La2O3對電火花沉積Fe基涂層組織和耐磨性能的影響

孫又銀，高玉新，程 虎

(1. 日照職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院，山東 日照 276826；2. 浙江省工量刃具檢測與深加工技術(shù)研究重點實驗室，浙江 臺州 318000)

0 前 言

鐵基、鎳基和鈷基合金常用于對磨損失效后的機械零部件及模具進行表面修復，以延長其服役周期。鐵基合金與鎳基、鈷基合金相比，由于其成分和熱膨脹系數(shù)與基體相近，更易于和基材形成冶金結(jié)合，且價格低廉，在模具及機械零部件的磨損修復領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。電火花沉積工藝具有靈活簡便、沉積層與基材能實現(xiàn)冶金結(jié)合且對基材熱影響極小等特點，因此，利用電火花沉積工藝制備鐵基合金涂層是一種高效、經(jīng)濟的模具及零部件表面再制造技術(shù)，但該技術(shù)由于受自身工藝限制，沉積層存在較多孔洞、裂紋及夾雜等缺陷[4-6]，導致修復質(zhì)量下降，阻礙了該技術(shù)在表面再制造工程中的進一步應(yīng)用。

近年來，研究者利用激光熔覆[7, 8]、等離子熔覆[9]及熱噴涂[10]技術(shù)，在鐵基、鎳基合金中添加少量稀土氧化物(La2O3、Ce2O)制備了耐磨、耐蝕涂層。研究表明，稀土元素的化學活性提高了冶金質(zhì)量，使涂層硬度及耐磨性能得到提高。但目前利用電火花沉積技術(shù)制備稀土摻雜鐵基涂層，并探索稀土元素對沉積層的組織及耐磨性能的影響的研究少有報道。為此，本工作在前期研究[11, 12]基礎(chǔ)上，制備了電火花沉積La2O3摻雜(Fe/La2O3)鐵基涂層，考察稀土氧化物La2O3對沉積層組織及耐磨性能的影響，以拓展電火花沉積技術(shù)在機械零部件及模具精密修復領(lǐng)域中的應(yīng)用。

1 試 驗

1.1 試驗材料

基體材料選取3Cr2Mo鋼，其化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為：0.37C，0.30Si，1.00Mn，1.90Cr，0.50Mo，其余為Fe。將其加工成尺寸為40 mm×40 mm×5 mm的方塊，并用平面磨床磨平。沉積電極材料采用Fe55合金(0.87C, 3.53Si, 3.76B, 16.56Cr, 11.09Ni, Fe 余量)粉末添加2.0%(質(zhì)量分數(shù))La2O3[12]，利用真空電弧熔鑄爐(型號DHL - 1250)將上述混合粉末熔鑄成直徑為5 mm的電火花沉積電極。

1.2 涂層制備

采用DZS - 1400型電火花沉積設(shè)備在基材表面分別制備Fe基和La2O3摻雜Fe基(Fe/La2O3)涂層，選取的工藝參數(shù)為：功率 900 W；電壓 60 V；頻率 1 000 Hz；氬氣流量5 L/min；生產(chǎn)率 1.5 min/cm2。沉積工藝實施時，電極保持勻速圓周運動的同時在基體表面進行直線往復運動。

1.3 分析及測試方法

采用HT - 600型摩擦磨損試驗機分別對電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層試樣進行室溫球盤式干滑動磨損試驗。對摩副為直徑5 mm的YG8硬質(zhì)合金球，磨擦試驗條件：法向載荷15 N，轉(zhuǎn)速600 r/min，轉(zhuǎn)動半徑為5 mm，時間30 min。摩擦試驗正式開始之前，試樣先在法向載荷15 N、轉(zhuǎn)速600 r/min條件下進行5 min的跑合。涂層的耐磨性能采用磨損體積Vω進行評價[12]，用三維形貌儀測量磨損表面的磨痕寬度和深度，然后按式(1)所示公式計算Vω。每個試樣取3次測量的平均值作為最終磨損體積。

(1)

式中：h為磨痕深度，μm；b為磨痕寬度，mm；r為磨痕軌道半徑，mm。

采用X射線衍射儀(布魯克D8)分析Fe基和Fe/La2O3涂層的相組成；采用掃描電鏡(日立S - 4800)觀察Fe基和Fe/La2O3涂層的組織特征、磨損形貌和磨損試驗結(jié)束后收集的磨粒的形貌；采用顯微硬度計(HVS - 1000型)測量Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的硬度，測試載荷為0.1 N ，加載時間為15 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層物相分析

圖1為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的XRD譜。從圖1可知，2種涂層的主要物相為γ - (Fe, Ni)固溶體及Cr7C3、CrB、Fe3C硬質(zhì)相[11]。La2O3的添加促使新物相CrC、LaNi4Si的生成。另外，F(xiàn)e/La2O3涂層中在新的峰位出現(xiàn)了Cr7C3相，且Cr7C3、CrB硬質(zhì)相衍射峰強度變大，這可能導致其在涂層中含量增加，利于提高涂層的耐磨性能。

圖1 沉積層的XRD譜Fig. 1 XRD spectra of Fe based coatings without La2O3 and with 2.0% La2O3

2.2 涂層的組織結(jié)構(gòu)

圖2為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的組織形貌，由于電火花沉積工藝對基體熱輸入很小，涂層與基材界面并無明顯的熱影響區(qū)。從圖2a和圖2b對比可知，電火花沉積Fe基涂層中存在較多的裂紋和孔洞，而Fe/La2O3涂層中裂紋大大減少，局部區(qū)域存在深度較淺的微裂紋，未見明顯的孔洞。圖2c和圖2d為涂層近界面處的組織形貌，F(xiàn)e基涂層界面處為垂直界面生長的樹枝晶結(jié)構(gòu)，枝晶組織外圍為超細晶粒結(jié)構(gòu)；Fe/La2O3涂層近界面為超細晶粒結(jié)構(gòu)，而遠離界面10～15 μm處可見晶粒尺寸較大的蓮藕網(wǎng)狀組織結(jié)構(gòu)。圖2e和圖2f為涂層橫截面中部區(qū)域的組織形貌，電火花沉積Fe基涂層中部區(qū)域存在重熔區(qū)，其組織為細小的枝晶組織；而Fe/La2O3涂層中部區(qū)域為蓮藕狀互聯(lián)的網(wǎng)狀組織，其晶粒尺寸比Fe基涂層大(圖2f)。圖2g和圖2h為涂層橫截面上部區(qū)域(近涂層表面)的組織形貌，由圖2g和圖2h可知，F(xiàn)e基和Fe/La2O3涂層上部區(qū)域均為超細晶粒結(jié)構(gòu)，F(xiàn)e基涂層上部形貌仍可見組織重熔特征，局部仍可見細小枝晶；而Fe/La2O3涂層上部區(qū)域與中部區(qū)域(圖2f)組織相近，為蓮藕狀互聯(lián)的網(wǎng)狀組織，但晶粒尺寸更加細小。

圖2 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面SEM形貌Fig. 2 SEM micrographs of cross - section of Fe based coatings

電火花沉積Fe基涂層中的裂紋、孔洞及夾雜物等缺陷會嚴重影響其使用性能。電火花沉積是一種等離子微弧堆焊工藝，工藝實施時放電微弧的均勻性與涂層表面平整性有關(guān)，已沉積表面如果存在粗糙度大的微凸體，旋轉(zhuǎn)電極與微凸體之間的放電微弧有可能變?yōu)橛泻Φ霓D(zhuǎn)移電弧，使電極過熱，導致已沉積涂層發(fā)生重熔(圖2e)，且沉積電極的過熱亦會使涂層產(chǎn)生較多的裂紋(圖2a)。Fe基合金電極中添加適量La2O3后，由于其高化學活性，增加了沉積時液態(tài)金屬的流動性[9]，使其極易與合金中的 O 、S 、P 等雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)生成夾雜物(化合物)，且尺寸變得更為細小，呈彌散分布，這就降低了沉積過程中尺寸較大的不規(guī)則形狀夾雜物對放電微弧的影響，使電極與基體之間的放電微弧均勻、連續(xù)，提高了涂層的冶金質(zhì)量。因此，F(xiàn)e/La2O3涂層中的裂紋及孔洞大大減少(圖2b)，同時，均勻、連續(xù)的放電微弧使電極不易產(chǎn)生過熱，沉積層之間難以發(fā)生較嚴重的重熔(圖2f和圖2h)，涂層組織變得均勻連續(xù)。

2.3 涂層的硬度

圖3為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的硬度分布曲線。

由圖3可知，電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的硬度呈梯度分布，在靠近涂層表面區(qū)域，F(xiàn)e/La2O3涂層的硬度比Fe基涂層高約40 HV0.1 N，在涂層中下部區(qū)域，F(xiàn)e/La2O3涂層的硬度比Fe基涂層高約60 HV0.1 N；Fe基涂層中下部區(qū)域存在較多的裂紋、孔洞等缺陷(圖2a)，導致其硬度相比Fe/La2O3涂層下降較多。Fe/La2O3涂層中由于稀土元素的作用使涂層中的裂紋、孔洞、夾雜等缺陷大大減少，涂層組織變得均勻、連續(xù)，冶金質(zhì)量得到改善(圖2b～2h)；同時由于稀土的化學活性作用導致涂層中析出了較多的Cr7C3、CrB、Fe3C硬質(zhì)相(圖1)，這些硬質(zhì)相的存在也可能使Fe/La2O3涂層的整體硬度得到提高。

圖3 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層橫截面的硬度分布Fig. 3 Microhardness of Fe based coatings with and without La2O3

2.4 涂層的耐磨性能及磨損機理

由式(1)計算得出Fe/La2O3涂層的磨損體積為0.373 mm3，F(xiàn)e基涂層的磨損體積為0.692 mm3，F(xiàn)e/La2O3涂層的耐磨性能比Fe基涂層提高了約86%。圖4為電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的磨損形貌，從圖4可知，F(xiàn)e基和Fe/La2O3涂層的磨損表面均產(chǎn)生了塑性變形，其磨損機理以磨粒磨損為主。

圖4 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的磨損表面形貌Fig. 4 SEM micrographs of the worn surface of Fe based coatings with and without La2O3

在磨粒磨損中，材料表面的塑性變形表現(xiàn)為犁削、堆積和微切削等形式，磨損表面材料的移除方式主要有2種：一是塑性變形引起的犁削效應(yīng)和微切削，另外一種是斷裂[13]。圖4a顯示Fe基涂層的磨損表面存在較深的犁溝，并產(chǎn)生了較嚴重的塑性變形。由于Fe基涂層中存在較多的微裂紋、孔洞、夾雜等缺陷(圖2a、圖4a)，這些缺陷往往會成為裂紋源，涂層在摩擦過程中受到對摩副的法向應(yīng)力和切向應(yīng)力的反復作用而引起應(yīng)力集中，從而在涂層中產(chǎn)生較深、較長的裂紋，隨著摩擦過程的進行，這些裂紋擴展、連接，導致涂層發(fā)生剝落。從圖5a電火花沉積Fe基涂層磨損后的磨粒形貌可知，磨粒中存在犁削產(chǎn)生的長條狀磨粒及磨損斷裂產(chǎn)生的片狀磨粒，涂層磨損較為嚴重，導致Fe基涂層磨損體積增加。圖4b顯示Fe/La2O3涂層的磨損表面比較光滑，呈現(xiàn)微切削痕跡，塑性變形輕微，局部存在由于摩擦過程中黏著磨損產(chǎn)生的淺坑。從圖5b Fe/La2O3涂層的磨粒形貌可知，磨粒主要呈細小顆粒狀，這說明Fe/La2O3涂層摩擦過程中材料的移除較輕微，耐磨性能得到提高。另外，硬度對涂層的耐磨性能也有重要影響，但從本試驗來看，F(xiàn)e/La2O3涂層的硬度相比Fe基涂層提高有限。由于稀土的化學活性作用使涂層中的有害夾雜物、孔洞、裂紋等缺陷減少，提高了冶金質(zhì)量，組織更加均勻，在摩擦過程中塑性變形輕微，這是Fe/La2O3涂層耐磨性能提高的主要因素。

圖5 電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層磨損后的磨粒形貌Fig. 5 SEM micrographs of the wear debris from Fe based coatings with and without La2O3

3 結(jié) 論

(1)稀土氧化物La2O3的添加能夠提高Fe基涂層的冶金質(zhì)量，使涂層中的有害夾雜物、裂紋、孔洞大大減少，涂層組織變得均勻、連續(xù)。

(2)La2O3的添加雖然對Fe基涂層的硬度影響有限，但摩擦試驗證明其能夠降低涂層的磨損體積，使涂層的耐磨性能提高了約86%。

(3)電火花沉積Fe基和Fe/La2O3涂層的磨損機理以磨粒磨損為主，La2O3的添加改變了涂層摩擦過程中材料的移除機制：Fe基涂層為犁削，而Fe/La2O3涂層為微切削。