Fe-Al-Nb涂層表現(xiàn)出較低強度的聲發(fā)射信號和較高的臨界負載，約83N，說明涂層與基體之間的結合力強。此外，因為離子注入使晶格膨脹，形成新相并引起結構變化而產(chǎn)生內(nèi)部膜應力，其存在對黏附具有重要影響。聲發(fā)射峰值強度與劃痕試驗中試樣的韌性有關。相同負載下，脆性涂層具有較高的聲發(fā)射峰。這表明Fe-Al-Nb涂層具有較小的脆性和更好的塑性變形能力。從劃痕形貌圖(圖6(b))可以看出，涂層劃痕內(nèi)部僅出現(xiàn)了微小的橫向裂紋，劃痕內(nèi)部或邊緣沒有出現(xiàn)破碎剝離現(xiàn)象，說明Nb的加入有效地提高了Fe-Al涂層與基體之間的結合力。結合雙層輝光等離子體技術的特性，可知溝槽的形成增大了摩擦過程中的表面粗糙度。

3 結論

1)采用熱浸鍍Al技術與雙輝等離子滲Nb技術在中碳鋼表面制備出Fe-Al-Nb涂層，顯著改善了涂層的力學性能。

2)涂層表面呈胞狀結構，主要由Nb、Fe2Al5、Fe3Al、AlNb2相與Fe7Nb6相組成，涂層與基體之間呈冶金結合。

3)涂層表面硬度高達850HV0.1，這源于表層形成了新的硬質相；涂層具有較好的彈性恢復與塑性變形能力，這是由于滲入的Nb原子改變了基體元素成分，形成了易變形結構。

4)涂層與基體之間結合力為83N，由于彌散分布的硬質相能夠均勻支撐載荷，涂層內(nèi)應力較小，因此顯示出較強的結合力。