反應(yīng)氣體流量對機械傳動軸表面涂層與性能的影響

楊 林，李文兵，趙雪飛

（1.四川航天職業(yè)技術(shù)學院，四川成都 610100；2.成都理工大學材料與化學化工學院，四川成都 610059）

機械傳動軸在各類機械或傳動系統(tǒng)中被廣泛用來承受交變載荷或者沖擊等作用［1］，因此，機械傳動軸需要具有足夠的強韌性及剛度等，而在具有復(fù)雜與其它物體相互接觸或腐蝕性介質(zhì)侵蝕工況條件下，機械傳動軸還需要具有良好的耐磨性能和耐腐蝕性能，以抵御外界環(huán)境或應(yīng)力等對傳動軸的破壞［2］，保障機械或者傳動系統(tǒng)的使用壽命。4Cr13馬氏體不銹鋼由于具有良好的機械加工性能、較高的強度和韌塑性等，常用來加工成機械傳動軸使用，但是在摩擦、腐蝕性介質(zhì)存在條件下，4Cr13不銹鋼的局部區(qū)域會發(fā)生磨損或者腐蝕，影響整體結(jié)構(gòu)的服役性能和使用壽命，需要對其進行表面改性處理［3］，以在不降低4Cr13不銹鋼基體材料力學性能的前提下增強耐磨和耐腐蝕性能，從而更好的復(fù)雜工況的使用需求。雖然采用電鍍、熱噴涂等工藝制備的表面涂層能夠在一定程度上改善不銹鋼基體的表面性能［4-5］，但是這些涂層存在單一涂層耐磨性和耐腐蝕性不能滿足使用要求，以及復(fù)合涂層與不銹鋼基體的結(jié)合力較差等問題［6-7］。本文擬創(chuàng)新性地采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)在機械傳動軸表面制備表面SiC涂層（高硬度高耐磨）+Ta過渡層（良好強韌性）的復(fù)合涂層，研究復(fù)合涂層制備過程中反應(yīng)氣體（氫氣+四甲基硅烷）流量對復(fù)合涂層顯微形貌、耐磨和耐腐蝕性能的影響，以期通過反應(yīng)氣體流量控制和復(fù)合涂層制備提升機械傳動軸的使用性能，為工業(yè)化生產(chǎn)提供必要參考。

1 材料與方法

采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)在機械傳動軸表面制備表面SiC涂層+Ta過渡層的復(fù)合涂層，基體材質(zhì)為4Cr13不銹鋼，主要元素質(zhì)量分數(shù)為：0.41%C、0.60%Si、0.77%Mn、0.010%P、0.005%S、13.11%Cr，余量為Fe。將4Cr13不銹鋼加工成? 20 mm×4 mm圓片狀，端面打磨、拋光并依次用清水沖洗和酒精超聲清洗，吹干后備用。

試驗設(shè)備為自制雙輝等離子表面冶金設(shè)備，以Ta靶材為源極，反應(yīng)氣體為氫氣（99.99%）+四甲基硅烷（99.99%）混合氣體，激發(fā)氣體和保護氣體為高純氬氣（99.99%）。復(fù)合涂層的制備包括先在基體上制備Ta過渡層以及在Ta層上制備SiC涂層。（1）Ta過渡層制備：Ta靶為源極并保持Ta靶與基體距離為20 mm，輝光放電至基體溫度升高為800℃進行預(yù)濺射，6 min后調(diào)節(jié)源極電壓至?700 V、基體電極電壓為?450 V，保溫45 min，保護氣氬氣流量為55 mL/min（sccm）；（2）SiC涂層制備：通入H2+TMS混合氣體作為反應(yīng)氣體，其中，H2流量為10 mL/min不變，調(diào)節(jié)TMS流量分別為0.5 mL/min、1.0 mL/min、1.5 mL/min和2.0 mL/min，輝光放電至基體溫度為800℃、保溫20 min，Ta靶和基體電壓分別為?700 V和?450 V。

復(fù)合涂層的顯微形貌采用TESCAN VEGA3鎢燈絲掃描電子顯微鏡進行觀察，附帶能譜儀對涂層和基體局部區(qū)域進行能譜分析；物相分析采用德國D8 ADVANCE型X射線衍射分析儀進行，掃描角度為30～90°；摩擦磨損試驗采用HSR-2M型往復(fù)摩擦磨損試驗機進行，方式選用球-盤式干滑動摩擦，摩擦副為?5 mm Al2O3球，試驗溫度為室溫、濕度RH65%，施加載荷2 N、滑動頻率5 Hz、滑動距離5 mm、時間設(shè)定為15 min；摩擦磨損試驗后的磨痕尺寸使用SmartWLI擴展型白光干涉三維輪廓儀測量，并計算磨損體積（mm3）和比磨損率K［8］：

其中：l為磨痕長度（mm）、h為磨痕深度（mm）、w為磨痕寬度（mm），F(xiàn)為載荷（N）、S為滑動距離（m）。采用Gamry-Reference 600型號電化學工作站進行陽極極化曲線測試［9］，基體和復(fù)合涂層試樣為工作電極（被測試樣面積為10 mm2）、飽和甘汞為參比電極、鉑片為輔助電極，實驗溫度為25℃，電解液為3.5 wt.%NaCl溶液，掃描速度為0.5 mV/s。

2 結(jié)果與分析

圖1為不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的顯微形貌。當反應(yīng)氣體流量為10/0.5時，基體表面復(fù)合涂層呈環(huán)形花紋狀，涂層整體較為平整；當反應(yīng)氣體流量為10/1.0時，基體表面復(fù)合涂層的環(huán)狀花紋逐漸模糊并變得雜亂，同時可見細小白色顆粒均勻分散在復(fù)合涂層中；當反應(yīng)氣體流量為10/1.5時，基體表面復(fù)合涂層為層狀花紋狀，平整度相對反應(yīng)氣體流量為10/0.5時較差；當反應(yīng)氣體流量為10/2.0時，基體表面復(fù)合涂層中可見尺寸不等的顆粒和顯微凹坑，局部還可見顯微孔洞。整體而言，當反應(yīng)氣體中H2流量不變，隨著反應(yīng)氣體中TMS濃度的增加，基體表面復(fù)合涂層逐漸從致密花紋狀演變?yōu)轭w粒+凹坑+顯微孔洞形態(tài)，表面缺陷呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢。這主要是因為在H2流量不變條件下，增加TMS濃度會影響復(fù)合涂層中SiC的形成，而濺射在基體表面的Ta原子并不會受到顯著影響［10-11］，二者共同作用下會造成基體表面SiC/Ta復(fù)合涂層形態(tài)發(fā)生變化。

圖1不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的顯微形貌Fig.1 Microstructure of surface coating of transmission shaft with different reaction gas flow

圖2為不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的截面形貌。當反應(yīng)氣體流量為10/0.5時，基體表面可見次表層Ta過渡層和表層SiC涂層，厚度分別約為2 μm和2.5 μm，SiC/Ta復(fù)合涂層厚度相對較小，這主要是因為此時TMS流量較小，SiC涂層合成速率和厚度較小，但是涂層間未見明顯孔洞或者裂紋等缺陷；當反應(yīng)氣體流量為10/1.0時，SiC涂層和Ta過渡層都較為致密，且界面處未見孔洞或者裂紋等缺陷；當反應(yīng)氣體流量為10/1.5時，基體表面也可見SiC/Ta復(fù)合涂層的雙層結(jié)構(gòu)，SiC涂層厚度相對有所增加，但靠近次表層區(qū)域有顯微孔洞存在；在反應(yīng)氣體流量為10/2.0時，SiC涂層和Ta過渡層厚度與反應(yīng)氣體流量為10/1.5時相當，但界面處存在明顯孔洞或者縫隙等缺陷。

圖3為不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的能譜分析，復(fù)合涂層位置1～位置6在圖2（a）中標注出，位置1和位置2分別在SiC涂層表層和內(nèi)層，位置3和位置4分別在Ta層的近表層和近基體區(qū)域，位置5和位置6分別在基體近Ta層和基體遠離界面處，其他涂層所在位置標記相同。對比分析可知，不同反應(yīng)氣體流量時涂層和基體的能譜分析結(jié)果都呈梯度分布特征，其中，隨著距表面涂層距離的增加，Si元素原子百分數(shù)逐漸減小，Ta元素原子百分數(shù)先增加后減小，而Fe和Cr元素原子百分數(shù)逐漸增加，尤其是在靠近傳動軸基體區(qū)域時，F(xiàn)e和Cr元素原子百分數(shù)增幅較大。此外，從外表面SiC涂層的能譜分析結(jié)果可見，靠近Ta層的位置2處的Si含量相較位置1處較低，且該位置處還含有一定含量的Fe和Cr，表明在涂層制備過程中發(fā)生了從基體到SiC層的Fe和Cr元素擴散；Ta過渡層的位置3和位置4處各元素含量差異較小，只是從表至里Si元素原子百分數(shù)略有減小，而Ta、Fe和Cr元素原子百分數(shù)有所增加；基體中的位置5和位置6處主要含有Cr、Fe和C元素，并含有少量Ta，且位置5處Cr和Fe元素含量低于位置6處，而Ta元素含量高于位置6處，這主要是因為涂層制備過程中這三種元素發(fā)生了擴散所致［12］，Ta過渡層已與基體實現(xiàn)了緊密結(jié)合。

圖2 不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的截面形貌Fig.2 Cross sectional morphology of transmission shaft surface coating with different reaction gas flow

圖3不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的能譜分析Fig.3 Energy spectrum analysis of transmission shaft surface coating and substrate with different reaction gas flow

圖4為不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的X射線衍射分析結(jié)果。相較于未制備涂層的4Cr13基體而言，不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層還出現(xiàn)了TaC、Ta2C、Ta和SiC衍射峰，這主要是因為磁濺射Ta過程中Ta會與4Cr13基體中的C元素發(fā)生反應(yīng)而形成TaC、Ta2C［13］。隨著反應(yīng)氣體流量增 加，TaC/SiC、Ta2C、Ta/SiC和71.8°對應(yīng)的Ta2C/SiC衍射峰強度逐漸減弱，反映在相含量上則表現(xiàn)為表層中TaC+Ta2C總含量減小、SiC含量增加。

圖4不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的XRD譜圖Fig.4 XRD spectra of surface coating and substrate of transmission shaft with different reaction gas flow

圖5為不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的摩擦系數(shù)曲線。對比分析可知，不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的摩擦系數(shù)都小于4Cr13基體，且當反應(yīng)氣體流量為10/0.5時，涂層的摩擦系數(shù)較大，而反應(yīng)氣體流量為10/1.5時涂層的摩擦系數(shù)最小。

圖5 不同反應(yīng)氣體流量下傳動軸表面涂層和基體的摩擦系數(shù)Fig.5 Friction coefficient of surface coating and sub‐strate of transmission shaft with different reac‐tion gas flow

對于4Cr13基體，摩擦開始階段摩擦系數(shù)波動較大，這主要與基體表面氧化膜被磨穿有關(guān)，而隨后摩擦副直接與4Cr13基體摩擦而使摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.55附近，繼續(xù)延長摩擦磨損時間，磨損造成的黏附作用增強會使得摩擦阻力增大、摩擦系數(shù)升高［14］；不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的摩擦系數(shù)波動幅度相對基體明顯較小，且反應(yīng)氣體流量為10/1.0和10/1.5時涂層的摩擦系數(shù)隨摩擦時間延長較為穩(wěn)定，而反應(yīng)氣體流量為10/2.0時涂層的摩擦系數(shù)波動較大則主要與涂層表面的顆粒+凹坑+顯微孔洞形態(tài)有關(guān)。整體而言，在傳動軸基體表面制備不同反應(yīng)氣體流量的復(fù)合涂層都有助于減小摩擦系數(shù)，起到減摩作用［15］，在反應(yīng)氣體流量為10/1.0時涂層摩擦系數(shù)最小且較為穩(wěn)定，這主要與此時涂層較為平整、致密有關(guān)［16］。

圖6為不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的磨損形貌，表1列出了相應(yīng)的摩擦磨損實驗結(jié)果。4Cr13基體表面可見較深的梨溝和溝內(nèi)顆粒物，磨痕寬度和深度分別為848 μm和15.79 μm，磨損機制為磨粒磨損+黏著磨損；當反應(yīng)氣體流量為10/0.5時，涂層表面可見較淺的磨痕和邊緣處磨屑，磨痕寬度和深度分別為363 μm和8.68 μm，磨損機制為輕微磨粒磨損+黏著磨損；當反應(yīng)氣體流量為10/1.0時，涂層表面未見梨溝、磨屑等存在，磨痕寬度和深度分別為265 μm和1.89 μm，磨損機制為輕微磨粒磨損；反應(yīng)氣體流量為10/1.5時涂層表面磨損形貌與反應(yīng)氣體流量為10/1.0時相似，只是磨痕相對較深、較寬，磨損機制為輕微磨粒磨損；當反應(yīng)氣體流量為10/2.0時，涂層表面可見較深的梨溝、磨痕寬度較?。?27 μm），磨損機制為黏著磨損+輕微磨粒磨損。此外，不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的磨痕寬度、磨痕深度、磨損體積和比磨損率都小于4Cr13基體表面，且隨著反應(yīng)氣體中TMS流量增加，涂層的磨痕寬度、磨痕深度、磨損體積和比磨損率先減小后增大，當反應(yīng)氣體流量為10/1.0時取得最小值，這主要與此時涂層SiC含量較高，且涂層平整、致密與基體結(jié)合良好等有關(guān)［17-18］，抵抗摩擦磨損的能力增強。

表1 不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的摩擦磨損實驗結(jié)果Tab.1 Friction and wear test results of surface coating and substrate of transmission shaft with different reaction gas flow

圖6 不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of surface coating and substrate of transmission shaft with different reaction gas flow

圖7為不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的極化曲線，對應(yīng)的腐蝕電位和腐蝕電流密度擬合結(jié)果如表2。4Cr13基體的腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為?0.482 V和4.40×10-6A/cm2，不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的腐蝕電位都相對基體發(fā)生正向移動，且腐蝕電流密度減小，在反應(yīng)氣體流量為10/1.0時取得腐蝕電位最正、腐蝕電流密度最小值。

表2 不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的極化曲線擬合結(jié)果Tab.2 Polarization curve fitting results of transmission shaft surface coating with different reaction gas flow and substrate

圖7 不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層和基體的極化曲線Fig.7 Polarization curves of transmission shaft surface coating and substrate with different reaction gas flow

熱力學參數(shù)-腐蝕電位越正，表示材料的腐蝕傾向越小，而動力學參數(shù)-腐蝕電流密度越小則材料的腐蝕速率越低［19］，由此可見，不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的耐腐蝕性性能都優(yōu)于4Cr13基體，且反應(yīng)氣體流量為10/1.0時涂層具有最佳耐腐蝕性能。

這主要是因為涂層中無論是表面SiC涂層還是次表層Ta過渡層都具有良好的耐腐蝕性能［20］，且反應(yīng)氣體流量為10/1.0時涂層最為平整、致密，與基體結(jié)合良好，耐腐蝕性能較好，而反應(yīng)氣體中TMS流量過小或者過大時涂層中都存在孔洞等缺陷，腐蝕介質(zhì)更容易進入涂層而降低耐蝕性［21］。

3 結(jié)論

（1）當反應(yīng)氣體中H2流量不變，隨著反應(yīng)氣體中TMS濃度的增加，基體表面復(fù)合涂層逐漸從致密花紋狀演變?yōu)轭w粒+凹坑+顯微孔洞形態(tài)，表面缺陷呈現(xiàn)逐漸增多的趨勢。相較于未制備涂層的4Cr13基體而言，不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層還出現(xiàn)了TaC、Ta2C、Ta和SiC衍射峰。

（2）在傳動軸基體表面制備不同反應(yīng)氣體流量的復(fù)合涂層都有助于減小摩擦系數(shù)，起到減摩作用，在反應(yīng)氣體流量為10/1.0時，涂層摩擦系數(shù)最小且較為穩(wěn)定。不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的磨痕寬度、磨痕深度、磨損體積和比磨損率都小于4Cr13基體表面，且隨著反應(yīng)氣體中TMS流量增加，涂層的磨痕寬度、磨痕深度、磨損體積和比磨損率先減小后增大，當反應(yīng)氣體流量為10/1.0時，取得最小值。

（3）傳動軸4Cr13基體的腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為?0.482 V和4.40×10?6A/cm2，不同反應(yīng)氣體流量的傳動軸表面涂層的腐蝕電位都相對基體發(fā)生正向移動，且腐蝕電流密度減小，在反應(yīng)氣體流量為10/1.0時，取得腐蝕電位最正、腐蝕電流密度最小值。