等離子弧噴焊Mo涂層微觀組織結構及摩擦磨損性能研究

鄧新科，張國君，王 濤，任 帥，柏忠煉，曹 潛

(西安理工大學材料科學與工程學院，陜西 西安 710048)

0 引 言

鐵基合金由于具有適中的強度、良好的塑性和韌性，以及低廉的價格而被廣泛應用于各種工業(yè)設備及零部件中。然而，在一些苛刻的摩擦環(huán)境下，鐵基合金工件常常遭受嚴重的磨損而導致失效[1-3]。提高工件耐磨性的途徑一般有2種，一種是合金化，然而合金化通常較大地增加了材料成本；另一種是表面工程技術，也就是在工件表面制備一層耐磨涂層以提高工件的耐磨性，從而延長工件使用壽命，提高生產(chǎn)效率。常見的表面工程技術有熱噴涂、磁控濺射、激光表面熔敷以及等離子弧噴焊等，在眾多表面工程技術中，等離子弧噴焊技術由于具有高的沉積效率、電弧能量密度高、成本低廉、涂層致密且涂層與基體能夠實現(xiàn)冶金結合而被廣泛應用于耐磨涂層的生產(chǎn)制備中[4-7]。日本學者[8-9]研究發(fā)現(xiàn)Mo合金在摩擦磨損過程中由于氧化在磨損表面能夠形成低摩擦系數(shù)的MoO3，起到減摩的作用從而顯著提高了合金的耐磨性。因此，本研究的目的是通過等離子弧噴焊技術，在鐵基合金表面制備一層Mo涂層，一方面提高基體合金的耐磨性，另一方面又保留了基體合金優(yōu)異的力學性能。

1 實驗過程

本實驗以45鋼為噴焊基體材料，以球形鉬粉為噴焊粉末，通過等離子弧噴焊技術，在45鋼基體上制備Mo涂層。噴焊前，先將45鋼基體用砂紙打磨去除表面氧化皮以提高涂層與基體的結合強度。噴焊轉移弧功率為15 kW，噴焊距離為15 mm，整個噴焊過程中以高純氬氣作為送粉氣和保護氣氛。噴焊后，對涂層進行線切割取樣，利用金相顯微鏡、X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)對涂層形貌、物相以及微觀組織進行分析。并在HT-1000摩擦磨損試驗機上對涂層摩擦磨損性能進行測試，隨后利用掃描電子顯微鏡觀察磨損表面形貌。

2 結果與討論

2.1 涂層微觀組織結構

噴焊后Mo涂層縱截面形貌如圖1(a)所示，可以看出所制備Mo涂層致密，無明顯孔洞和裂紋，涂層與基體實現(xiàn)了冶金結合，涂層厚度大約為6 mm。圖1(b)給出了Mo涂層的XRD物相分析結果，可以看出，噴焊后Mo涂層主要物相為-Fe固溶體(-Fess)，金屬間化合物R-Fe63Mo37相，以及少量金屬間化合物μ-Fe7Mo6相，這說明Mo粉末在噴焊熔池中與熔化的鋼基體發(fā)生了充分的冶金反應。同時可以觀察到Mo涂層的XRD衍射峰具有明顯的寬化，表明Mo涂層中可能存在一定量的非晶或納米晶。

圖2為Mo涂層縱截面顯微組織形貌，從圖2(a)可以看出，Mo涂層顯微組織均勻細小，無明顯微裂紋和孔洞等缺陷，涂層與基體之間存在明顯的柱狀晶界面，這表明Mo涂層與45鋼基體實現(xiàn)了良好的冶金結合，界面處柱狀晶的形成是由于界面處溫度梯度大、冷卻速率小，從而有利于柱狀晶的生長。圖2(b)為圖2(a)中Mo涂層部分的局部放大，可以看出Mo涂層呈現(xiàn)出典型的金屬凝固枝晶組織，通過EDS能譜分析，灰白的胞狀組織為金屬間化合物R-Fe63Mo37相，黑色區(qū)域基體組織為-Fe固溶體，枝晶間的層片狀組織為-Fe/ R-Fe63Mo37共晶組織，μ-Fe7Mo6相并未通過EDS能譜分析發(fā)現(xiàn)，這可能是由于其含量較少。

圖1 (a) Mo涂層縱截面形貌照片；(b) Mo涂層XRD物相分析結果

圖2 (a) Mo涂層縱截面SEM顯微組織照片；(b) Mo涂層部分局部放大顯微組織照片

2.2 涂層顯微硬度

圖3為Mo涂層縱截面顯微硬度分布曲線，可以看出Mo涂層顯微硬度沿涂層縱截面分布均勻，大約為750 HV，相對于45鋼基體顯微硬度(約為180 HV)提高了4倍，界面顯微硬度略低于涂層顯微硬度。Mo涂層顯微硬度的提高主要是金屬間化合物R-Fe63Mo37和μ-Fe7Mo6的強化作用，以及-Fe固溶體的固溶強化作用。

圖3 Mo涂層縱截面顯微硬度

2.3 涂層摩擦磨損性能

圖4(a)為45鋼摩擦磨損試驗后磨損表面形貌照片，可以看出45鋼磨損表面粗糙，主要以犁溝、粘著、塑性變形為主要特征；Mo涂層磨損表面相對光滑，存在明顯的斷裂棱、輕微的擦傷。這表明45鋼的磨損主要是磨粒磨損和粘著磨損，而Mo涂層的磨損為斷裂磨損及輕微的磨粒磨損。從圖4(c)可以看出，與45鋼基體相比，Mo涂層摩擦系數(shù)降低了19%。磨損量結果表明(圖4(d))，Mo涂層相對耐磨性是45鋼基體的15倍。在摩擦磨損過程中，Mo涂層中存在的大量金屬間化合物硬質相對涂層起到了保護作用，避免了涂層發(fā)生嚴重的粘著磨損及磨粒磨損，而-Fe固溶體塑性相對金屬間化合物相起到了支持作用，避免了金屬間化合物在摩擦磨損過程中的剝落，同時由于金屬間化合物相具有本征脆性，因此在摩擦磨損過程中發(fā)生了局部斷裂。Mo涂層摩擦系數(shù)的降低表明在摩擦磨損過程中，磨損表面溫度急劇升高并發(fā)生了氧化，生成了具有潤滑作用的MoO3轉移膜，提高了Mo涂層的耐磨性[10]。

圖4 (a) 45鋼磨損表面形貌照片；(b) Mo涂層磨損表面形貌照片；(c) 45鋼和Mo涂層摩擦系數(shù)曲線；(d) 45鋼和Mo涂層磨損量

3 結 論

(1)采用等離子弧噴焊技術，在45鋼基體上制備了均勻致密的Mo涂層，涂層與基體實現(xiàn)了冶金結合。

(3)Mo涂層顯微硬度沿涂層縱截面分布均勻，相比45鋼基體硬度，涂層硬度提高了4倍；Mo涂層相對耐磨性是45鋼基體的15倍且摩擦系數(shù)降低了19%。

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