工程機械用鋼的表面改性處理研究

□王 洋

工程機械行業是機械行業中鋼材消費量最大的子行業之一，2014年消費鋼材1,520萬噸，占機械行業鋼材消費量的12.2%，占鋼材消費總量的2.3%。我國現在已成為全球第一大工程機械市場。鋼材作為工程機械最重要的原材料，不僅決定著產品價格，也決定著產品的性能和可靠性。總體來說，目前，中國工程機械用鋼質量整體水平不高，只有約30%的產品實物質量達到國際先進水平。這一現象導致的直接后果就是我國工程機械產品與國外同類產品相比，在耐久性、可靠性上的差距還比較大。雖然每年工程機械消化了許多鋼鐵產能，但是受國內鋼材行業技術制約，并未完全將工程機械用鋼市場開發，還有部分高端鋼材需要依靠進口。歸其原因，在一定程度上與高品質工程機械用鋼的表面改性處理技術有關[1～2]，本文選取具有代表性的45#工程機械用鋼為對象，通過在表面進行熱噴涂的方法，研究了改性前后的組織與性能變化，研究結果對于提高工程機械用鋼的使用性能具有參考意義。

一、實驗材料與方法

選用工程機械用鋼常用牌號45#鋼為基體材料，它的主要化學成分元素比例(%)：0.47C、0.10Cr、0.68Mn、0.17Ni、0.008S、0.004S、0.24Si，余量為Fe，使用狀態為調質態，用于制作承受負荷較大的小截面調質件和應力較小的大型正火零件以及對心部強度要求不高的表面淬火零件，如梢子、導柱、表針等部件。

采用WC-10Co4Cr粉末對工程機械用鋼表面進行熱噴涂處理，噴涂設備為自制的超高音速火焰噴涂系統NM-2200型熱噴涂機，采用航空煤油作為燃料，氮氣為送載氣，噴涂距離為40cm，送粉速率為1.5gpm。

采用JSM-6800型掃描電子顯微鏡對噴涂粉末和涂層進行微觀組織觀察，并用附帶的能譜分析儀分析微區成分；物相組成采用Burkerd-8型X射線衍射儀分析物相組成；摩擦磨損試驗采用吉林大學研制的JL-300型摩擦磨損試驗機進行，對磨材料為GCr15鋼珠，轉盤半徑為2.5mm，磨損時間設定為20min，通過對機械工程用鋼表面噴涂涂層和基體材料分別進行摩擦試驗后，通過對比磨損失重量考察表面熱噴涂改性處理對工程機械用鋼摩擦磨損性能的影響。

二、結果與分析

通過對WC-10Co4Cr粉末的低倍和高倍組織形貌分析，可以得出，表面改性粉末的球形度較高，相鄰粉末顆粒間有一定間隙，對粉末顆粒進行局部放大后可以觀察到各個粉末顆粒的表面粗糙多孔，但是連續性較好，沒有在表面發現孔洞或者夾雜等缺陷，這表明通過球磨處理后的噴涂粉末制備工藝適當，球形度較高且表面無缺陷的粉末顆粒在熱噴涂改性過程中更容易吸收和傳遞熱量，有利于表面改性的進行[3]。

通過對工程機械用鋼表面熱噴涂粉末的粒度進行統計分析，可以得出，WC-10Co4Cr粉末粒度分布在5～50μm之間。其中，粒徑范圍在5～10μm的占比約為2%，粒徑范圍在10～15μm的占比約為6%，粒徑范圍在15～20μm的占比約為11%，粒徑范圍在20～25μm的占比約為13%，粒徑范圍在25～30μm的占比約為28%，粒徑范圍在30～35μm的占比約為12%，粒徑范圍在35～40μm的占比約為4%，粒徑范圍在40～45μm的占比約為4%，粒徑范圍在45～50μm的占比約為3%。由此可見，WC-10Co4Cr粉末粒度主要分布在20～35μm之間。

通過對工程機械用鋼的表面噴涂形貌進行觀察，可以得出，當大部分WC-10Co4Cr粉末噴射到工程機械用鋼基體表面后，大部分顆粒都進行了較大程度的變形，外形從球形轉變為扁平狀，呈現出糯米團或者油餅狀，這主要是由于球形顆粒在超高音速噴涂過程中受到撞擊形成的[4]。從局部方法組織中可以發現，這些粉末顆粒中的碳化物彌散在粘結相中，部分碳化物呈現出多角形形貌，表面在熱噴涂過程中并沒有完全熔化，這些彌散分布的碳化物對于提高整個涂層的抗摩擦磨損形貌有利。

通過對工程機械用鋼熱噴涂粉末和噴涂后的涂層進行X射線衍射觀察，可以發現，熱噴涂粉末中主要含有WC和Co相，并沒有其它衍射峰存在；在經過熱噴涂處理后，在工程機械用鋼表面噴涂涂層中可以發現WC、W2C和CoCr相，其中W2C相的形成主要是由于在熱噴涂過程中WC發生了部分脫碳形成，而CoCr相的型材主要說明在熱噴涂過程中Cr元素已經固溶到Co基體中。部分學者認為這種在熱噴涂過程中的脫碳現象是由于熔融顆粒撞擊產生，也有理論認為W2C相與WC溶解同時進行，在融滴達到基體之前已經產生[5]。

通過對工程機械用鋼的表面噴涂涂層截面形貌進行觀察，可以得出，經過熱噴涂處理后，工程機械用鋼表面形成了厚度約為170μm的涂層，熱噴涂涂層與基體材料實現了良好的機械結合，涂層之間的組織均勻、致密，在涂層中沒有發現氣孔、夾雜等缺陷。從局部放大組織可以發現，涂層組織中還存在較大尺寸的WC顆粒，但是沒有層狀結構特征，其中少部分區域的黑色顆粒相主要是在超高速噴射過程中形成的脫碳相；此外，粉末顆粒間還存在一定的空隙，孔隙率約為2.24%，孔隙率較低表面采用本文的超高音速熱噴涂方法在工程機械用鋼表面形成了較為致密的涂層。

對工程機械用鋼的表面改性層和基體材料進行摩擦磨損對比試驗，結果顯示：當轉速為550r/min，載荷為320g時，工程機械用鋼改性層的摩擦系數和磨損失重分別為0.4051和0.0021g，而基體材料的摩擦系數和磨損失重分別為0.4987和0.0068g；當轉速為550r/min，載荷為420g時，工程機械用鋼改性層的摩擦系數和磨損失重分別為0.3533和0.0037g，而基體材料的摩擦系數和磨損失重分別為0.4854和0.0142g；當轉速為820r/min，載荷為320g時，工程機械用鋼改性層的摩擦系數和磨損失重分別為0.3777和0.0026g，而基體材料的摩擦系數和磨損失重分別為0.498796和0.0082g；當轉速為820r/min，載荷為420g時，工程機械用鋼改性層的摩擦系數和磨損失重分別為0.3017和0.0046g，而基體材料的摩擦系數和磨損失重分別為0.4389和0.0178g。由此可見，隨著加載載荷和轉速的增加，工程機械用45#鋼表面改性層的摩擦系數更小，耐磨性能更好；通過在工程機械用45#鋼表面進行WC-10Co4Cr粉末噴涂改性處理，在不同的載荷和轉速下，改性層與基體相比都具有更好的耐磨性能。

三、結語

一是WC-10Co4Cr粉末粒度主要分布在20～35μm，熱噴涂粉末中主要含有WC和Co相，并沒有其它衍射峰存在。二是工程機械用鋼表面形成了厚度約為170μm的涂層，熱噴涂涂層與基體材料實現了良好的機械結合，涂層之間的組織均勻、致密，在涂層中沒有發現氣孔、夾雜等缺陷。三是隨著加載載荷和轉速的增加，工程機械用45#鋼表面改性層的摩擦系數更小，耐磨性能更好；通過在工程機械用45#鋼表面進行WC-10Co4Cr粉末噴涂改性處理，在不同的載荷和轉速下，改性層與基體相比都具有更好的耐磨性能。