不同表面強化處理對9310鋼防護性能的影響*

蘇 騏，蘇威銘，張吉阜，江 平，肖根升

1.中國航發(fā)湖南動力機械研究所，湖南 株洲 412002；2.廣東省新材料研究所，廣東 廣州 510650

航空9310鋼是一種低成本、高性能的滲碳齒輪鋼，其生產(chǎn)與使用非常成熟，已是我國直升機減速器、中小型航空燃氣渦輪發(fā)動機傳動部件用的最廣的齒輪材料之一．用9310鋼制成的齒輪與齒輪軸，在大量的試驗與正式飛行中均表現(xiàn)良好，但在工況惡劣的環(huán)境中零件的少數(shù)部位仍出現(xiàn)了嚴重磨損與腐蝕的情況，所以對航空9310鋼表面進行耐磨與耐蝕研究，是必要且有價值的．

超音速火焰噴涂的碳化鎢具有優(yōu)秀的硬度與耐磨、耐蝕特性，已在直升機旋翼軸軸頸、導筒外圓、行星架、發(fā)動機附件傳動磁性密封圈等部位得到了廣泛的應用[1-2]．滲碳是航空滲碳齒輪鋼強化最為常用的一種方式，多見于齒面、花鍵、軸頸等[3]．鍍鉻是一種傳統(tǒng)的表面防護與修復技術，常見于密封跑道等部位[4]．目前國內(nèi)針對9310鋼噴涂碳化鎢的研究報道還較少，本文對9310鋼以及分別經(jīng)滲碳、鍍鉻、噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的9310鋼的摩擦磨損與防腐性能進行了對比研究，讓航空傳動設計人員對幾種強化方式有一個更理性的認識，為超音速火焰噴涂碳化鎢在9310鋼上的應用提供參考依據(jù)．

1 試驗方法

1.1 原料及處理方法

基體材料為雙真空熔煉的9310鋼．將9310鋼切割成130 mm110 mm6 mm薄板，打磨光滑，用于噴涂制備WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層．采用兩種噴涂粉末分別是FUJIMI公司生產(chǎn)的WC-14Co粉末和H.C.Stark公司生產(chǎn)的WC-10Co4Cr粉末，兩種粉末均為團聚粉，粉末呈多孔球形，粉末粒徑在5～30 μm范圍內(nèi)．

采用GTV公司的K2超音速火焰噴涂設備制備涂層，噴涂參數(shù)如表1所示．噴涂前用白剛玉沙對噴涂面噴砂粗化，后用壓縮空氣清理，以提高涂層的結(jié)合能力．兩種碳化鎢涂層磨削后厚度均控制在150 μm．滲碳試樣有效滲層深度控制在700～900 μm，鍍鉻試樣鍍層厚度控制在25～50 μm，參數(shù)參考某航空齒輪軸的兩個外圓部位的應用經(jīng)驗選?。?/p>

表1 超音速火焰噴涂的工藝參數(shù)

1.2 測試方法與標準

采用日本SmartLab 9 kw X射線衍射儀(XRD)對涂層的相結(jié)構(gòu)進行分析．試樣形貌及成分通過搭載有能譜分析儀(EDS)的Nova-Nono 430掃描電鏡(SEM)進行分析．

運用MH-5D顯微硬度計對材料的截面顯微硬度進行測量，載荷300 g，保壓時間15 s，每種材料取10個點，計算平均值和標準差．

按照拉伸試驗法(GBT 8642-2002)測試涂層與基體的結(jié)合力，每種涂層各測6組，最后結(jié)果取平均值．

往復式和旋轉(zhuǎn)式摩擦磨損試驗均在室溫下完成．往復式摩擦磨損試驗使用NUS-ISO3磨損試驗機進行，試樣尺寸為30 mm50 mm6 mm的小塊，對磨砂條為60號SiC，載荷30 N，試驗前及每往復400次后用電子天平稱重，總往復次數(shù)1200次．球-盤式旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗使用MS-T3000摩擦磨損試驗儀進行，試樣尺寸為直徑25.4 mm6 mm，磨球為直徑6 mm的氮化硅球，磨痕半徑為7.5 mm，載荷9.8 N，轉(zhuǎn)速300 r/min，時間為1 h．旋轉(zhuǎn)摩擦磨損試驗后，磨痕截面輪廓通過Dektak XT三維表面輪廓儀線掃描獲得，以此評判各樣品磨損量．

鹽霧腐蝕性能測試按GB/T10125-1997進行，測試設備為MC-952C型鹽霧試驗箱．

2 結(jié)果分析

2.1 微觀組織形貌

9310鋼分別經(jīng)過滲碳、鍍鉻、噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的四種不同表面處理后，樣品表面的XRD圖譜如圖1所示．從圖1可見：滲碳樣品以體心立方的鐵素體衍射峰為主，同時也發(fā)現(xiàn)信號強度較弱的面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體，特別的是在鐵素體最強峰的左邊檢測到小伴峰，表明了馬氏體的形成，這是由于碳元素的大量滲入使得樣品表層鐵素體晶體結(jié)構(gòu)畸變嚴重從而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體；鍍鉻樣品的鉻層厚度在25 μm以上，因此僅有金屬Cr的衍射峰；WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的XRD圖譜相似，圖譜以WC衍射峰為主導，在35 °到47 °衍射角度范圍內(nèi)出現(xiàn)饅頭峰，沒有檢測到金屬Co和Cr晶體結(jié)構(gòu)信號，饅頭峰是非晶和納米晶結(jié)構(gòu)在XRD圖譜上的反映[1]．這是由于在噴涂過程中，金屬Co和Cr熔點較WC低，熔化充分，沉積時急速冷卻，過冷度大，液態(tài)急劇凝固，形成納米晶或者保留非晶態(tài)；再者Co和Cr元素含量少，因此XRD圖譜無法反映出Co和Cr金屬晶體結(jié)構(gòu)信號．此外，兩種涂層中也含有少量W2C和金屬W相，這是WC脫碳的結(jié)果．粉末在焰流中飛行時，氧氣可能氧化部分WC，以CO2形式帶走C元素，另外C元素溶入金屬粘結(jié)相也是WC脫碳的一種形式．

圖1 9310鋼表面經(jīng)不同表面處理后的XRD圖譜 Fig.1 XRD pattern of 9310 steel surface treated with different surface treatments

圖2為不同表面處理后的截面形貌SEM圖．對四種表面處理樣品截面SEM圖像進行比較發(fā)現(xiàn)：滲碳層與基體融為一體，無法分辨界線；鉻層、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層致密，三者孔隙率均小于1%；鉻層中存在少量微裂紋；兩種涂層與基體結(jié)合良好，無明顯孔隙或裂紋．

圖2 不同表面處理后的截面形貌(a)滲碳；(b)鍍鉻；(c)噴涂WC-14Co；(d)噴涂WC-10Co4CrFig.2 Cross-sectional morphologies after different surface treatment(a)carburizing；(b) Cr-plating；(c) as-sprayed WC-14Co；(d) as-sprayed WC-10Co4Cr

圖3為9310鋼表面熱噴涂后結(jié)合強度測試結(jié)果．拉伸試驗結(jié)果表明，WC-14Co與WC-10Co4Cr涂層與基體的結(jié)合強度都超過80 MPa，斷裂均發(fā)生在從拉伸膠處，遠遠超過涂層應用要求的一般標準．

圖3 9310鋼表面熱噴涂后結(jié)合強度測試結(jié)果Fig.3 Bond-strength test results after thermal spraying coatings on 9310 steel surface

圖4 9310鋼經(jīng)過不同表面處理后表面顯微硬度變化Fig.4 Surface micro-hardness of 9310 steel after different surface treatment

9310鋼基材以及分別經(jīng)過滲碳、鍍鉻、噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層后樣品的表面硬度測量結(jié)果如圖4所示．從圖4可見：9310鋼基材硬度最低，僅有221 Hv，滲碳后9310鋼硬度明顯提高，達到820 Hv，這主要是因為滲層中形成了馬氏體，碳原子固溶強化、相變強化及時效強化使得馬氏體具有高強度、高硬度，因此馬氏體轉(zhuǎn)變增加了鋼表面的硬度；鉻層硬度與滲碳樣品相當，其硬度由金屬本身性質(zhì)所決定；WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層硬度明顯高于其他樣品，超過1100 Hv．與金屬材料不同，WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層為金屬陶瓷，以金屬Co或Cr為粘結(jié)相，WC陶瓷為增強相，這種組合既能發(fā)揮陶瓷硬度高的優(yōu)點又能解決陶瓷脆性問題，硬度高于金屬材料，且具有一定韌性和強度．此外，WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層良好的連續(xù)性和致密性也對其高硬度有正面影響．

2.2 耐磨性能比較

圖5為9310鋼及經(jīng)不同表面處理后試樣的磨損失重量比較．從圖5可見，試樣的失重量與往復次數(shù)基本呈正比．9310鋼基材磨損量為234.98 mg，滲碳狀態(tài)為110.62 mg，鍍鉻及噴涂WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層樣品失重量相當，分別為69.13，64.47和67.21 mg．試驗結(jié)果表明，鉻層、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的抗往復摩擦磨損性能明顯優(yōu)于基材和滲碳狀態(tài)的9310鋼．

圖6為9310鋼及不同表面處理后的摩擦系數(shù)比較及磨痕截面分析．從圖6可見，樣品球-盤式摩擦磨損試驗測得9310鋼基材、滲碳、鍍鉻、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層平均摩擦系數(shù)依次為0.43，0.75，0.61，0.45和0.47．由此可知，9310鋼基材、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層的摩擦性能優(yōu)于滲碳、鍍鉻．圖6(a)顯示各樣品在測試過程中摩擦系數(shù)隨時間變化的情況，其中滲碳和鍍鉻樣品摩擦系數(shù)波動大，而9310鋼基材、WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層樣品變化較平緩．圖6(b)通過各磨痕的輪廓來反映各樣品經(jīng)球-盤式摩擦磨損試驗后的磨損量，其中WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層耐磨性最優(yōu)，幾乎無法分辨磨坑；鍍鉻樣品磨損量最高，遠遠大于其他四種樣品磨損量；滲碳后9310鋼耐磨性能有所提升．

圖5 9310鋼及不同表面處理后試樣的磨損失重量比較Fig.5 Comparison of grinding loss weight of 9310 steel after different surface treatments

圖6 9310鋼及不同表面處理后的摩擦系數(shù)比較及磨痕截面分析Fig.6 Comparison of friction coefficient and analysis of wear tracks section of 9310 steel and different surface treatments

使用掃描電鏡對各磨痕表面的進行了分析，圖7為9310鋼基材及不同表面處理后試樣的磨痕形貌分析．從圖7(a)可見：滲碳樣品磨痕表面發(fā)生塑性變形，可以觀察到明顯磨屑和微型犁溝，其摩擦磨損機制以黏著磨損為主．從圖7(b)可見，鍍鉻樣品塑性變形更為嚴重，此外可以觀察到明顯的剝落坑、磨屑和犁溝，磨損機制為黏著磨損和磨粒磨損．滲碳和鍍鉻樣品的摩擦系數(shù)明顯高于其他三種樣品(圖6(a))，這可能是由黏著磨損所引起的．因為摩擦副之間的接觸面微觀上必然不平整，接觸面越小，越容易發(fā)生局部冷焊，從而某種程度上阻礙對偶相對運動，導致摩擦阻力提高，摩擦系數(shù)增加[6]．從圖7(c)和與7(d)可見，WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層磨痕較淺，表面無明顯塑性變形，以犁溝形貌為主導，表明二者以磨粒磨損為主要磨損機制．圖7(e)為9310鋼基材磨痕表面，形貌與鍍鉻磨痕表面相似，但黏著磨損較緩和．圖7(f)為鍍鉻樣品磨痕表面Cr，F(xiàn)e，Si和O元素線掃描元素含量分布圖，在磨痕最深處可以檢測到大量Fe元素，表明鉻層已被磨球磨穿．WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層硬度高，有WC陶瓷增強，表面強度高，不易發(fā)生嚴重塑性變形，因此，抗磨損性能好．相比之下，鍍鉻樣品表面硬度較低，為純Cr金屬，易發(fā)生塑性變形，黏著磨損和磨粒磨損嚴重，耐磨性不佳．

2.3 腐蝕性能比較

圖8為鹽霧腐蝕144 h后試樣表面宏觀形貌．從圖8可見：鍍鉻樣品和WC-10Co4Cr涂層的耐鹽霧腐蝕性最好，WC-14Co涂層次之且表面有少量銹跡，而基體和滲碳樣品被腐蝕明顯，并且滲碳樣品更為嚴重．

在鹽霧介質(zhì)中，材料的電極電位很大程度上決定了材料的耐蝕性．在滲碳樣品中，滲碳層如果碳含量過高，則以碳化物形式析出如滲碳體，其電極電位高，與鐵素體形成微電池，滲碳體是陰極，鐵素體為陽極，鐵素體將不斷被溶解，因此，產(chǎn)生嚴重腐蝕[3]．鍍鉻是一種比較傳統(tǒng)的耐腐蝕工藝，金屬Cr表面鈍化能提高電極電位，形成致密、穩(wěn)定、完整的氧化膜，與基體牢固結(jié)合，阻止氧氣與鋼直接接觸，從而有效防止或減輕鋼的腐蝕．但是在144 h鹽霧腐蝕后，部分鍍鉻樣品表面卻出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象．這可能與鉻層中存在的微裂紋有關(見圖2(b))，腐蝕介質(zhì)可通過裂紋滲入而優(yōu)先腐蝕9310鋼[6]．

9310鋼、WC-14Co涂層和WC-10Co4Cr涂層鹽霧腐蝕后表面微觀形貌和能譜分析如圖9所示．從圖9(a)可見，9310鋼表面疏松，F(xiàn)e和O為主要組成元素，即鐵銹成分．在濕腐蝕環(huán)境中，鐵銹次生形成，首先生成Fe2+，然后反應生成Fe2O3，所以鐵銹疏松、多孔、無保護性．從圖9(b)可見，WC-14Co涂層表面無明顯疏松特征，但在高倍下仍能觀察到少量裂紋，未能形成致密保護層，能譜表明其表面以W，Co和O的氧化物為主．從圖9(c)可見，WC-10Co4Cr涂層表面完好，無孔隙、裂紋，這主要是涂層表面致密Cr2O3氧化膜具有保護作用．

圖9 不同試樣經(jīng)鹽霧腐蝕后表面形貌及能譜分析(a)9310鋼；(b)WC-14Co；(c)WC-10Co4CrFig.9 Surface morphology and energy spectrum analysis of different samples after salt spray corrosion(a) 9310 steel；(b) WC-14Co；(c) WC-10Co4Cr

3 結(jié) 論

超音速火焰噴涂制備的WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層致密、硬度高、結(jié)合強度高．由于WC-14Co和WC-10Co4Cr涂層表面強度高，摩擦時不易塑性變形，以磨粒磨損為主，摩擦系數(shù)和磨損量小，耐磨性好．硬鉻鍍層和WC-10Co4Cr涂層耐鹽霧腐蝕性能優(yōu)異，表面完好，無明顯銹跡，這與樣品表面形成的致密保護膜有很大關系．