基于電弧熔敷技術(shù)的45鋼表面耐磨涂層制備工藝研究

陶佳虓 葉煒欽 姚遠(yuǎn)遠(yuǎn) 王云壯 秦青豐 王澤 陳菊芳 李小平 孫志娟

摘? ? 要：針對45鋼零部件表面易磨損的缺陷，采用電弧熔敷技術(shù)，以高耐磨性的FeCoNiCuAl高熵合金粉芯絲材作為焊絲，在45鋼基體表面熔敷一層涂層，以提高其耐磨性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，電弧熔敷電流大小、絲材移動速率和送絲速率，對涂層耐磨性和硬度都有影響。當(dāng)電弧熔敷電流為210 A、絲材移動速率為160 mm/min、送絲速率為800 mm/min時，制備的涂層耐磨性最好。

關(guān)鍵詞：電弧熔敷電流;絲材移動速率;送絲速率;耐磨性

中圖分類號：HT112? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2021）04-0018-07

45鋼是一種優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，具有高屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率、斷面收縮率等優(yōu)良特性，但是硬度較低。因此，它易被切削加工成復(fù)雜零件，廣泛用于各種機(jī)械裝備結(jié)構(gòu)件和運(yùn)動件的制造，如模具零部件、葉輪、連桿、軸承、齒輪等。隨著使用時間增長或使用環(huán)境惡化，機(jī)械裝備的表面往往會發(fā)生嚴(yán)重磨損，降低了機(jī)器的使用壽命，乃至導(dǎo)致機(jī)器失效 。常見的失效致因有電化學(xué)腐燭、摩擦磨損、氧化、彎曲疲勞斷裂和扭曲等。統(tǒng)計顯示，每年因機(jī)械零件表面磨損、腐蝕而失效的鋼材約占我國鋼材總產(chǎn)量的12%，造成的經(jīng)濟(jì)損失占到國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2.3%[1]。

當(dāng)前，通過熔煉技術(shù)提升鋼的純度，以及改變其化學(xué)成分來提高鋼的各項性能，都存在著較大的困難，而表面改性技術(shù)則能較好地解決上述問題。該技術(shù)可直接在鋼制零部件的表面制備高硬度、高耐磨性、高耐腐性、抗氧化性的改性涂層，且涂層能與基體高度結(jié)合，形成冶金結(jié)合層。常用的表面改性技術(shù)有電弧熔敷、表面滲氮、熱噴涂、氣相沉積和高能束等技術(shù)[2-4]。其中，電弧熔敷技術(shù)不僅能克服表面滲氮、氣相沉積技術(shù)涂層較薄的弱點(diǎn)，而且能解決熱噴涂涂層與基體結(jié)合強(qiáng)度低的缺陷，在保證基體合金原有性能的條件下，彌補(bǔ)45鋼零件表面硬度低、耐磨性差等缺點(diǎn)[5-7]。因此，采用電弧熔敷技術(shù)在45鋼基體表面熔敷高硬涂層，以提高其表面耐磨性具有重要的實(shí)踐價值。

1? ? 實(shí)驗(yàn)部分

1.1? 基體與涂層準(zhǔn)備

由于45鋼容易生銹，因此在進(jìn)行電弧熔敷增材制造之前需要使用角磨機(jī)對其表面進(jìn)行打磨拋光，清除鐵銹及表面缺陷;并依次使用丙酮、酒精、去離子水清洗3次，去除表面的雜質(zhì)及氧化物。然后，放入預(yù)先加熱到250 ℃的加熱爐保溫2 h。選用耐磨性好的FeCoNiCuAl高熵合金粉芯絲材作為焊絲，采用TIG焊電弧熔敷系統(tǒng)進(jìn)行耐磨涂層的制備。通過調(diào)節(jié)電弧熔敷電流、送絲速率和絲材移動速率，分別研究這三個工藝參數(shù)對耐磨涂層性能的影響。

1.2? 耐磨性與硬度測試

用800目砂紙將涂層表面打磨拋光，采用HVS-1000B數(shù)顯轉(zhuǎn)塔顯微硬度計測量涂層硬度。加載力為4.91 N，加載時間為15 s，間隔0.25 mm測試一次，每個試樣測量7次取平均值。

將拋光后的涂層固定在Nanovea Tribometer摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，載荷和轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為12 N、200 r/min;用直徑為Φ6 mm的三氧化二鋁陶瓷球與涂層進(jìn)行往復(fù)式干磨，摩擦?xí)r間為5 min。采用Nanovea PS50顯微輪廓儀掃描磨痕輪廓，測量磨痕橫截面的尺寸，衡量涂層耐磨性，分析不同工藝參數(shù)與耐磨性的變化規(guī)律。采用Sigma 500場發(fā)射掃描電鏡觀察涂層磨痕的微觀形貌，分析其磨損機(jī)理。

2? ? 結(jié)果與討論

2.1? 電流與磨損性能

圖1為采用不同電弧熔敷電流制備的涂層磨痕橫截面掃測圖。由圖1（a）-1（d）可看出，當(dāng)電流從150 A、170 A、190 A增至210 A時，涂層的磨痕橫截面積逐漸變小，分別為9 726? μm2、9 466 μm2、4 769 μm2和2 455 μm2，磨損橫截面積減小了74.76%?？梢姡S著電弧熔敷電流的增大，涂層的耐磨性顯著提高。分析認(rèn)為：電流增加會導(dǎo)致電弧力增大，提高了電弧攪拌熔池液態(tài)金屬的能力;熔池凝固時間增長，電弧熔敷的涂層微觀組織更均勻，逐漸呈現(xiàn)等軸晶相貌（如圖2所示）。涂層硬度測試表明：在電弧熔敷電流為150 A、170 A、190 A和210 A條件下，涂層硬度值分別為165 HV、330 HV、458 HV和470 HV?？梢姡娏髟龃笸繉游⒂^組織更均勻，從而導(dǎo)致其表面硬度相應(yīng)提高。

采用掃描電鏡對不同電流下涂層磨痕形貌進(jìn)行觀察，如圖3所示。由圖3（a）—3（d）可見，隨著電弧熔敷電流的增大，涂層磨痕形貌不同。當(dāng)電流為150 A、170 A時，涂層表面存在大片的剝落和犁溝區(qū)域。這是由于涂層合金化程度低硬度較小，摩擦對偶件陶瓷球會在載荷作用下使受壓區(qū)表層材料發(fā)生塑性變形，并隨著摩擦球運(yùn)動將前端絕大多數(shù)材料推擠到兩側(cè)。由于摩擦陶瓷球表面是存在微凸凹結(jié)構(gòu)的非光滑表面，因此被推擠出凸凹不平的不規(guī)則犁溝。當(dāng)電流為190 A和200 A 時，涂層表面剝落和犁溝區(qū)域明顯減小。這是由于涂層合金化程度提高硬度增大，在相同載荷條件下，受壓區(qū)表層材料塑性變形減小，犁溝數(shù)量減少、深度也減小，磨損程度減弱。

2.2? 絲材移動速率與磨損性能

圖4為采用不同絲材移動速率制備的涂層磨痕橫截面掃測圖。由圖4（a）—4（d）可見，在絲材移動速率從55 mm/min、83 mm/min、120 mm/min增至160 mm/min的過程中，涂層的磨痕橫截面積逐漸變小，分別為9 579 μm2、9 466 μm2、7 935 μm2和6 276 μm2，磨損橫截面積減小了34.49%。分析認(rèn)為：絲材移動速率快熔池凝固也快，涂層晶粒粗化程度低，細(xì)小晶粒具有強(qiáng)化涂層的作用。因此，隨著絲材移動速率增大，涂層的耐磨性提高較顯著;但是，相比電弧熔敷電流而言，絲材移動速率變化對涂層耐磨性的影響較小。對不同絲材移動速率制備的涂層硬度值進(jìn)行測試，結(jié)果為：移動速率為55 mm/min、83 mm/min、120 mm/min、160 mm/min時，制備的涂層硬度值分別為200 HV、330 HV、344 HV、355 HV?？梢?，硬度增加幅度較明顯。

圖5為不同絲材移動速率下涂層的磨痕SEM圖。由圖5（a）—5（d）可見：隨著絲材移動速率的增大，涂層磨痕形貌基本相同;磨損形式均為犁溝磨損，涂層表面均存在大片的剝落和犁溝區(qū)域;當(dāng)絲材移動速率為55 mm/min和83 mm/min時，涂層硬度較低，載荷作用使涂層受壓區(qū)表層材料塑性變形較大，并隨著摩擦球運(yùn)動將前端絕大多數(shù)材料推擠到兩側(cè)，形成的剝落及犁溝的寬度和深度都較大;當(dāng)絲材移動速率為120 mm/min和160 mm/min 時，涂層硬度略有提高，受壓區(qū)表層材料塑性變形相應(yīng)減小，在相同載荷條件下，受壓區(qū)表層材料犁溝數(shù)量減少、深度減小，磨損程度減弱。

2.3? 送絲速率與磨損性能

圖6為采用不同電弧送絲速率制備的涂層磨痕橫截面掃測圖。由圖6（a）—6（d）可見，當(dāng)送絲速率從800 mm/min、900 mm/min、1 000 mm/min增至1 100 mm/min時，涂層的磨痕橫截面積分別為2 833 μm2、2 958 μm2、7935 μm2、9 269 μm2，增大了2.27倍;這表明涂層的耐磨性隨著電弧送絲速率的增大明顯降低。分析原因：隨著送絲速率提高，單位時間熔池體積增加，電弧力攪拌熔池效率下降，更多的熱量用于熔化絲材，導(dǎo)致熔池溫度變低，液體金屬流動性變差，電弧熔敷涂層的微觀結(jié)構(gòu)均勻程度降低。對不同電流制備涂層的硬度值測試結(jié)果表明：在送絲速率為800 mm/min、900 mm/min、1 000 mm/min、1 100 mm/min時，涂層硬度值分別為486 HV、375 HV、344 HV、242 HV?？梢姡徒z速率越大，制備的涂層硬度越降。

圖7為不同電弧熔敷送絲速率下涂層的磨痕SEM圖。由圖7（a）—7（d）可見：（1）當(dāng)電弧熔敷送絲速率為800 mm/min和900 mm/min時，涂層合金化程度和硬度較高，組織缺陷較少;在載荷作用下涂層受壓區(qū)表層材料塑性變形較小，隨著摩擦球運(yùn)動將運(yùn)動前端絕大多數(shù)材料推擠到兩側(cè)，形成的犁溝寬度和深度都較小。（2）當(dāng)電弧熔敷送絲速率為1 000 mm/min和1 100 mm/min 時，涂層硬度減弱;受壓區(qū)表層材料塑性變形相應(yīng)增大，在相同載荷條件下受壓區(qū)表層材料犁溝數(shù)量增多、深度增大、磨損程度增加，涂層表面存在大片的剝落和犁溝區(qū)域。這表明，隨著電弧送絲速率增大，涂層磨痕形貌差異變大，磨損形式由犁溝磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閯儗幽p。此外，隨著送絲速率的提高，磨痕中因疲勞磨損而脫落的片層越來越多、越來越大。這是因?yàn)橥繉雍辖鸹潭鹊?，組織的內(nèi)部缺陷多，降低了抵抗接觸區(qū)應(yīng)力和塑性變形的能力，疲勞裂紋擴(kuò)展加快，最終形成大片熔敷層剝落。

綜上所述，在電弧熔敷過程中，采用較大的電流、較慢的絲材移動速率和送絲速率，制備的涂層磨痕面積小、耐磨性好。

3? ? 結(jié)論

在對45鋼表面進(jìn)行電弧熔敷過程中，通過調(diào)節(jié)電流大小、絲材移動速率和送絲速率，可獲得不同耐磨性的涂層。采用較大的電流、較快的絲材移動速率和較慢的送絲速率制備的涂層，晶粒更細(xì)、微觀組織結(jié)構(gòu)更均勻、硬度和耐磨性均較好。具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)電弧熔敷電流為210 A、絲材移動速率為160 mm/min、送絲速率為800 mm/min時，制備的涂層耐磨性最好。若要將該工藝應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際，還需解決電弧熔敷的精度問題，并進(jìn)一步提高制備涂層的表面光潔度。

參考文獻(xiàn)：

[1] 謝仕芳，張林偉，王武榮，等.45鋼與DC53鋼的干滑動摩擦學(xué)行為[J].材料熱處理學(xué)報，2015，36（6）： 222-227.

[2] 余振宇.金屬絲材電弧焊3D打印工藝及應(yīng)用研究[D].武漢：華中科技大學(xué)，2016.

[3] 黃丹，朱志華，耿海濱，等.5A06鋁合金TIG絲材-電弧增材制造工藝[J].材料工程，2017，45（3）： 66-72.

[4] 杜子杰，李文淵，劉建榮，等.CMT成型TC4-DT合金的組織及其形成機(jī)理的CET模型預(yù)測[J].材料研究學(xué)報，2020，34（7）：518-526.

[5] 杜澤林，張文明.電弧增材制造中鋁合金的應(yīng)力與變形的模擬[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（3）：110-113.

[6] 張咪娜.增材制造CoCrMoNbTi與AlCoCuFeNi高熵合金及其組織性能研究[D].北京：北京科技大學(xué)， 2019.

[7] 孫銳，閆文青，李建.機(jī)械振動及電磁攪拌技術(shù)在TIG電弧熔覆陶瓷層中的應(yīng)用[J].熱加工工藝，2014，43（19）：211-212.

責(zé)任編輯? ? 王繼國