第１Ｏ卷第４期 ２Ｏ１０年８月 潍坊学院学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｗｅｉｆａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖｏｌ＿ｌ０ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．２０１０ 等离子熔覆高铬铁基涂层高温耐磨性与耐空蚀性 刘均波 （潍坊学院，山东潍坊２６１０６１） 摘 要：采用等离子熔覆工艺，以Ｆｅ—Ｃｒ—Ｃ—ｗ—Ｎｉ复合粉末为原料；在Ｑ２３５钢基材表面制备了 高铬铁基复合涂层。测试了涂层的高温耐磨性和耐空蚀性。结果表明，涂层中含有大量硬质耐磨相（Ｃｒ， Ｆｅ） Ｃ。，具有较高的显微硬度，涂层在高温干滑动磨损条件下具有优异的耐磨性能和载荷特性，经４４ ｈ空 蚀试验后累积的质量损失量为０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢的０．４９７倍，具有一定的耐空蚀性能。 关键词：等离子熔覆；高铬铁基涂层；高温耐磨性；耐蚀性 中图分类号：ＴＧ１７４．４４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—４２８８（２Ｏ１０）０４—０００１—０４ 磨损是机械零部件最常见的主要失效形式之一［１］，并导致巨大的能源及材料浪费，研究开发优异耐磨 材料是减少磨损最有效途径之一。高温耐磨机械零部件工作条件恶劣，要求材料既具有优异的耐磨性能 又具有良好的高温强度和抗氧化性能ｌ２ ］。（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。金属陶瓷具有硬度高、耐腐蚀性及抗氧化性好等 优点，常被用作耐磨或抗氧化涂层的增强相［４ ］。但（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。的脆性致使该材料目前尚不能作为整体 结构材料来使用。然而其极高的常温和高温硬度及金属键和共价键共存的性质，使（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。具备了作 为耐磨复合材料中耐磨增强相的条件ｌ＿６］。固溶了大量合金元素的７固溶体具有良好的塑性、韧性及较高 的强度，以高硬、耐磨的（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。金属陶瓷作为增强相，以韧性、塑性良好的７一Ｆｅ固溶体作为基体的 Ｃｒ Ｃ。／了一Ｆｅ复合材料涂层，应具有优异的高温耐磨性能，在此方面的研究报道很少。为此，以铁粉、铬 粉、钨粉、镍粉等为原料，经等离子熔覆获得了原位合成高铬铁基涂层。分析了高温磨损试验条件下涂层 的耐磨性能和耐蚀性，并对其耐磨性和耐蚀性机理进行了初步的探讨。 ｌ试验材料及方法 试验基体材料选用Ｑ２３５钢，试样尺寸为１５０ ｍｍ×１５０ ｍｍ×２０ ｍｍ。试验用粉末为Ｆｅ、Ｃｒ、Ｗ、Ｎｉ粉 末和作为碳的前躯体的蔗糖。熔覆设备是ＤＦＲ—Ｉ型反应等离子熔覆机床，工艺参数为：工作电流４００ Ａ， 保护气体和电离气体（Ａｒ）流量均为１．０ ｍ。／ｈ，送粉气（Ａｒ）流量０．５ ｍ。／ｈ，等离子束流的扫描速度６００ ｍｍ／ｍｉｎ，同步送粉量２８０ ｇ／ｍｉｎ，喷嘴距离工件距离３０ ｍｍ。基体材料为阳极，等离子炬为阴极，对基体 进行多道连续扫描，使整个表面均得到处理。垂直于涂层截取试样，加工成１８ ｍｍ圆柱形，涂层表面抛 光。 高温滑动磨损试验在自行设计的销一盘式摩擦磨损试验机上进行，选取调质Ｃ级钢作为标样，为满足 试验机对试样尺寸的要求，将对比试样和等离子熔覆高铬铁基涂层试样均用电火花切割成尺寸为６ｍｍ ６ｍｍ ７ｍｍ的矩形块，作为磨损上试样，以试样的６ｍｍ ６ｍｍ表面作为磨损面；选取具有较高的高温硬度 及优良的抗氧化性能的镍基高温合金ＧＨ２２（室温硬度５００ＨＶ）作为圆盘状下试样。载荷９８Ｎ，相对滑动 速度０．１５ｍ／ｓ，滑动距离５０８ｍ。 空蚀设备为Ｊ９３ｏ２５型超声振荡磁致伸缩仪，双峰振幅４２ｔ￣ｍ，频率（１９４－１）ｋＨｚ。试验用水为（２５±１ ）℃自来水。选取耐空蚀性能优良的０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢按相同规格试样进行相同试验条件下的对比试 验。用ＬＥＯ１４５０扫描电子显微镜观察涂层的显微组织，用ＸＤ一３Ａ型Ｘ射线衍射仪测定涂层的析出物 ＊收稿日期：２０１０—０５—１２ 基金项目：山东省科技攻关项目（２００７ＧＧ３０００３００３） 作者简介：刘均波（１９７３一），男，山东诸城人，潍坊学院机电工程学院副教授，博士。研究方向：材料表面涂层技术，粉 末冶金。 潍坊学院学报 ２Ｏｌ０年８月 相，用Ｈｖ一１０００型显微硬度计检测涂层及结合界面处的硬度，载荷２００ ｇ，保持时间为１Ｏ ｓ。试样在每次 空蚀试验前后分别进行清洗、烘干、用精度为０．１ｍｇ的ＦＡ １００４Ｎ型分析天平称，再用光学显微镜（ＯＭ）、 扫描电镜（ＳＥＭ）观察表面涂层空蚀过程中的形貌变化。 ２结果与分析 ２．１ 高铬铁基复合涂层的显微组织 图ｌ 等离子熔覆高铬铁基复合涂层典型组织ＳＥＭ照片 图１为等离子熔覆高铬铁基复合涂层的典型组织照片，可明显看出，涂层显微组织结构特征为黑色块 状初生相均匀分布于灰白色共晶基体上。共晶组织细小均匀，ＸＲＤ结合ＥＤＳ分析结果表明：规则块状初 生相为（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。，其体积分数约占整个涂层的６ｏ ，硬度为ＨＶ１１００～１３００。共晶基体中体积分数较高 的白色组织为 固溶体，ＥＤＳ分析结果表明了固溶体中固溶有大量的Ｃｒ和少量的ｗ、Ｎｉ，在随后的冶金 熔池冷却过程中以了的形式保持到室温。共晶基体中颜色较深的不规则粒状组织为共晶（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。／ｒ。 ２．２ Ｑ２３５钢和等离子熔覆高铬铁基涂层磨损表面形貌 （ａ）调质Ｃ级钢 （ｂ）等离子熔覆高铬铁基涂层 图２ ６００℃高温滑动磨损表面ＳＥＭ形貌 图２为Ｑ２３５钢和等离子熔覆高铬铁基涂层与对磨盘镍基高温合金ＧＨ２２在载荷为９８Ｎ、相对滑动速 度为０．１５ｍ／ｓ、试验温度为６００℃、磨损滑动行程为５０８ｍ试验条件下的磨损表面ＳＥＭ形貌。从图２（ａ）可 以看出，Ｑ２３５钢磨损表面布满了既宽又深的犁沟及大块的粘着剥落坑，表明在６００。Ｃ高温下，镍基高温合 金ＧＨ２２对磨盘表面的微凸体对Ｑ２３５钢产生了较严重的犁削 和擦伤作用，同时两摩擦面之间产生了严重的粘着磨损。而涂层 磨损表面均比较光滑，只有轻微的擦划痕，没有明显粘着磨损的 痕迹。对图２中的黑色凸起区域进行ＥＤＳ分析，确定其成分为 （ａｔ． ）：ｌ０．１８ Ｏ，１．４４ Ｃｒ，８６．３９ Ｆｅ，１．６３ Ｎｉ。黑色凸起 区域Ｆｅ、Ｃｒ、Ｏ含量较高，这一结果表明ＧＨ２２对磨盘材料向涂 层表面发生了涂抹转移，Ｎｉ的存在说明转移层中也含有少量的 涂层在高温磨损过程中脱落的磨屑，氧的存在表明在环境温度及 摩擦热的双重作用下涂抹转移层材料发生了氧化。 图３为等离子熔覆高铬铁基涂层与对磨盘镍基高温合金 图３ 等离子熔覆高铬铁基涂层高温滑动 ＧＨ２２在载荷９８Ｎ、温度６００。Ｃ、相对滑动速度０．１５ｍ／ｓ、磨损滑 磨损表面亚表层ＳＥＭ形貌 ９～ 第４期 刘均波：等离子熔覆高铬铁基涂层高温耐磨性与耐空蚀性 动行程５０８ｍ试验条件下磨损表面亚表层形貌，可以看ｍ，初生（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。增强相与涂层基体基本上处于 ｛∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞∞ 考 咖喜；舌言ｉ堇黜黜伽ｌ暑 同一平面上，初生（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。增强相没有出现剥落及开裂现象，磨损表面亚表层无明显塑性变形特征。 ２．３ 高铬铁基复合涂层的显微硬度 图４为涂层由表及里的显微硬度分布。由图４可见，涂层内硬度分布比较均匀，涂层具有较高的硬 度，平均约为１１００ＨＶ。 ，表面硬度高且分布平缓，由表及里逐渐降低到基体的硬度。 ＿～－一－＼－一●一●～－ ●～－～●＼－ 、．一 ＼ Ｉ 一 ＼ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ 一 一＼ ｌ ＿ ＿ ． ＿． 一—ｕＥ一∞ｓ０一ｓｓ— Ｅ ｃｏ一∞—ｕｌＪ０ ｃｏ— 一＞ Ｔｉｍｅ（ｈ） 图５ 等离子熔覆层与不锈钢的空蚀质量损失曲线 图５为等离子涂层空蚀质量损失曲线。由图５可见，０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢和涂层空蚀过程中的前１６ ｈ 质量损失相当，２０ ｈ后０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢质量损失加快，经４４ ｈ空蚀后，对比试样０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢 的累计质量损失量为７８ ｍｇ，涂层为３８．８ ｍｇ，是０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢的０．４９７倍。这表明涂层具有一定 的耐空蚀性能。 （ａ）０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈铜６ｈ （ｂ）０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈铜］Ｏｈ （ｃ）０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈铜１６ｈ （ｄ）涂层８ｈ （ｅ）涂层１４ｈ （ｆ）涂层２２ｈ 图６ 等离子熔覆层空蚀不同时间后的表面ＳＥＭ照片 图６为两种涂层空蚀一一定时问后的表面ＳＥＭ 。由图６可见，空蚀６ ｈ后０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢表面 ３ 潍坊学院学报 ２Ｏ１０年８月 出现一些小的针孔，０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢表面开始“变乌”，１０ｈ后针孔区域开始变大出现明显的空蚀坑，１６ ｈ后空蚀坑范围扩大，部分开始相互连接，深度增加，同时空蚀的数量不断增多。涂层空蚀初期形貌变化 与０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢相似，空蚀８ ｈ后开始有针孔出现，１４ ｈ后针孔区域开始变大出现明显的空蚀坑， ２２ ｈ后空蚀坑范围扩大，深度增加，空蚀坑相互连接，但坑深较浅。在相同时间内，ＯＣｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢较 涂层的空蚀严重。在空蚀过程中，空泡溃灭时产生的高压振荡波和高速微射流通过引起材料表面剧烈的 塑性变形，致使材料表面裂纹萌生、扩展、局部断裂以及随后的空蚀剥落。因此，材料的耐空蚀性能与材料 抵御变形的能力有关 。高铬铁基等离子熔覆层空蚀破坏的过程是：当空泡在涂层表面溃灭时产生的高 压振荡波和高速微射流诱发部分 相转变为马氏体组织 ］，同时７相受到冲击力作用会发生塑性变形，出 现大量的形变位错和孪晶＿６］。由于 相被断续网状分布的奥氏体枝晶及枝晶间（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ。等化合物形 成的硬质相晶界分割开，因此阻碍了滑移和孪晶的产生，使得位错在晶界处塞积并不断聚集，于是晶界附 近形成较高的应力场。应力场的存在一方面加速了形变马氏体组织的形成，另一方面，当应力达到一定 值，超过了晶界中脆性相所能承受的临界应力值时，这些相开始萌生裂纹并以一定角度向内部扩展，几条 裂纹交会或与底面相贯通后，造成小部分弱相脱落，形成小的针孔即空蚀坑 ｊ。 （ａ）ｌｈ （ｂ）６ｈ （Ｃ）８ｈ 图７等离子熔覆高铬铁基涂层空蚀不同时间后的ＳＥＭ照片 图７ａ为空蚀１ ｈ后气孔附近裂纹形成的ＳＥＭ照片。涂层晶界相硬度越高，品界内气孔、杂质越少， 阻止位错滑移和挛晶产生的能力越强。当晶界内存在杂质、气孔、裂纹等缺陷时，空蚀坑的形成将变得非 常迅速。空蚀孔附近的杂质相由于一侧作用力的消除而受力不均匀，导致其与基体的结合受到破坏脱落 并在周边基体上产生裂纹（见图７ｂ），裂纹沿杂质相边缘扩展交汇或底部贯通，使空蚀坑增大，并沿晶界延 伸（见图７ｃ）。 ３ 结论 （１）以Ｆｅ—Ｃｒ—Ｃ—ｗ—Ｎｉ复合粉末为原料，采用优化的等离子熔覆工艺，在调质Ｑ２３５钢基材表面 制备了高铬铁基复合涂层； （２）涂层在６００。Ｃ时具有良好的高温滑动磨损耐磨性； （３）涂层具有较高的显微硬度，空蚀４４ ｈ后累积质量损失是０Ｃｒｌ３Ｎｉ６Ｍｏ不锈钢的０．４９７倍，说明涂 层具有良好的耐空蚀性能。 参考文献： ［１］金庆生．３５ＭｎＶＮ、４０ＭｎＶＴｉ非调质钢温锻后的组织及耐磨性研究『Ｊ］．金属热处理，２００６，３６（３）：４０—４４． ［２］方艳丽，王华明．Ｎｉ含量对Ｃｒｌ３Ｎｉ５Ｓｉ２／＇／合金高温耐磨性能的影响［Ｊ］．稀有金属材料与工程，２００７，３６（４）：６９０—６９４． ［３］杨卓娟，韩志武，任露泉．激光处理凹坑形仿生非光滑表面试件的高温摩擦磨损特性研究［Ｊ］．摩擦学学报，２００５，２５（４）： ３７４—３７８． ［４１Ｉ ｉｕ Ｊ Ｂ，Ｈｕａｎｇ Ｊ Ｈ．Ｗａｎｇ Ｉ Ｍ．Ｓｔｕｄｙ Ｏｎ ＰＴＡ ｃｌａｄ（Ｃｒ，Ｆｅ） Ｃ３／ｒ－Ｆｅ ｃｅｒａｍａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｃｏａｔｉｎｇ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ（Ｅｎｇｌｉｓｈ ｌｅｔｔｅｒｓ），２００５，１８（６）：６９５—７００． （下转第５６页） ｄ—— ２Ｏ１Ｏ年８月 ———————————————————一 ｈｔｔｐ：／／ｎｅｗｓ．ｃｃｉｄｎｅｔ．ｃ。ｍ／ａｒｔ／１ ７１６／２００２０８３０／２３９４８ｊ・ｈ ｍｌ ｔＳ ０ ．ｈ 虽ｍ ｅ Ｄ “ａ ｌａ Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ 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