張瑞珠，郭 鵬，王建升，嚴(yán)大考，李靜瑞

(華北水利水電學(xué)院 機(jī)械學(xué)院，鄭州 450011)

鑄鋼0Cr13Ni5Mo具有較高的硬度和強(qiáng)度，良好的韌性和塑性，較好的抗磨蝕性能和抗水下疲勞性能，可焊接性能好，可用于制造水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、上冠和下環(huán)等部件，是一種強(qiáng)韌兼?zhèn)?、質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的固溶強(qiáng)化型不銹鋼[1]。但水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪工作條件非常惡劣，受到泥沙強(qiáng)烈的沖刷、磨損和氣蝕等的危害，而且其加工、生產(chǎn)成本較高，故對(duì)轉(zhuǎn)輪表面進(jìn)行修復(fù)和強(qiáng)化(硬化)處理是提高轉(zhuǎn)輪工作壽命的主要途徑。

目前，金屬表面強(qiáng)化處理的主要方法有超音速?lài)娡?、等離子噴涂、激光熔覆、物理氣相沉積[2-3]等方法，其中電火花表面強(qiáng)化技術(shù)是一種具有優(yōu)良強(qiáng)化效果和獨(dú)特應(yīng)用價(jià)值的新興金屬材料表面處理技術(shù)。電火花表面強(qiáng)化技術(shù)，是利用RC電路充放電原理，采用電極材料為陽(yáng)極，被強(qiáng)化的金屬工件為陰極，直接利用短時(shí)間、高能量密度的電流，瞬間形成高溫、高壓微區(qū)，通過(guò)火花放電的作用，將電極材料(如WC、TiC、Ni基合金等)熔滲到金屬工件的表面，從而形成冶金結(jié)合的強(qiáng)化層，以達(dá)到改善工件表面的物理、化學(xué)和機(jī)械性能的目的[4-5]。該技術(shù)工藝簡(jiǎn)便、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保且強(qiáng)化層具有組織較致密、硬度高、耐磨性好、疲勞強(qiáng)度高、耐蝕性好等特點(diǎn)[6-7]，對(duì)提高轉(zhuǎn)輪葉片運(yùn)行的穩(wěn)定性和延長(zhǎng)其使用壽命具有重要意義。本文作者采用該技術(shù)將硬質(zhì)合金 YG8沉積于鑄鋼0Cr13Ni5Mo表面，研究沉積層的微觀組織、界面行為和摩擦磨損性能。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

選用鑄鋼0Cr13Ni5Mo作為基體材料，線切割成20 mm×20 mm×10 mm的試樣，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。電極材料采用d6 mm的YG8硬質(zhì)合金棒，其主要化學(xué)成分為85.1 W、6.9 C、8.0 Co(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)，試驗(yàn)時(shí)采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的高純氬氣作為保護(hù)氣。

表1 鑄鋼0Cr13Ni5Mo的化學(xué)成分Table1 Chemical composition of 0Cr13Ni5Mo cast steel(mass fraction, %)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用 DL-4000D新型電火花沉積堆焊機(jī)(Electron-spark deposition，ESD)，采用手持式旋轉(zhuǎn)沉積槍?zhuān)D(zhuǎn)速為2 500 r/min，大功率沉積工藝、空氣中常溫冷卻條件，保護(hù)氣氬氣流量設(shè)定在6 L/min，電極棒的伸長(zhǎng)量為3 mm，沉積工藝參數(shù)見(jiàn)表2。首先將試樣用手持式砂輪機(jī)除去表面氧化皮、銹斑等雜物，再用丙酮清洗去垢除污，用熱風(fēng)風(fēng)干并冷卻至室溫，然后進(jìn)行電火花強(qiáng)化試驗(yàn)，沉積后用丙酮清洗試樣。

采用STOE/2型X射線衍射儀(XRD)分析沉積層的相組成。采用金相試樣鑲嵌機(jī)(上海光相制樣設(shè)備有限公司生產(chǎn))進(jìn)行鑲樣，并分別使用 200#、400#、800#、1000#、1200#防水砂紙對(duì)試樣打磨并拋光。采用 LEO-1450型掃描電鏡(SEM)觀察沉積層的斷面形貌，并結(jié)合能譜(EDS)、XRD分析確定沉積層的相分布。對(duì)打磨、拋光處理后的試樣，采用HVS1000型顯微硬度計(jì)(上海材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn))測(cè)量沉積層斷面的顯微硬度，試驗(yàn)載荷為3 N，加載時(shí)間為15 s。采用HT-600型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行室溫?zé)o潤(rùn)滑摩擦磨損試驗(yàn)，運(yùn)動(dòng)形式為圓周循環(huán)運(yùn)動(dòng)，如圖1所示，對(duì)磨球試樣為d6 mm的YG8硬質(zhì)合金球，試驗(yàn)載荷為15 N，頻率為20 Hz，時(shí)間為30 min，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑為2 mm，圖1中箭頭表示實(shí)驗(yàn)過(guò)程中磨盤(pán)的轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r(shí)針?lè)较?，利用精度?0-4g的AEL-200型號(hào)的電子分析天平進(jìn)行磨損量的測(cè)定。

表2 ESD沉積工藝參數(shù)Table2 ESD process parameters

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic of friction and wear tester

2 結(jié)果及分析

2.1 XRD分析

使用X射線衍射儀對(duì)沉積層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行衍射分析。圖2所示為表2的工藝參數(shù)將硬質(zhì)合金YG8電極棒沉積到鑄鋼0Cr13Ni5Mo試樣表面時(shí)沉積層的XRD譜。根據(jù)X射線衍射儀分析的結(jié)果，可以確認(rèn)沉積層主要由Co3W3C、Fe3W3C、Fe3Mo3C、WC1-x、Fe7W6C等相組成。沉積層中WC1-x相主要是WC在高溫下分解而形成的，Co3W3C、Fe3W3C、Fe3Mo3C、Fe7W6C等是由陶瓷硬質(zhì)合金 YG8電極棒和基體中的化學(xué)元素在高溫下發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化生成的硬質(zhì)相，這些相彌散地分布在沉積層中。

由以上結(jié)果可以看到，電火花表面沉積技術(shù)區(qū)別于其他的表面處理技術(shù)，它不是簡(jiǎn)單的涂鍍過(guò)程，而是利用火花放電的能量使電極材料和基體材料在沉積熔池中發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，破壞各組成元素之間的化學(xué)鍵，并重新結(jié)合形成新的化合物。電火花沉積層的組織結(jié)構(gòu)和性能不僅與電極材料和基體材料有關(guān)，而且隨著沉積工藝的不同其性能也有差異。

圖2 電火花沉積層的XRD譜Fig.2 XRD patter of ESD coatings

2.2 顯微組織分析

圖3所示為YG8沉積層斷面的SEM像。從圖3(a)中可以看出，YG8涂層與基體結(jié)合良好，沒(méi)有明顯的分界層，沉積層的厚度大約為30 μm，電火花沉積斷面依次由白亮層、過(guò)渡層和基體組成。由ZoneⅠ放大圖(圖3(b))可以看出，白亮層由許多細(xì)小顆粒組成，其組織均勻、致密、連續(xù)性好，微裂紋、氣孔等缺陷較少。

由圖3(a)中可以看到，在沉積層內(nèi)部某些微小區(qū)域內(nèi)有微裂紋和細(xì)小孔洞，這是由于在沉積過(guò)程中，沉積層經(jīng)歷了驟熱驟冷的過(guò)程，使得內(nèi)部存在熱應(yīng)力。對(duì)同一區(qū)域采用往復(fù)式多次沉積操作才能達(dá)到一定的沉積厚度，這種反復(fù)的熱作用使沉積層易產(chǎn)生熱疲勞[8]，當(dāng)應(yīng)力和疲勞積累到一定程度便會(huì)產(chǎn)生微小裂紋；同時(shí)由于在沉積過(guò)程中加熱溫度高，使局部材料發(fā)生氣化而產(chǎn)生氣孔，并且冷卻速度非常迅速，熔池金屬流動(dòng)性急劇下降，使這些氣孔來(lái)不及逸出而留在沉積層內(nèi)形成微小孔洞。

圖3 YG8沉積層斷面SEM像Fig.3 SEM images of cross section of ESD coating: (a) Cross section; (b) ZoneⅠ

圖4所示為沉積層與基體界面上W、Fe兩種元素的線掃描能譜。圖中顯示W(wǎng)元素的相對(duì)濃度在界面處明顯下降，而Fe元素的相對(duì)濃度較高，說(shuō)明基體元素Fe過(guò)渡到了涂層當(dāng)中。這是由于W原子半徑較大，其擴(kuò)散激活能很高，擴(kuò)散能力遠(yuǎn)不如Fe原子，并且在涂層與基體的界面處，由于Fe基體溫度降低很快，導(dǎo)致 W 原子更難以擴(kuò)散進(jìn)入機(jī)體；又由于在沉積過(guò)程中，基體Fe的熔點(diǎn)比電極材料的低很多，因此熔池中熔化的Fe相對(duì)較多，在隨后的快速凝固中，F(xiàn)e元素留在涂層中，而且Fe元素具有與W元素相反的溫度梯度，從而易于向涂層擴(kuò)散，使得Fe在界面處及涂層下部相對(duì)濃度較高[9]，結(jié)合XRD分析可知沉積層與基體冶金結(jié)合。

圖4 電火花沉積層成分能譜線掃描分析結(jié)果Fig.4 EDS line scanning analysis results of composition of ESD coating: (a) W; (b) Fe

由圖3(b)可知，沉積層截面上隨機(jī)彌散分布著細(xì)小晶粒，這是由于一次脈沖放電時(shí)間極短(約 10-6～10-5s)，單位面積上通過(guò)很大的電流密度(為 105～106A/cm2)，在沉積微區(qū)內(nèi)溫度瞬間達(dá)到 5 000～10 000 K[10]的高溫將接觸區(qū)域的電極材料和基體迅速融化甚至氣化形成沉積熔池，在熔池中發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)反應(yīng)，并形成新的相。由于保護(hù)氣體保持流動(dòng)，基體導(dǎo)熱性能好，熔池反應(yīng)區(qū)微小等因素使得熔池急速冷卻，速度高達(dá)106℃/s，這樣在沉積熔池微區(qū)便有一個(gè)急熱急冷的過(guò)程，形成非常大的過(guò)冷度，大大提高了形核率，加速了新相的形成和奧氏體化的過(guò)程，這些生成的新相奧氏體化極不均勻，形核率較高、組織細(xì)化；實(shí)際上快速加熱是一種非平衡態(tài)，它使形核率提高，在新相的周?chē)鷷?huì)出現(xiàn)空位，最終使空位的濃度和位錯(cuò)的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于平衡態(tài)，促使新相形核組織細(xì)化，而且沉積時(shí)撞擊產(chǎn)生的彈性應(yīng)變和溫度等效應(yīng)變也部分引起了組織細(xì)化[11]；同時(shí)在電火花沉積過(guò)程中，電極的旋轉(zhuǎn)攪拌和震動(dòng)作用，向熔池中輸入額外的能量以提供形核功，還可以使已結(jié)晶的枝晶斷裂、破碎已增加晶核的數(shù)量，從而細(xì)化晶粒。綜上可知，在電火花沉積的過(guò)程中，較大的溫度梯度形成較大的過(guò)冷度，電極的旋轉(zhuǎn)和震動(dòng)等因素都起到了細(xì)化晶粒的作用。晶粒越細(xì)小，在一定體積內(nèi)的晶粒數(shù)目越多，則在同樣塑性變形量下，變形分散在更多的晶粒內(nèi)進(jìn)行，變形較均勻，且每個(gè)晶粒中塞積的位錯(cuò)少，這樣因應(yīng)力引起的開(kāi)裂機(jī)會(huì)較少，有可能在斷裂之前承受較大的變形量，提高了沉積層的塑性和韌性；晶粒越細(xì)，晶粒越多，晶界增多，晶界面積越大，晶界越曲折，越不利于裂紋的擴(kuò)展，而且晶界原子排列與晶內(nèi)不同，晶粒兩側(cè)取向不同，在晶界上原子排列不規(guī)則，雜質(zhì)和缺陷較多，能量較高，阻礙位錯(cuò)的通過(guò)，從而提高了沉積層的強(qiáng)度和硬度[12]。綜上可知，正是由于這幾種晶粒細(xì)化聯(lián)合作用的機(jī)理使沉積層獲得較多細(xì)晶組織，提高了強(qiáng)度和硬度、耐腐蝕、耐磨等力學(xué)性能。

2.3 沉積層硬度變化

顯微硬度是材料的一項(xiàng)重要的力學(xué)性能，圖5所示為試樣斷面硬度測(cè)量值，其結(jié)果表明電火花沉積層具有較高的硬度，沿著沉積層向基體延伸，顯微硬度值逐漸降低。沉積層最高硬度可達(dá)1 962.2HV，沉積層15個(gè)點(diǎn)硬度測(cè)量結(jié)果的平均值為1 896.8HV，基體材料鑄鋼0Cr13Ni5Mo的硬度值為330HV，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)電火花沉積技術(shù)處理后，電火花沉積層的硬度值比基體的增加了約5倍。

圖5 電火花沉積層的顯微硬度分布Fig.5 Microhardness distribution of ESD coating

由以上可知，沉積層的組織中含有高硬度的復(fù)雜碳化物等，這些細(xì)小晶粒狀的高硬度的碳化物又以彌散形式隨機(jī)分布，而且這些細(xì)小晶粒中存在著高密度的位錯(cuò)和較大的殘余應(yīng)力，這些因素是沉積層具有較高硬度的主要原因。沿著沉積層梯度方向延伸即過(guò)渡層，可以發(fā)現(xiàn)顯微硬度值逐漸變小，這是由于一方面冷卻速度較大，這一區(qū)域靠近熔池底部，在熱傳導(dǎo)過(guò)程中熱量不斷損失，使得晶粒不能充分細(xì)化，硬度值有所降低；另一方面電極材料和基體材料在這一區(qū)域發(fā)生各種物理、化學(xué)反應(yīng)，使得YG8電極材料中擴(kuò)散進(jìn)去了許多基體元素(如Fe、Mo、Cr等)，這些元素在高溫條件下生成各種不同的化合物，使單位面積上碳化物的濃度降低，進(jìn)而降低了硬度；另外，在沉積過(guò)程中為了達(dá)到一定厚度的沉積層，需要往復(fù)循環(huán)沉積某一區(qū)域，這樣在多次沉積某一區(qū)域后，過(guò)渡層溫度達(dá)到奧氏體化溫度，在熱循環(huán)的不斷作用下，使得過(guò)渡層形成粗大的馬氏體，提高了韌性和塑性而降低了硬度和強(qiáng)度。綜上可知，沉積層硬度的提高，主要原因是層內(nèi)彌散分布著各種硬質(zhì)碳化物相。

2.4 沉積層耐磨性能分析

圖6所示為沉積試樣和基體的摩擦因數(shù)隨時(shí)間變化曲線。從圖6中可以看出，在30 min內(nèi)，基體材料鑄鋼0Cr13Ni5Mo的摩擦因數(shù)明顯高于涂層的摩擦因數(shù)，而且變化的幅度比較大，數(shù)值在0.3～0.6之間；沉積層的摩擦因數(shù)較小而且比較穩(wěn)定，保持在0.15～0.2之間，這說(shuō)明經(jīng)過(guò)電火花沉積處理后，耐磨性有所提高。

圖6 電火花沉積層與基體的摩擦因數(shù)Fig.6 Friction coefficients of ESD coating and substrate

表3所列為沉積層與鑄鋼0Cr13Ni5Mo基體材料的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果。由表3可知，沉積層的相對(duì)耐磨性為

εw=ΔWs/ΔWc=5.06×10-5/1.49×10-5=3.4

式中：εw為沉積層的相對(duì)耐磨性；ΔWs為鑄鋼0Cr13Ni5Mo基體的磨損速率，mg/r；ΔWc為沉積層的磨損速率，mg/r。

計(jì)算得知沉積層的相對(duì)耐磨性為鑄鋼0Cr13Ni5Mo基體的3.4倍，說(shuō)明沉積以后耐磨性有較大幅度的提高。

圖7所示為摩擦磨損掃描電鏡放大形貌圖。圖7(a)是沉積后試樣的磨損形貌，從圖7(a)可以看出，磨損過(guò)程中磨痕較淺，這是由于沉積層中分布著許多細(xì)晶粒，硬度和強(qiáng)度相對(duì)較高，使得耐磨性能提高。圖7(b)為局部區(qū)域放大的磨痕形貌，從圖中區(qū)域A看到在磨痕上面粘附一部分顆粒，這是由于在磨損過(guò)程中，摩擦副接觸面局部發(fā)生金屬粘著，在隨后的相對(duì)滑動(dòng)中粘著處被破壞，有金屬顆粒從材料表面被拉拽下來(lái)或表面被擦傷形成粘著磨損。從圖中區(qū)域B看到在磨痕內(nèi)有明顯的劃痕，這是由于脫落的碳化物顆粒硬度較高，粘附在對(duì)磨球上又起到磨粒的作用，加劇了磨損的過(guò)程，形成顆粒磨損。隨著磨損的進(jìn)行，在磨痕上面發(fā)現(xiàn)黑色磨屑，經(jīng)成分分析含有較多的氧元素，這說(shuō)明生成了氧化物。這是由于在磨損接觸面上熱量聚集，溫度升高，形成了氧化物，氧化物的形成大大降低了沉積層的力學(xué)性能，使得硬度、耐磨性、塑性及韌性等性能降低，增加了裂紋產(chǎn)生的幾率；隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，磨損加劇，沉積層在交變應(yīng)力的反復(fù)作用下產(chǎn)生疲勞裂紋，并不斷擴(kuò)展，如圖7(b)中區(qū)域C所示。從上述分析得出，沉積層的磨損主要粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損的綜合作用[13-15]。

表3 電火花沉積層摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果Table3 Results of abrasive test of ESP coating

圖7 電火花沉積層摩擦磨損形貌Fig.7 Morphologies of friction and wear of ESP coating:(a) Wear morphology of coating; (b) White particles in friction area

3 結(jié)論

1) 經(jīng)過(guò)電火花表面強(qiáng)化處理后的鑄鋼0Cr13Ni5Mo表面熔覆著一層沉積層。沉積層在顯微電鏡下觀察由白亮層、過(guò)渡層和基體材料3部分組成，且沉積層與基體結(jié)合良好，組織均勻、致密，沒(méi)有較大的缺陷，沉積層厚度約為30 μm。結(jié)合XRD可以確定沉積層主要由Co3W3C、Fe3W3C、Fe3Mo3C、WC1-x和Fe7W6C等相組成，并分析了這些相的形成機(jī)理，證明了沉積層和基體材料冶金結(jié)合，進(jìn)一步說(shuō)明了電火花表面沉積技術(shù)的優(yōu)越性。

2) 通過(guò)對(duì)沉積層硬度的測(cè)試和摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)沉積層有較高的硬度和較好的耐磨性能。沉積層上硬度值最高可達(dá)1 962.2HV，平均硬度為1 896.8HV，比基材硬度高出約5倍；耐磨性是基體的3.4倍，沉積層的磨損機(jī)理主要是粘著磨損、磨粒磨損和氧化磨損?？梢?jiàn)，電火花表面沉積技術(shù)形成的沉積層具有較好的抗磨性能，這是由于電火花沉積過(guò)程中較大的過(guò)冷度下形成的細(xì)晶碳化物相彌散分布在沉積層中，從而提高沉積層的硬度、塑性、韌性和耐磨性能。

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