球墨鑄鐵表面改性技術及其耐磨涂層研究現(xiàn)狀

閆雪芳，向軍淮，胡 敏，肖伯濤，2

(1.江西科技師范大學 江西省材料表面工程重點實驗室，江西 南昌 330013; 2.華中科技大學 材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

相對于鋼而言，鑄鐵因成本低、鑄造性、加工性和潤滑性優(yōu)良等優(yōu)點而受到工業(yè)的青睞。其中，球墨鑄鐵擁有與鋼相近的強韌性，被作為以鐵代鋼的材料來使用，是常用的熱軋輥基體材料[1-2]。熱軋輥使用的工況惡劣，表面容易發(fā)生摩擦磨損、腐蝕、高溫氧化、熱疲勞而致使軋輥失效，從而降低軋輥的使用壽命[3]。因此，作為熱軋輥材料不僅要具備較高的硬度和耐磨性、良好的耐熱耐蝕性，而且還要有足夠的抗疲勞性。

為了改善球墨鑄鐵軋輥的性能，提高其使用壽命，對其進行表面改性是一種行之有效的處理方法。其中，表面熔覆和合金化是一種能夠顯著改善軋輥表面性能和使用壽命而又不會明顯增加生產(chǎn)成本的方法[4]。表面熔覆及合金化方法眾多，制得的合金涂層也性能各異。因此，本文系統(tǒng)地分析了國內(nèi)外球墨鑄鐵表面合金化處理改性技術的應用現(xiàn)狀，著重分析了球墨鑄鐵耐磨涂層材料體系，闡述了表面改性處理球墨鑄鐵的耐磨作用機理，為球墨鑄鐵熱耐磨材料的表面處理提供參考依據(jù)。

1 球墨鑄鐵表面改性技術

利用表面改性技術對球墨鑄鐵表面進行熔覆和合金化處理，可提高球墨鑄鐵表面硬度和耐磨性。常用的表面改性技術有熱噴涂、堆焊、激光表面合金化以及等離子束表面合金化等技術[5]。

1.1 熱噴涂

熱噴涂技術是利用燃燒的火焰、等離子弧以及電弧等提供的熱量將粉末狀、絲狀、帶狀或者棒狀的涂層材料(金屬或者非金屬材料)加熱到半熔融態(tài)或者熔融態(tài)，然后借助壓縮空氣以一定的速度噴射到預處理的基體表面，以較高的沉積速率形成具有耐蝕、耐磨和耐熱的合金涂層[6]。熱噴涂技術包含大氣等離子噴涂、超音速等離子噴涂、超音速空氣燃料噴涂、高速電弧噴涂、超低壓等離子噴涂和爆炸噴涂等[7]。

熱噴涂技術制備合金涂層不受涂層材料的限制，應用范圍廣，適于金屬、陶瓷、高分子等材料，能夠在基體材料表面沉積成厚度為微米級到毫米的合金涂層，而且適用于多種形狀和尺寸的基底材料并使其保持相對較低的溫度優(yōu)勢[7-8]。同時也存在一定的缺點，一是熱噴涂屬于熱處理工藝，在加工過程中需要考慮基體材料發(fā)生塑性變形的大?。欢腔w材料和噴涂涂層之間呈機械結合，如果結合強度較低，由于噴涂材料的熱脹冷縮必然導致孔隙的生成，耐磨性將會較差[9]。

1.2 焊接

焊接是制備表面合金涂層的傳統(tǒng)技術。根據(jù)焊接工藝不同，焊接包括焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊、等離子弧焊、電子束焊接、激光焊接和堆焊等[10-13]。其中，堆焊在表面合金化方面應用最廣，在表面工程領域中占有重要地位，可應用于采礦業(yè)、制糖廠、石油化工以及核能工業(yè)等[14]。焊接技術是借助高能量密度的熱源將具有獨特使用性能的合金涂料熔融成液態(tài)金屬沉積在基體材料表面，液態(tài)金屬與基體材料以原子結合的方式改變了基體材料的化學成分和微觀組織，從而獲得良好的耐磨、耐蝕及耐熱合金涂層[15-17]。堆焊可修復因磨損或腐蝕而失效的工件，延長工件的使用壽命。

1.3 激光合金化

激光合金化是將激光束照射在已涂覆具有一定特殊性能合金涂料的材料表面，利用激光束的熱量將材料表面和涂料加熱并熔融，隨后在冷卻凝固的過程中，材料表面形成新的微觀組織，進而形成具有耐蝕、耐熱等表面性能的合金涂層[18-19]。與傳統(tǒng)的表面改性技術(焊接和熱噴涂)相比，激光合金化對基體材料的熱影響較小、熱變形小，同時，又能使材料獲得良好的力學性能[20-21]。這是因為激光具有高能量密度，處理速度快，熔融熔池的合金以高達103～108K/s的冷卻速率形成非平衡凝固，生成亞穩(wěn)相；其次，由于是非平衡凝固，過飽和度增大，生成了過飽和組織，這是傳統(tǒng)加工技術無法企及的[22]。但是激光合金化也存在缺點，即與其他表面改性技術相比，激光合金化使用的設備成本偏高，尚不能廣泛推廣[23]。

1.4 激光熔覆

激光熔覆與激光合金化同屬于激光改性技術。同激光合金化相比，激光熔覆會使填充的合金材料完全熔化，而基體材料部分熔化，凝固后形成冶金結合界面[24]。另外，激光熔覆對基體的稀釋率較低和熱影響區(qū)較小，可減小工件變形，實現(xiàn)表面改性，在機械工業(yè)、石油化工等領域有著廣泛的應用前景[25]。但是，熔覆層質(zhì)量不穩(wěn)定，存在裂紋、氣孔等缺陷，并且成分、組織不均勻、自動化控制技術不夠成熟等是激光熔覆的主要缺點[26]。

J.B. Lyu等[3, 27]以球墨鑄鐵為基材，采用Nd:YAG固體脈沖激光器和連續(xù)CO2激光器在其表面制備高速鋼涂層。結果表明，兩種熔覆層的硬度分別是球墨鑄鐵硬度的2倍和3倍左右，采用CO2激光熔覆可以獲得更好的冶金結合性能、密度高、無裂紋的合金涂層。

1.5 等離子束合金化

等離子束合金化是以等離子束作為熱源，將涂抹在基體材料表面的合金涂料快速熔融，凝固后在工件表面形成一定厚度的合金層[28]。與激光束和電子束相比，等離子束合金化技術運行成本低，能源效率高，不需要真空環(huán)境和預處理，工藝簡單、易于操作等[29-30]。該技術中所使用的等離子體是一種特殊的氣態(tài)物質(zhì)，等離子束的電磁攪拌作用能夠使合金元素在合金熔池中分布更加均勻，而且化學活性高使其在表面強化領域中具有優(yōu)越的地位[31-32]。

2 球墨鑄鐵耐磨合金涂層

合金粉末是表面合金化處理必不可少的要素，在表面合金化處理中具有重要的作用，應依據(jù)工件的實際工作環(huán)境和經(jīng)濟實用性合理地選擇合金粉末[33]。此處以熱軋輥用球墨鑄鐵的表面合金化為例，詳細分析其合金涂層的分類及其性能差異，為球墨鑄鐵表面合金化奠定理論基礎。

眾所周知，熱軋輥區(qū)的工作環(huán)境惡劣，要長時間與高溫金屬板材接觸，同時又會受到冷卻介質(zhì)的激冷激熱作用，經(jīng)常會發(fā)生磨損失效和疲勞失效。為了延長熱軋輥使用壽命，提高其耐磨性是軋輥修復時首先要考慮的問題，在熱軋輥修復時，合金粉末的選擇尤為重要。

表面合金化用合金粉末種類繁多，隨著生產(chǎn)的發(fā)展，合金粉末體系不斷地完善，目前，應用最廣泛的合金粉末是自溶性金屬基合金粉末和陶瓷合金化粉末等[34]。

2.1 自溶性金屬基合金粉末

自溶性金屬基合金粉末是表面合金化中應用的最多的，常見的有鐵基合金粉末、鎳基合金粉末和鈷基合金粉末。

2.1.1鐵基合金粉末

鐵基合金粉末在表面工程中比較常見，這種合金粉末成本較低且具有良好的耐磨性，可用于延長經(jīng)受磨料磨損或者其他磨損條件下的組件的壽命[35]。在工廠中，鐵碳合金是大多數(shù)零部件的主要成分，零部件的元素組成、成分及熱膨脹系數(shù)與鐵基合金粉末接近，則鐵基合金涂層能夠與基體材料形成良好的結合界面，且潤濕性良好[36]。

李養(yǎng)良等[37]使用DL-T5000 型CO2激光器在 QT-500 球墨鑄鐵表面制備鐵基合金涂層，合金涂層的硬度相對于基體材料提高了2.5倍，摩擦磨損試驗后磨損量約是基體磨損量的1/3，球墨鑄鐵的耐磨性能提高。陳莉等[38]利用激光熔覆技術在球墨鑄鐵基體上制備鐵基自熔合金涂層，當掃描速度Vs為2.47 mm/s、送粉速度Vf為500 mg/s時，其耐磨性能達到最好。

2.1.2鎳基合金粉末

鎳基合金具有良好的耐熱、耐蝕以及較高的強韌性，而且鎳基合金涂層在高溫條件下會形成致密的氧化層，從而獲得優(yōu)異的耐磨性[39]，因此可對滾筒、凸輪、軋輥等[40]耐磨損零件進行預防性保護和修復。

F.Arias-González等[41]使用激光熔覆技術在球墨鑄鐵表面上制備了鎳基合金涂層，該涂層具有較高的硬度和良好的韌性。王碩煜等[42]使用激光合金化技術在QT-6300球墨鑄鐵表面制備了鎳基合金涂層，該合金涂層硬度高達720 HV0.1，并進行高溫摩擦磨損實驗，摩擦系數(shù)低至0.305、磨損率低至7.55×10-6g/(N·m)-1。李養(yǎng)良等[43]使用DL-T5000型CO2激光器在 QT-500 球墨鑄鐵表面制備鎳基合金涂層，合金涂層的硬度相對于基體球墨鑄鐵提高了5倍，在相同的條件下，球墨鑄鐵基體的磨損率將近是合金涂層磨損率的6倍，如表1所示。

表1 基體與熔覆層磨損量[43]

2.1.3鈷基合金粉末

鈷基合金粉末是以Co為主要元素，添加一定含量的合金元素Ni、Cr、W和少量非金屬元素C等制成自熔性合金涂層，具有良好的耐磨、耐蝕和耐高溫性能，常應用于電力設備、燃氣輪機、航空航天以及冶金化工等[44-45]設備中。童文輝等[46]在QT600-3球墨鑄鐵基材表面成功制備出CoCrW鈷基合金涂層，合金涂層的最高硬度達到1077 HV0.2，是球墨鑄鐵的硬度4倍以上，見圖1。R.Arabi Jeshvaghani等[47]采用TIG表面處理技術在球墨鑄鐵表面制備出厚度為3 mm的亞共晶鎢鉻鈷合金涂層，耐磨性和硬度均有所提高。

圖1 鈷基合金熔覆層橫截面顯微硬度分布[46]Fig.1 Microhardness distribution of cross-section of the cobalt-based alloy cladding layer

鐵基、鎳基和鈷基合金粉末是球墨鑄鐵表面處理比較常用的合金粉末，但隨著生產(chǎn)技術的進步和發(fā)展，這三種合金涂層的硬度及耐磨性仍需提高。

2.2 金屬陶瓷復合粉末

除了鐵基合金粉末、鎳基合金粉末和鈷基合金粉末等常用的球墨鑄鐵表面處理合金粉末外，金屬陶瓷復合粉末是另一種球墨鑄鐵表面處理所用到的合金粉末。

金屬陶瓷復合粉末是在自溶性鈷基合金、鎳基合金和鐵基合金的基礎上添加高硬度、高熔點的碳化物、氧化物和氮化物等陶瓷相[48]制成的混合型粉末。同單一的合金粉末相比，金屬陶瓷復合粉末結合了金屬粉末和陶瓷相的優(yōu)點，制成合金涂層后，硬度更高、熱穩(wěn)定性更好、抗磨損性更優(yōu)異[49]，常用于制造各種耐磨零件，如剎車盤、軋輥、發(fā)動機缸套以及活塞等。在航天航空、汽車工業(yè)制造、軌道交通等領域具有很大的應用前景[50]。

童文輝等[51]利用激光熔覆技術在球墨鑄鐵表面制備含有30%TiC的鈷基合金涂層，添加TiC后可使合金涂層的最高硬度達到1278.8 HV0.2。X.Zhou等[52]探索一種新型鐵基合金粉末，并加入陶瓷顆粒SiC，在球墨鑄鐵表面制備出厚度為60 μm的鐵基非晶合金涂層，合金涂層致密均勻，顯微硬度達到880 HV100，使得球墨鑄鐵表面的耐磨性得以大大提高。

3 合金元素耐磨作用機理

合金化處理改善球墨鑄鐵組織及耐磨性的原因可歸結為：1)合金元素和碳原位生成碳化物起到第二相強化作用；2)合金元素引起細晶強化和固溶強化等作用。表面合金化涂層中的第二相強化、細晶強化和固溶強化相輔相成，不可分割。

3.1 硬質(zhì)相-碳化物強化

采用合金化在球墨鑄鐵表面制備碳化物增強金屬基復合涂層是改善球墨鑄鐵耐磨性的常用方法。在合金化處理時，合金元素與球墨鑄鐵中的碳發(fā)生原位反應生成碳化物。原位反應生成的碳化物在作為增強相的同時還起到了異質(zhì)形核核心的作用，奧氏體以及共晶碳化物依附在碳化物上生長，形核率增加，晶粒細化[4]，如圖2所示；另外，合金元素與碳結合，加強了Fe-C原子之間的結合力，使碳原子游離析出，阻礙碳原子石墨化，其硬度和耐磨性進一步增加[1, 53]。

(a)高釩高速鋼梯度模型示意圖；(b)圖2(a)中A區(qū)域組織圖；(c)圖2(a)中B區(qū)域組織圖圖2 晶粒細化組織圖[4](a)schematic diagram of gradient model of high vanadium high speed steel;(b)microstructure of area A in Fig.2(a);(c)microstructure of area B in Fig.2(a)Fig.2 Grain refinement structure

3.2 細晶強化和固溶強化

根據(jù)霍爾-佩奇公式σs=σ0+kd-1/2可知，晶粒平均直徑越小，則材料的屈服強度越高；同時增大材料的塑性和韌性，是對材料進行強韌化處理的常用方法。在鑄鐵合金化處理時，合金元素作為異質(zhì)形核核心可提高結晶組織的形核率，故而可達到晶粒細化的效果[54]。而固溶強化則是借助附加手段，使鑄鐵中石墨溶解，然后再以較快的速度冷卻使其發(fā)生非平衡凝固，從而獲得過飽和固溶體，使鐵原子發(fā)生晶格畸變，位錯運動受阻，進而使材料強度增大。固溶強化過程中，合金元素與位錯交互作用，溶質(zhì)熔入溶劑會受到位錯的阻礙，同時，合金元素又會阻礙位錯移動，對位錯起到釘扎作用，可抑制合金發(fā)生塑性變形，實現(xiàn)材料強化。另外，某些合金元素具有與溶劑相同的晶體結構，易形成固溶體。合金元素固溶于奧氏體，具有穩(wěn)定奧氏體的作用，使 C曲線向右移動，Ms和Mf降低，淬透性提高，而合金層中生成大量的馬氏體，可使基體硬度及耐磨性提高[1, 55]。

合金化處理后球墨鑄鐵硬度和耐磨性提高是多因素綜合作用的結果，也是細晶強化、固溶強化及硬質(zhì)相碳化物強化共同作用的結果[4、5, 56]。

此外，H.Zhao等[57]利用等離子束合金化技術在球墨鑄鐵表面原位生成Cup/Fe涂層，其硬度和耐磨性均優(yōu)于基體，富Cu顆粒在進行摩擦實驗的過程中生成Cu膜對合金涂層發(fā)揮著減摩功能，從而提高了合金的耐磨性，如圖3所示。

(a)示意圖；(b) 富銅顆粒相；(c)銅變形層；(d)銅膜圖3 富銅顆粒減摩示意圖及組織演變圖[57](a)schematic diagram; (b)copper-rich particle phase; (c)copper plasticized layer;(d) Cu filmFig.3 Schematic diagram of friction reduction and tissue evolution of copper-rich particles

4 結論

傳統(tǒng)表面處理技術在球墨鑄鐵表面熔覆及合金化中得到應用和推廣；自溶性金屬基合金粉末和陶瓷合金化粉末成為球墨鑄鐵表面熔覆與表面合金化廣泛使用的合金粉末。在球墨鑄鐵表面制備出了潤濕性好、硬度高、耐磨性能優(yōu)異的耐磨涂層，是第二相強化、細晶強化和固溶強化等綜合作用的結果。研究和生產(chǎn)者可根據(jù)合金用途合理地選擇球墨鑄鐵表面處理方法和耐磨合金涂層體系。