高速电弧喷涂Fe 基涂层的耐磨性能研究

丁怀博，刘成威，陈嘉诚，王惠生，吴树辉，覃恩伟，王博，黄骞，陆海峰，邓春银

(1.中广核铀业发展有限公司,北京100029 2.苏州热工研究院有限公司,苏州 215004)

关键字:高速电弧喷涂；Fe 基涂层；微观组织结构；耐磨性；磨损机制

0 引言

热喷涂技术在国民经济建设中发挥着重要的作用，广泛用于材料表面的强化，提高材料的耐腐蚀、耐磨损等性能[1-3]。热喷涂是利用特定热源将材料加热至熔融或者是半熔融状态，在气流的作用下将熔滴以一定的速度喷射到基材表面，形成表面强化层的一种工艺[4-5]。常见的热喷涂方式包括电弧喷涂[6]、火焰喷涂[7]、等离子喷涂[8]、爆炸喷涂[9]等热喷涂技术。其中高速电弧喷涂因其喷涂生产效率高、成本低、操作简易以及灵活便捷有利于现场施工，在工程现场作业领域被广泛应用[10-12]。

高速电弧喷涂技术是再制造工程的关键技术之一，经过长期的发展和完善，喷涂工艺和喷涂材料都得到很大提高。在上世纪末，粉芯丝材的出现，因其成分可调，结合高速电弧喷涂灵活方便、生产效率高等优势，拓宽了高速电弧喷涂的应用领域，使得在石油化工、水力机械、火力发电及供热等工业领域被广泛推广，用于工业领域零部件的表面修复及强化[13-14]。对于要求具有耐磨性工况应用的场景，Fe 基合金因其成本较低、优异的机械性能等特点，被广泛应用[15]，经研究发现，通过向Fe 基合金中添加硬质相元素，采用高速电弧喷涂技术制备涂层，可大大提高涂层的耐磨性能[16]，比如添加B、C 等硬质相元素[17]。Son 等人[18]研究结果显示硬质相B、C 元素的添加，在FeCr 固溶体中会生成Cr2B、Fe2B 等硬质相，由于这些硼化物非常坚硬，稳定性好、耐腐蚀，增强了合金的机械性能，合金的硬度、高耐磨性和耐腐蚀性是不锈钢的2～5 倍。Yuksel 等人[19]研究了硬质相的元素含量对涂层耐磨性能的影响，研究结果表明硬质相元素含量的增加，使得涂层的磨损量降低，有效提高涂层的耐磨性能。高振等人[20]研究了涂层的摩擦磨损特性，结果显示涂层的磨痕深度远小于基体，说明了涂层相对于基体具有更优异的耐磨性。Guo 等人[21]研究了高速电弧喷涂Fe 基涂层的微观形貌，结果显示喷涂层呈典型的片层状结构，在相隔片层之间存在有氧化物和孔隙等缺陷,这些缺陷会降低涂层的耐磨性能。

本文研究采用粉芯丝材和高速电弧喷涂技术，在低碳钢基体上制备FeBCSi 喷涂涂层，研究分析了涂层的显微组织、基体到涂层的微观硬度变化以及涂层的耐磨性能，并探究了基体与涂层的磨损机理。

1 试验材料及方法

1.1 材料及工艺

基体材料选用的是低碳钢20G 钢，试样尺寸为100 mm×100 mm×10 mm，喷涂材料采用的是电弧喷涂粉芯丝材。丝材成分：Fe 余量、Cr12%、B7%、C1.85%以及Si 痕量。粉芯丝材是通过连续的轧制、拉伸等变形工序，实现丝材的包覆、合圆及减径，生产出一定规格的粉芯丝材，粉芯丝材的微观形貌如图1 所示。

图1 粉芯丝材的微观形貌;(a) 丝材形貌；(b) 填充的粉末形貌Fig.1 Micromorphology of powder-cored wires:(a) wires morphology;(b) filling powder morphology

采用ZPG-400 型高速电弧喷涂设备进行电弧喷涂，喷涂前对基材表面进行预处理，去除基材表面的油污、氧化皮等杂质，净化基材表面，并形成凹凸不平的粗糙面，为熔融或半熔融态的喷涂粒子提供抛锚点。喷砂工艺参数：空气压力0.6～0.8 MPa、喷砂距离150～200 mm、喷砂角度70°～80°；喷涂工艺参数：喷涂电压40～45V，喷涂电流250～300A，空气压力0.6～0.8 MPa，喷涂距离150～200 mm，喷涂角度80°～100°。

1.2 结构表征及性能检测

采用ZEISS Axi Observer A3 型金相显微镜观察涂层的微观形貌，利用Image J 定量分析软件测量涂层内部的孔隙率。采用Tescan VEGA TS 型场发射扫描电子显微镜观察摩擦磨损试验后基体和涂层磨损后的微观形貌。采用Qness Q10A+型维氏硬度计测量涂层的微观硬度，载荷为0.3 kg，保载时间10 s。

采用HT-500 型摩擦磨损试验机对涂层进行磨损试验，为球-盘摩擦方式，对磨材料为Ø5 mm的Si3N4球，试验条件为对磨半径2 mm，载荷6.17 N，转速560 rpm，对磨时间5 min，总滑动距离为35.17 m。每次摩擦试验前后，经超声清洗和干燥，使用精度为10-4g 的电子天平测量试样的质量损失。该试验条件重复5 次，所得磨损率是5 次试验的平均值。采用Bruker GT 型白光干涉仪对磨痕进行三维形貌分析。

2 结果与讨论

2.1 涂层的显微组织结构

采用石英砂对待喷涂表面进行清洁和粗化处理，形成凹凸不平的粗糙面，在压缩空气的作用下，熔融或半熔融态的粒子喷射到基体表面，冷凝收缩时在粗糙面处与基体相互咬合，形成机械结合。图2 为涂层横截面的显微组织形貌，从图中可以看出，涂层呈典型的片层状结构，涂层内部存在有少量的氧化物，涂层较为致密，涂层的孔隙率为1.75±0.22%（体积分数）。因为熔滴在压缩空气的作用下撞击到基材表面铺展凝固形成片状，后续粒子不断堆垛沉积，使得涂层呈片层状结构。在喷涂过程中，高速飞行的高温熔滴不可避免的发生氧化，撞击到基材表面时，会在层间夹杂氧化物。飞行过程中熔滴粒子具有不同的温度和速度，使得粒子的铺展、润湿和堆积过程也存在差异，出现不完全融合现象，同时熔滴的快速冷却使得气体来不及逸出，都会导致形成孔隙，同时，熔滴在快速冷却成形过程中，由于温度和热物性参数的差异会产生热应力，使得涂层内部出现热裂纹或冷裂纹[22]。

图2 涂层的横截面组织形貌：(a)低倍；(b) 高倍Fig.2 Cross-section micrograph of coating:(a) low magnification;(b) high magnification

图3 为涂层的XRD 图谱，从图中可以看出，涂层主要是由 FeCr 固溶体、Fe 和 Cr 的氧化物、硼化物以及碳化物组成，其中硼化物和碳化物等硬质相分布于涂层中，增加了涂层的硬度，提高了涂层的耐磨性能。

图3 涂层的XRD 图谱Fig.3 XRD patterns of the coating

2.2 涂层的微观硬度

图4 为从涂层表面到基体的微观硬度变化，从图中可以看出，涂层的平均微观硬度为591.64±29.58 HV0.3，基体的平均微观硬度为168.60±16.43 HV0.3，涂层的微观硬度高于基体，因为在涂层中弥散分布有硼化物等其他硬质相，可以增强涂层的微观硬度。从图中还可以看出，在相同载荷以及恒载时间下，涂层上留下的压痕小于基体上的压痕，这也说明了，涂层的微观硬度大于基体。并且涂层的微观硬度在一定范围内浮动，主要因为喷涂过程中在涂层内部会形成松散的氧化物、孔隙等微观缺陷，这会降低涂层局部的微观硬度。Habib 等人[23]的研究结果表明熔融粒子的温度和速度影响了涂层内部的氧化物含量以及涂层的致密度，这都会导致涂层局部微观硬度的变化，这与图4 中的研究结果是相似的。涂层的硬度可以反映其耐磨性能，硬度越高，耐磨性越好[24]。

图4 从涂层表面到基体的微观硬度变化Fig.4 Changes of microhardness from coating to substrate

2.3 涂层的摩擦磨损性能

2.3.1 摩擦系数

图5 展示了涂层与基体的摩擦系数曲线以及磨损量，从图5(a)中可知，在摩擦磨损初期，由于磨损试样经过抛光处理，表面的粗糙度较小，摩擦产生的阻力也较低，使得摩擦系数的数值较低。随着摩擦磨损试验的进行，摩擦系数曲线逐渐趋于平稳，涂层的摩擦系数低于基体，涂层的摩擦系数约为0.472，基体的摩擦系数约为0.748。主要是因为涂层在磨损过程中，由于硬质相的存在，会使涂层产生磨粒磨损，硬质相颗粒起到一定的润滑作用，使得涂层的摩擦系数较低，并且涂层中硬质相弥散分布韧性相中，在磨损过程中，韧性相先被磨损，其硬质点漏出，导致涂层的摩擦系数出现波动。对磨材料Si3N4相对基体材料来说，其硬度较高，在磨损过程中切削基体，在较高摩擦温度下，基体会产生一定的粘着，导致基体的摩擦系数较高。由图5(b) 可知，在相同磨损条件下，涂层与基体的磨损质量损失，分别为17.62±0.88 mg 和82.36±4.12 mg，涂层的质量损失低于基体材料。主要是涂层中存在有硼化物等硬质相，使得涂层的磨损量相对基体来说降低了78.61%，显示出了涂层具有较好的耐磨性能。

图5 涂层与基体的摩擦系数和磨损量：(a)摩擦系数；(b)磨损量Fig.5 The friction coefficient and wear loss between coating and substrate:(a) friction coefficient;(b) wear loss

2.3.2 磨损形貌

为了直观的观察基体与涂层摩擦磨损后的表面形貌，更好的分析基体与涂层的耐磨性能，通过采用白光干涉仪对试样磨损后表面的三维形貌进行了测量分析。图6 为基体与涂层的三维磨痕形貌，从图中可以看出，在相同载荷和加载时间下，对磨球对基体进行切削，在表面留下一条较深的沟槽，切削下来的基体材料在对磨球的挤压下，在沟槽边缘形成一个凸型轮廓，而涂层表面只留下一层较浅的磨痕，并残留一些脱落的断裂层。因为涂层的硬度高于基体的硬度，使得涂层的耐磨性能较好，涂层相对于基体材料来说，其磨损痕迹相对较浅，没有较深的沟槽。

图6 三维磨痕形貌：(a)基体；(b)涂层Fig.6 Three-dimensional wear morphology:(a) substrate;(b) coating

为了更为直观的观察基体与涂层的磨痕形貌，通过磨痕的轮廓曲线定量分析了磨痕的深度和宽度，如图7 和表1 所示。从图7 和表1 中可以看出，基体磨痕的宽度和深度分别为296.83±14.64 μm、2.69±0.23 μm，磨痕较深、宽度较窄，主要是因为基体的硬度较低，对磨球切削基体表面，形成较深的犁沟。涂层的磨痕的深度和宽度分别为474.60±22.38 μm、1.02±0.08 μm，磨痕较浅、宽度较宽，因为涂层具有较大的硬度，表面不容易被切削形成较浅的沟槽，但涂层表层因硬度较大而发生脆裂脱落，导致宽度较大，硬度越大，这个现象会越明显。

图7 基体与涂层的磨痕轮廓曲线Fig.7 Wear grooves profile curve of substrate and coating

表1 基体与涂层磨痕的深度和宽度Table 1 Depth and width of wear grooves of substrate and coating

2.3.3 磨损机理

磨料磨损和粘着磨损是材料在磨损过程中常见的两种磨损形式，在实际磨损过程中，几种磨损形式是同时共存的，但是某种磨损机制会占据主导地位[25-26]。

图8 为基体与涂层的磨损形貌，从图中可以看出，基体因硬度较低，表面被对磨球切削，并且切削下来的材料在摩擦高温下被氧化、软化，生成氧化物附着在磨损表面，发生粘着磨损。涂层因硬度较大，在磨损过程中表层的涂层发生脆裂、剥落现象，并且脆裂过程中产生的部分硬质磨粒充当磨料，发生磨料磨损。

图8 基体和涂层的磨损形貌：(a) 基体；(b) 涂层Fig.8 Wear morphology of substrate and coating:(a) matrix;(b) coating

3 结论

本文采用高速电弧喷涂技术在基体低碳钢表面制备FeBCSi 耐磨喷涂涂层，研究了涂层的组织形貌、微观硬度以及摩擦磨损性能，并对其磨损机制进行了分析，主要结论如下：

(1) 高速电弧喷涂制备的涂层呈典型的片层状结构，在涂层内部存有少量的氧孔隙、氧化物以及微观裂纹等缺陷，涂层较为致密，孔隙率为1.75±0.22%。

(2) 从基体到涂层表层的微观硬度是增加的，涂层的平均微观硬度为591.64±29.58 HV0.3，基体的平均微观硬度为168.60±16.43 HV0.3，涂层的硬度大约是基体硬度的四倍左右，主要是硼化物等硬质相提高了涂层的微观硬度。

(3) 在相同摩擦磨损条件下，涂层的磨损量相对基体来说降低了78.61%，在磨损过程中，对磨球切削基体表面，形成宽度为296 μm、深度为2.69 μm 深的犁沟，涂层因具有较大的硬度，表面不容易被切削形成较浅的沟槽，并发生脆裂、剥落，所以涂层的磨痕深度较浅、宽度较大。

(4) 在摩擦磨损过程中，基体表面被对磨球切削下来的材料在摩擦产生的高温下被氧化、软化，生成氧化物，发生粘着磨损。而涂层硬度较大，在脆裂过程中产生硬质磨粒，发生磨料磨损，因此，基体与涂层的磨损机制由粘着磨损向磨料磨损转变。