炮鋼表面電火花沉積鎢合金涂層的摩擦磨損性能

張 賀，李冬敏，梁振剛

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽110159；2.康平縣高級中學，沈陽 110500)

武器裝備在我國國防事業(yè)中發(fā)揮了舉足輕重的作用，但其關鍵構件常常因在高載、高速等惡劣工況下工作，摩擦磨損現(xiàn)象非常嚴重，關鍵構件的更換消耗了大量的經(jīng)費開支[1]?；鹋谏砉芤蛟诟吣馨l(fā)射藥的作用下，射擊精度及使用壽命經(jīng)常會受到身管內膛磨損因素的制約[2]。提高身管內膛的耐磨損性能是解決這一問題的行之有效的措施。鎢合金是一種高密度、高強度、高韌性的硬質合金材料，在國防科技、工程技術、國民生活中都有廣泛的應用[3]，如穿甲彈的彈芯材料、破甲彈的藥形罩、飛機壓艙平衡塊、X射線的屏蔽材料等[4-5]。將鎢合金作為涂層材料，沉積在火炮身管內膛表面，不僅可以保留炮鋼的高斷裂韌性性能，還可以大大增強其表面的耐磨損性能。

與其他沉積方法相比，電火花沉積技術具有設備價格低廉、操作簡單等優(yōu)點。該技術是將電極材料與基體在放電火花的作用下同時熔化在一起，發(fā)生復雜的物理變化和化學反應而形成新的微米級、甚至納米級硬質相[6]，具有非常牢固的冶金結合界面，有利于身管內膛在特殊工況環(huán)境下的需要。本文利用電火花沉積技術，在炮鋼表面沉積鎢合金涂層，研究鎢合金涂層的摩擦磨損性能。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

基體選用炮鋼(CrNi3MoVA鋼)[7]，在電火花線切割機上制成10mm×15mm×4mm的小長方體；電極材料為φ5mm×50mm的鎢合金，化學成分為鎢合金中強度和塑性優(yōu)異的90W-7Ni-3Fe合金[8]。炮鋼基體和電極經(jīng)砂紙逐級打磨至1500#，用粒度為2.5μm的金剛石研磨膏拋光，再用丙酮和酒精的混合液超聲清洗后，立即用風筒吹干后待用。CrNi3MoVA鋼的化學成分如表1所示。

表1 CrNi3MoVA鋼的化學成分 wt%

1.2 實驗方法

選用振動式電火花沉積裝置，主要沉積參數(shù)為電壓50V、電容100μF；采用納米壓痕儀測試鎢合金涂層的硬度和彈性模量，取10個壓痕的平均值；使用帶能譜的掃描電鏡分析沉積態(tài)及磨損后涂層及基體的形貌和成分；采用X射線衍射儀分析鎢合金涂層的相結構；使用HSR-2M往復式摩擦磨損實驗機測試炮鋼和涂層的摩擦磨損性能，磨件氧化鋁球直徑為6mm，摩擦磨損條件為載荷2N、滑動速度48mm/s、滑動時間20min。磨損率計算示意圖[9]如圖1所示。

圖1 磨損率計算示意圖

磨損率的計算公式為

(1)

式中：W為磨損率，mm3/(N·m)；d為磨球直徑，mm；h為磨損痕跡的長度，mm；L為磨損痕跡的寬度，mm；N為施加載荷，N；v為摩擦速度，m/s；t為磨損時間，s。

2 結果與討論

2.1 電火花沉積鎢合金涂層的微觀結構

電火花沉積鎢合金涂層的表面形貌及EDS能譜如圖2所示。

由圖2a電火花沉積鎢合金涂層的低倍形貌可以看出，涂層表面呈橘皮狀，分布大量的微孔洞；對圖2a中的區(qū)域A進行放大得到圖2b，由圖2b可以看到，涂層表面存在大量的微裂紋，由于沉積過程中電極與基體形成的微熔池快速冷卻產(chǎn)生的殘余應力釋放而引起；對圖2a中的區(qū)域B和點C進行EDS分析得到圖2c和圖2d；由圖2c可以看出，區(qū)域B的涂層含有元素的種類及質量分數(shù)為：W 71.44%，Ni 2.13%，F(xiàn)e 26.43%，表明鎢合金涂層為不同于鎢合金電極材料成分的新的合金體系；由圖2d可以看出，點C處的涂層含有元素的種類及質量分數(shù)為：W 64.46%，Ni 1.87%，F(xiàn)e 14.40%，O 19.27%，表明在空氣中進行電火花沉積時，鎢合金涂層表面會由于氧的混入而發(fā)生微區(qū)氧化。

圖2 電火花沉積鎢合金涂層的表面形貌及EDS能譜

電火花沉積鎢合金涂層的截面形貌及EDS測試結果如圖3所示。

圖3 電火花沉積鎢合金涂層的截面形貌及EDS測試結果

由圖3a涂層的截面形貌可以看出，電火花沉積鎢合金涂層與基體結合良好，但涂層和基體界面呈起伏不平的鋸齒狀，涂層厚度約10μm；涂層表面含有富氧的氧化孔洞，以及富W的白色亮塊；對圖3a進行EDS線掃描得到圖3b，由圖3b可以看出，W元素和Fe元素在涂層和基體的界面呈梯度過渡，表明鎢合金涂層元素和基體元素相互熔滲形成牢固的冶金結合。

電火花沉積鎢合金涂層和電極的XRD圖譜如圖4所示。由圖4可以看出，電火花沉積鎢合金涂層由α-Fe和γ-Fe(W)組成，而電極僅為單一的α-W相，表明在電火花沉積過程中電極元素和基體元素發(fā)生了相互熔滲形成新的合金強化層，與EDS的分析結果一致。

圖4 電火花沉積鎢合金涂層和電極的XRD圖譜

2.2 電火花沉積鎢合金涂層的硬度和彈性模量

基體和涂層的硬度及彈性模量如表2所示。

表2 基體和涂層的硬度及彈性模量

由表2可知，鎢合金涂層的硬度為10.79GPa，炮鋼基體的硬度為7.32GPa，鎢合金涂層的硬度較炮鋼基體提高47.4%；鎢合金涂層的彈性模量為292.8GPa，炮鋼基體的彈性模量為285.4GPa，W-Ni-Fe涂層的彈性模量較炮鋼基體提高2.6%。

2.3 電火花沉積鎢合金涂層的摩擦磨損性能

當載荷為2N、滑動速度為48mm/s時，基體與電火花沉積鎢合金涂層的摩擦系數(shù)測試結果如圖5所示。

圖5 基體與電火花沉積鎢合金涂層的摩擦系數(shù)

由圖5可見，在試驗條件下，電火花沉積鎢合金涂層的摩擦系數(shù)為0.22～0.25，基體的摩擦系數(shù)為0.38～0.46，表明炮鋼表面沉積鎢合金涂層具有明顯的減摩效果。

基體和鎢合金涂層的磨損形貌如圖6所示。

圖6 基體和鎢合金涂層的磨損形貌

由圖6a可以看出，基體磨痕寬度為297μm，其磨損率為13.1×10-4mm3/(N·m)，磨損表面出現(xiàn)多處犁痕和材料剝層留下的淺坑，基體的磨損機制主要為粘著磨損。由圖6b可以看出，涂層磨痕的寬度為138μm，其磨損率為6.07×10-4mm3/(N·m)，較基體磨損率降低53.7%；涂層表面較為粗糙，包括磨平的區(qū)域和低洼的區(qū)域，磨平的區(qū)域為典型的微切削特征；同時，磨平區(qū)域有大量的片狀粘著物質，對該粘著物質進行EDS分析表明其含有大量的氧元素，原因是在摩擦載荷的作用下，涂層摩擦接觸表面產(chǎn)生大量的熱引起淺層氧化；電火花沉積鎢合金涂層的磨損機制主要為微切削磨損和氧化磨損。

鎢合金涂層具有較低的摩擦系數(shù)主要有兩個原因，鎢合金涂層具有較高的硬度和彈性模量[10]，根據(jù)Archard摩擦力學模型，涂層的硬度和彈性模量越高，涂層的摩擦系數(shù)越??；涂層磨損表面的平面區(qū)域形成的氧化物可以降低涂層的摩擦系數(shù)。

電火花沉積鎢合金涂層屬于微晶涂層，其中含有大量的晶界，可以作為氧化物的優(yōu)先形核位置和氧的快速通道，故鎢合金涂層在摩擦升溫時表面易于氧化，增強摩擦磨損性能。根據(jù)Archard磨損公式[11]，滑動距離和施加載荷一定時，摩擦系數(shù)越小，材料的硬度越高，其磨損體積越小，即材料具有更好的耐磨性，電火花沉積鎢合金涂層具有更高的硬度和更小的摩擦系數(shù)，耐磨性能優(yōu)異。

3 結論

(1)電火花沉積鎢合金涂層由γ-Fe(W)和α-Fe組成，涂層元素與基體元素在界面呈梯度過渡，形成牢固的冶金結合；

(2)電火花沉積涂層的硬度較基體提高47.4%，彈性模量較基體提高2.6%；

(3)在相同的試驗條件下，電火花沉積鎢合金涂層的摩擦系數(shù)為0.22～0.25，基體的摩擦系數(shù)為0.38～0.46，電火花沉積鎢合金涂層的磨損率較基體降低53.7%，顯著提高了基體的摩擦磨損性能；

(4)電火花沉積鎢合金涂層的磨損機制主要為微切削磨損和氧化磨損，基體的磨損機制主要為粘著磨損。