工程機(jī)械用鋼的表面改性處理研究

□王 洋

工程機(jī)械行業(yè)是機(jī)械行業(yè)中鋼材消費(fèi)量最大的子行業(yè)之一，2014年消費(fèi)鋼材1,520萬(wàn)噸，占機(jī)械行業(yè)鋼材消費(fèi)量的12.2%，占鋼材消費(fèi)總量的2.3%。我國(guó)現(xiàn)在已成為全球第一大工程機(jī)械市場(chǎng)。鋼材作為工程機(jī)械最重要的原材料，不僅決定著產(chǎn)品價(jià)格，也決定著產(chǎn)品的性能和可靠性?？傮w來(lái)說(shuō)，目前，中國(guó)工程機(jī)械用鋼質(zhì)量整體水平不高，只有約30%的產(chǎn)品實(shí)物質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這一現(xiàn)象導(dǎo)致的直接后果就是我國(guó)工程機(jī)械產(chǎn)品與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，在耐久性、可靠性上的差距還比較大。雖然每年工程機(jī)械消化了許多鋼鐵產(chǎn)能，但是受國(guó)內(nèi)鋼材行業(yè)技術(shù)制約，并未完全將工程機(jī)械用鋼市場(chǎng)開發(fā)，還有部分高端鋼材需要依靠進(jìn)口。歸其原因，在一定程度上與高品質(zhì)工程機(jī)械用鋼的表面改性處理技術(shù)有關(guān)[1～2]，本文選取具有代表性的45#工程機(jī)械用鋼為對(duì)象，通過(guò)在表面進(jìn)行熱噴涂的方法，研究了改性前后的組織與性能變化，研究結(jié)果對(duì)于提高工程機(jī)械用鋼的使用性能具有參考意義。

一、實(shí)驗(yàn)材料與方法

選用工程機(jī)械用鋼常用牌號(hào)45#鋼為基體材料，它的主要化學(xué)成分元素比例(%)：0.47C、0.10Cr、0.68Mn、0.17Ni、0.008S、0.004S、0.24Si，余量為Fe，使用狀態(tài)為調(diào)質(zhì)態(tài)，用于制作承受負(fù)荷較大的小截面調(diào)質(zhì)件和應(yīng)力較小的大型正火零件以及對(duì)心部強(qiáng)度要求不高的表面淬火零件，如梢子、導(dǎo)柱、表針等部件。

采用WC-10Co4Cr粉末對(duì)工程機(jī)械用鋼表面進(jìn)行熱噴涂處理，噴涂設(shè)備為自制的超高音速火焰噴涂系統(tǒng)NM-2200型熱噴涂機(jī)，采用航空煤油作為燃料，氮?dú)鉃樗洼d氣，噴涂距離為40cm，送粉速率為1.5gpm。

采用JSM-6800型掃描電子顯微鏡對(duì)噴涂粉末和涂層進(jìn)行微觀組織觀察，并用附帶的能譜分析儀分析微區(qū)成分；物相組成采用Burkerd-8型X射線衍射儀分析物相組成；摩擦磨損試驗(yàn)采用吉林大學(xué)研制的JL-300型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，對(duì)磨材料為GCr15鋼珠，轉(zhuǎn)盤半徑為2.5mm，磨損時(shí)間設(shè)定為20min，通過(guò)對(duì)機(jī)械工程用鋼表面噴涂涂層和基體材料分別進(jìn)行摩擦試驗(yàn)后，通過(guò)對(duì)比磨損失重量考察表面熱噴涂改性處理對(duì)工程機(jī)械用鋼摩擦磨損性能的影響。

二、結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)WC-10Co4Cr粉末的低倍和高倍組織形貌分析，可以得出，表面改性粉末的球形度較高，相鄰粉末顆粒間有一定間隙，對(duì)粉末顆粒進(jìn)行局部放大后可以觀察到各個(gè)粉末顆粒的表面粗糙多孔，但是連續(xù)性較好，沒(méi)有在表面發(fā)現(xiàn)孔洞或者夾雜等缺陷，這表明通過(guò)球磨處理后的噴涂粉末制備工藝適當(dāng)，球形度較高且表面無(wú)缺陷的粉末顆粒在熱噴涂改性過(guò)程中更容易吸收和傳遞熱量，有利于表面改性的進(jìn)行[3]。

通過(guò)對(duì)工程機(jī)械用鋼表面熱噴涂粉末的粒度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可以得出，WC-10Co4Cr粉末粒度分布在5～50μm之間。其中，粒徑范圍在5～10μm的占比約為2%，粒徑范圍在10～15μm的占比約為6%，粒徑范圍在15～20μm的占比約為11%，粒徑范圍在20～25μm的占比約為13%，粒徑范圍在25～30μm的占比約為28%，粒徑范圍在30～35μm的占比約為12%，粒徑范圍在35～40μm的占比約為4%，粒徑范圍在40～45μm的占比約為4%，粒徑范圍在45～50μm的占比約為3%。由此可見，WC-10Co4Cr粉末粒度主要分布在20～35μm之間。

通過(guò)對(duì)工程機(jī)械用鋼的表面噴涂形貌進(jìn)行觀察，可以得出，當(dāng)大部分WC-10Co4Cr粉末噴射到工程機(jī)械用鋼基體表面后，大部分顆粒都進(jìn)行了較大程度的變形，外形從球形轉(zhuǎn)變?yōu)楸馄綘?，呈現(xiàn)出糯米團(tuán)或者油餅狀，這主要是由于球形顆粒在超高音速噴涂過(guò)程中受到撞擊形成的[4]。從局部方法組織中可以發(fā)現(xiàn)，這些粉末顆粒中的碳化物彌散在粘結(jié)相中，部分碳化物呈現(xiàn)出多角形形貌，表面在熱噴涂過(guò)程中并沒(méi)有完全熔化，這些彌散分布的碳化物對(duì)于提高整個(gè)涂層的抗摩擦磨損形貌有利。

通過(guò)對(duì)工程機(jī)械用鋼熱噴涂粉末和噴涂后的涂層進(jìn)行X射線衍射觀察，可以發(fā)現(xiàn)，熱噴涂粉末中主要含有WC和Co相，并沒(méi)有其它衍射峰存在；在經(jīng)過(guò)熱噴涂處理后，在工程機(jī)械用鋼表面噴涂涂層中可以發(fā)現(xiàn)WC、W2C和CoCr相，其中W2C相的形成主要是由于在熱噴涂過(guò)程中WC發(fā)生了部分脫碳形成，而CoCr相的型材主要說(shuō)明在熱噴涂過(guò)程中Cr元素已經(jīng)固溶到Co基體中。部分學(xué)者認(rèn)為這種在熱噴涂過(guò)程中的脫碳現(xiàn)象是由于熔融顆粒撞擊產(chǎn)生，也有理論認(rèn)為W2C相與WC溶解同時(shí)進(jìn)行，在融滴達(dá)到基體之前已經(jīng)產(chǎn)生[5]。

通過(guò)對(duì)工程機(jī)械用鋼的表面噴涂涂層截面形貌進(jìn)行觀察，可以得出，經(jīng)過(guò)熱噴涂處理后，工程機(jī)械用鋼表面形成了厚度約為170μm的涂層，熱噴涂涂層與基體材料實(shí)現(xiàn)了良好的機(jī)械結(jié)合，涂層之間的組織均勻、致密，在涂層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷。從局部放大組織可以發(fā)現(xiàn)，涂層組織中還存在較大尺寸的WC顆粒，但是沒(méi)有層狀結(jié)構(gòu)特征，其中少部分區(qū)域的黑色顆粒相主要是在超高速噴射過(guò)程中形成的脫碳相；此外，粉末顆粒間還存在一定的空隙，孔隙率約為2.24%，孔隙率較低表面采用本文的超高音速熱噴涂方法在工程機(jī)械用鋼表面形成了較為致密的涂層。

對(duì)工程機(jī)械用鋼的表面改性層和基體材料進(jìn)行摩擦磨損對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果顯示：當(dāng)轉(zhuǎn)速為550r/min，載荷為320g時(shí)，工程機(jī)械用鋼改性層的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.4051和0.0021g，而基體材料的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.4987和0.0068g；當(dāng)轉(zhuǎn)速為550r/min，載荷為420g時(shí)，工程機(jī)械用鋼改性層的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.3533和0.0037g，而基體材料的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.4854和0.0142g；當(dāng)轉(zhuǎn)速為820r/min，載荷為320g時(shí)，工程機(jī)械用鋼改性層的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.3777和0.0026g，而基體材料的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.498796和0.0082g；當(dāng)轉(zhuǎn)速為820r/min，載荷為420g時(shí)，工程機(jī)械用鋼改性層的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.3017和0.0046g，而基體材料的摩擦系數(shù)和磨損失重分別為0.4389和0.0178g。由此可見，隨著加載載荷和轉(zhuǎn)速的增加，工程機(jī)械用45#鋼表面改性層的摩擦系數(shù)更小，耐磨性能更好；通過(guò)在工程機(jī)械用45#鋼表面進(jìn)行WC-10Co4Cr粉末噴涂改性處理，在不同的載荷和轉(zhuǎn)速下，改性層與基體相比都具有更好的耐磨性能。

三、結(jié)語(yǔ)

一是WC-10Co4Cr粉末粒度主要分布在20～35μm，熱噴涂粉末中主要含有WC和Co相，并沒(méi)有其它衍射峰存在。二是工程機(jī)械用鋼表面形成了厚度約為170μm的涂層，熱噴涂涂層與基體材料實(shí)現(xiàn)了良好的機(jī)械結(jié)合，涂層之間的組織均勻、致密，在涂層中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)氣孔、夾雜等缺陷。三是隨著加載載荷和轉(zhuǎn)速的增加，工程機(jī)械用45#鋼表面改性層的摩擦系數(shù)更小，耐磨性能更好；通過(guò)在工程機(jī)械用45#鋼表面進(jìn)行WC-10Co4Cr粉末噴涂改性處理，在不同的載荷和轉(zhuǎn)速下，改性層與基體相比都具有更好的耐磨性能。