電火花沉積鐵硼合金涂層的組織與性能研究

中圖分類號：TG177.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1004-4345（2025）03-0017-04

AbstractIron-boron aloycoatings were preparedby electro-sparkdeposition usingFe-Ballyaselectrode material inboth argonandargon-fre atmospheresrespectively.Themirostructureandpropertisofthetwocoatingswerecomparativelyinvestigated via metallographicicroscopyscaingelectronmicroscopy（SEM），andphaseanalysis.Keyfidingssho：thecoatingingofree atmosphere exhibitedoughersufaces，andthecoating inargonatmosphereshoweddenser microstructuresandsmothersufaces，yet developedsurfacecracks.BothcoatingsprimarilycontainedFeBphase，along withsmallamountsofmartensitephaseandFe3Bphase. ArgonatmospherecansuppresthedecompositionofFe3Bphase，makingthecoatingpreparedinargonatmospherecontainmoreFe3B phase.The maximummicrohardnessofcoatingspreparedinargonandargon-freeatmospheresare1146HVand138HVrespectively indicatingbothatingangiicantlymproveteardessofsubsrateaterialuttdepositiotmoshressallifuc on coating hardness.

Keywords electro-spark deposition; Fe₂B ; Fe-B alloys; hardness; coating

電火花沉積（Electro-SparkDeposition，ESD）是一種利用高能量密度的電能，沉積材料作為陽極，基體材料作為陰極，通過 100～2000Hz 頻率發(fā)生火花放電作用，瞬間釋放大量能量產(chǎn)生高溫，熔化電極材料，把作為電極的導(dǎo)電材料直接沉積到金屬工件表面，以獲得與基體呈現(xiàn)冶金結(jié)合的涂層制備工藝。沉積過程中，陰極與陽極的接觸，形成整個設(shè)備回路的開路與閉路。當(dāng)回路為閉合時，脈沖電源釋放出能量，熔化陽極材料，熔覆在陰極表面，涂層瞬間凝固，一次沉積結(jié)束，沉積涂層就此形成。由于其快速加熱、快速冷卻特點，為高性能涂層的制備提供了新途徑。

高玉新等2在P20模具鋼表面成功制備了厚度為 400～430μm 的 Ni-Cr 合金涂層，該涂層中下部為枝晶結(jié)構(gòu)，上部為納米晶結(jié)構(gòu)，表面硬度達(dá)983.3HV，耐磨性為基體的3.57倍;Wang等利用電火花沉積技術(shù)在ZL101鋁合金表面獲得Al-Si納米級涂層。研究結(jié)果表明，涂層的晶粒尺寸大小為 50nm ，^4h 浸蝕實驗發(fā)現(xiàn)，Al-Si涂層的腐蝕程度僅為基體材料的1/3，基體材料的耐腐蝕性能得到了顯著提高。

Fe₂B 是一種間隙型金屬間化合物，它的晶體結(jié)構(gòu)中同時擁有金屬鍵與共價鍵，使其優(yōu)異綜合性能：高硬度（1200HV＼～1680HV）、高熱穩(wěn)定性（熔點為1 389°C，800°C 下仍能保持高硬度， 600^°C 以下抗氧化性能較好）和良好的化學(xué)穩(wěn)定性（抗鹽酸、硫酸、磷酸及熔融鋅/鋁腐蝕）等優(yōu)點[4-。Selcuk等研究發(fā)現(xiàn)單相 Fe₂B 金屬間化合物滲層的硬度是滲碳層的3倍，磨損量僅為后者的1/22.5。然而， Fe₂B 晶體結(jié)構(gòu)中空間鍵絡(luò)分布的不均性導(dǎo)致其具有本質(zhì)脆性8，嚴(yán)重?fù)p害其力學(xué)性能及含 Fe₂B 相材料的使用壽命，制約其工程應(yīng)用。目前， Fe₂B 強(qiáng)化涂層主要通過等離子熔覆或氬弧熔覆制備，但高溫過程易引發(fā)粗晶與裂紋。本研究擬采用電火花沉積工藝制備超細(xì)晶的鐵硼合金涂層，重點研究有、無氬氣氣氛保護(hù)下制備電火花沉積涂層的組織與性能

1實驗方法

1.1電極材料制備與表征

以FeB粉與純Fe粉為原料，熔鑄制備成分為Fe-8.8%B 的鐵硼合金，并取尺寸為 ×7.5mm×70mm 的棒材作為合金電極進(jìn)行實驗。其電極材料的XRD衍射圖譜及微觀組織見圖1。

由圖1（a）可知，在該材料的衍射圖譜中僅可觀察到 Fe₂B 相的衍射峰，而未見其他物相的衍射峰，表明該電極材料中僅含 Fe₂B 相。然而，由Fe-B二元合金相圖可知，盡管 Fe-8.8%B 電極材料成分中的B含量極高，并且接近純 Fe₂B 中的B質(zhì)量分?jǐn)?shù)（ 8.83% ），但是該電極材料仍屬過共晶鐵硼合金，因此其微觀組織盡管以 Fe₂B 相為主，仍應(yīng)包含極少量的 ∝ -Fe相，如圖1（b）和1（c）所示。但由于 ∝ -Fe相的含量極低，以至于X射線衍射儀并未檢測出。

1.2涂層的電火花沉積制備

采用DL4000電火花沉積設(shè)備在45鋼表面制備鐵硼合金涂層。45鋼尺寸為 50mm×35mm×5mm ，沉積電壓為 200V ，電容為 300μF ，頻率為 4500Hz 氬氣作為保護(hù)氣體時，其流量為 10L/min ，電極的轉(zhuǎn)速 2600r/min 。

1.3 微觀組織與硬度分析

1）物相分析。采用 D/Max-2500X 射線衍射儀進(jìn)行物相分析，靶材為 Cu 靶衍射光源為 Kα 射線，波長為 0.154 18nm 速度為 2（^°）/min 、步長為 0.02^° 掃描范圍 2θ=25^°～85^°

2）顯微組織觀察及硬度測試。采用萊卡DM2700金相顯微鏡和Quanta-200型環(huán)境掃描電鏡進(jìn)行組織觀察。MK-VK型硬度計用于顯微硬度實驗，載荷為50N，保壓時長為 10s 。

2 結(jié)果與討論

2.1微觀組織

有、無氬氣保護(hù)氣氛下制備的鐵硼合金涂層的X射線衍射圖譜，如圖2所示。

由圖2可知，兩種涂層均主要由 Fe₂B 相組成，并含有少量馬氏體相和 Fe₃B 相。由各物相的XRD衍射峰強(qiáng)度對比可知，氬氣保護(hù)氣氛下制備的涂層含有更多的 Fe₃B 相， Fe₂B 相較少

結(jié)合謝樂公式 β=kλ/（Lcosθ） 、電極材料成分及兩種涂層的XRD衍射圖譜分析表明，電火花沉積過程使電極材料中的粗晶粒組織轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉又械某?xì)晶組織。涂層中形成的馬氏體相和 Fe₃B 相與電火花沉積工藝特點密切相關(guān)。這是由于電火花沉積是一個快速加熱（電極材料瞬間熔化）和快速冷卻（冷卻速度高達(dá) ^106°C/s 的過程。在此極高冷速下，熔體形核率高，但晶核來不及長大，極易結(jié)晶凝固形成超細(xì)晶組織。與之類似，電極材料中的鐵素體經(jīng)快速加熱奧氏體化后，在隨后的極冷過程中完全轉(zhuǎn)變成馬氏體。此外，電極材料中不含 Fe₃B ，而經(jīng)過電火花沉積后涂層中卻出現(xiàn) Fe₃B ，表明在電火花沉積過程中

Fe和 Fe₂B 發(fā)生反應(yīng)生成了 Fe₃B 。而無氬氣保護(hù)氣氛的試樣中 Fe₃B 相的含量比較少，是因為有部分Fe₃B 和 O₂ 發(fā)生了分解反應(yīng)。

電火花沉積鐵硼合金涂層的表面宏觀形貌及微觀形貌見圖3、圖4。

圖3電火花沉積鐵硼合金涂層的表面宏觀形貌

由圖3（a）可知，在氬氣保護(hù)氣氛下制備的涂層表面光滑、均勻、致密、顏色較淺；由圖3（b）可知，無氬氣保護(hù)氣氛下制備的涂層表面凹凸不平，存在類似液滴形狀，且顏色較黑

由圖4（a）可知，在氬氣保護(hù)氣氛下沉積涂層表面光滑，組織均勻，但存在裂紋。圖4（b）顯示其表面存在細(xì)小、不平整區(qū)域。由圖4（c）可見，無氬氣保護(hù)的電火花沉積涂層表面不平整，存在大量類似小水滴狀的形態(tài)。圖4（d）則顯示該涂層表面存在大量裂紋。

根據(jù)電火花沉積技術(shù)原理，高能量電能以 100～ 2000Hz 的頻率放電，將導(dǎo)電電極材料熔化并沉積到基體表面，然后迅速冷卻形成強(qiáng)化層。該過程在短時間內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度（近 8000^°C ），若直接暴露在空氣中，高溫不僅會熔化電極材料，還可能熔化部分基體材料，并在表面形成類似于小水珠的形態(tài)。在高速旋轉(zhuǎn)電極的攪拌力作用下，小水珠變?yōu)闉R射狀，如圖4（c）所示[12-13]，隨后迅速冷卻凝固，從而導(dǎo)致表面形態(tài)粗糙。同時，由于直接暴露在空氣中，電極材料會與空氣發(fā)生氧化反應(yīng)，基體材料也會受到影響，最終使涂層表面呈現(xiàn)灰黑色，如圖3（b）所示。相比之下，氬氣保護(hù)可防止氧化反應(yīng)發(fā)生，從而獲得表面光滑、組織結(jié)構(gòu)均勻致密的涂層。電火花沉積鐵硼合金涂層的截面微觀形貌見圖5。

由圖5可知，有氬氣保護(hù)氣氛比無氬氣保護(hù)氣氛下制備的涂層組織結(jié)構(gòu)更均勻。有氬氣保護(hù)下制備的涂層出現(xiàn)裂紋，其產(chǎn)生與脈沖電源多次放電累積的熱應(yīng)力有關(guān)[4。電火花沉積過程涉及脈沖電源的多次放電，且每次放電時間極短，導(dǎo)致沉積層中熔點較低的部位經(jīng)歷反復(fù)熔合與開裂。無氬氣保護(hù)氣氛下制備的涂層的組織結(jié)構(gòu)不均勻，但裂紋較少。有氬氣保護(hù)氣氛下制備的沉積涂層的組織結(jié)構(gòu)和厚度相對均勻，但由于內(nèi)、外層冷卻速度不一致，內(nèi)部熱能不易釋放，易產(chǎn)生裂紋；而無氬氣保護(hù)氣氛下制備的沉積涂層組織結(jié)構(gòu)和厚度不均勻，散熱傾向于向涂層較薄處進(jìn)行，反而不易產(chǎn)生裂紋。無氬氣保護(hù)氣氛下制備的沉積涂層組織中存在黑點，可能源于電火花沉積過程中電極材料的氧化反應(yīng)，以及沉積槍攪拌導(dǎo)致未凝固材料的濺射。上述缺陷均影響沉積涂層的耐磨性、耐腐蝕性、熱硬性等性能

2.2硬度

有、無氬氣保護(hù)氣氛下制備的鐵硼合金涂層的硬度與表面距離關(guān)系，如圖6所示。

由圖6可知，兩種涂層最表面的硬度較高，可確定為涂層區(qū)；隨著距表面距離的增加，硬度逐漸降低至較低水平，可確定為基體區(qū)；兩區(qū)之間則為過渡區(qū)。氬氣保護(hù)氣氛制備的涂層的過渡區(qū)硬度由高到低下降相對平穩(wěn)；無氬氣保護(hù)氣氛制備的涂層的過渡區(qū)硬度在靠近涂層區(qū)處先出現(xiàn)峰值，然后平穩(wěn)下降，這可能是靠近涂層區(qū)發(fā)生氧化反應(yīng)所致。前者最大硬度為 1146HV ，是基體材料硬度的6.7倍；后者最大硬度為 1138HV ，是基體材料硬度的6.6倍。表明兩種涂層都能顯著提高基本材料的硬度，但是否有氬氣保護(hù)氣氛對涂層的硬度影響較小。綜合前述兩種保護(hù)氣氛下制備的涂層的表面形貌分析可知，氬氣保護(hù)氣氛有利于制備厚度較均勻、缺陷較少的涂層，從而提升涂層的耐磨性、耐腐蝕性和熱硬性等性能

3結(jié)論

本文采用電火花沉積工藝在有、無氬氣保護(hù)氣氛下制備了鐵硼合金涂層。研究表明，有氬氣保護(hù)氣氛下制備的涂層呈現(xiàn)致密均勻結(jié)構(gòu)，表面平整度顯著優(yōu)于無氬氣保護(hù)氣氛下制備的涂層。氬氣氣氛環(huán)境中導(dǎo)致熱應(yīng)力累積引起涂層表面出現(xiàn)裂紋，無氬氣保護(hù)氣氛制備的涂層因非均勻散熱反而裂紋較少。兩種涂層均實現(xiàn)晶粒超細(xì)化轉(zhuǎn)變，主相為 Fe₂B ，并伴隨新相生成電極材料中原不存在的馬氏體和Fe₃B 。氬氣氣氛能抑制 Fe₃B 相的分解，使其在涂層中占比顯著高于無氬氣保護(hù)氣氛制備的涂層。而無氬氣條件下 Fe₃B 因氧化反應(yīng)部分分解，同時表面氧化導(dǎo)致組織出現(xiàn)黑色缺陷。氬氣保護(hù)涂層峰值硬度為 1 146HV ，無氬氣涂層為 1 138HV ，表明兩種涂層都能顯著提高基體材料的硬度，但是否有氬氣保護(hù)氣氛對涂層的硬度影響較小。同時，氬氣涂層因結(jié)構(gòu)致密性更利于耐磨/耐蝕性提升，無氬氣涂層雖裂紋少，但氧化缺陷與表面粗糙將嚴(yán)重?fù)p害綜合性能。

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