感應重熔對高速軋機軸承熱噴涂層微觀組織性能的影響

解芳 翟長生 燕松山 胡瑞 許春霞

摘 要：為了改善高速軋機軸承熱噴涂層的微觀組織性能，采用感應重熔技術對GCr15軸承鋼表面預制備的高能火焰噴涂Ni60A涂層進行感應重熔處理，并利用金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀、顯微硬度計對感應重熔前后涂層的孔隙率、微觀組織、顯微硬度等進行對比研究，探討感應重熔對涂層以及界面微觀組織、顯微硬度的影響。結果表明，高能火焰噴涂鎳基涂層的孔隙率高達5.09%，且表面孔洞缺陷較多，涂層與基體結合的界面處存在較明顯的界面裂紋和孔隙缺陷，呈現(xiàn)典型的機械結合，界面結合特性較差;而經感應重熔后其涂層組織致密，孔隙率僅為0.27%，涂層缺陷明顯減少，與基體結合的界面處呈現(xiàn)出強冶金融合特性，且涂層中硬質相數(shù)量顯著增多，涂層及界面的顯微硬度均得到較大提升。因此，感應重熔技術可改善涂層的表面組織性能，在高速軋機軸承表面強化方面有一定的應用價值。

關鍵詞：材料表面與界面;感應重熔;高速軋機軸承;鎳基涂層：微觀組織

中圖分類號：TG174.4?? 文獻標識碼：A

doi：10.7535/hbkd.2021yx04004

收稿日期：2021-03-25;修回日期：2021-05-28;責任編輯：馮 民

基金項目：國家自然科學基金（51605230，51765044）;河南省高等學校重點科研項目（21A460021）;河南省高等學校青年骨干教師培養(yǎng)計劃項目（2016GGJS-148）

第一作者簡介：解 芳（1981—），女，江蘇濱海人，副教授，博士，主要從事摩擦學理論及其工業(yè)應用方面的研究。

E-mail：xiefang811222@163.com

解芳，翟長生，燕松山，等.感應重熔對高速軋機軸承熱噴涂層微觀組織性能的影響[J].河北科技大學學報，2021，42（4）：345-351.XIE Fang，ZHAI Changsheng，YAN Songshan， et al.Effect of induction remelting on microstructure and properties of hot spraying coating for high speed rolling mill bearings[J].Journal of Hebei University of Science and Technology，2021，42（4）：345-351.

Effect of induction remelting on microstructure and properties of hot spraying coating for high speed rolling mill bearings

XIE Fang1，ZHAI Changsheng1，2，YAN Songshan3，HU Rui4，XU Chunxia4

（1.School of Intelligent Manufacturing，Nanyang Institute of Technology，Nanyang，Henan 473004，China;2.Henan Hangong Machinery Remanufacturing Technology Company Limited，Nanyang，Henan 473000，China;3.School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan，Hubei 430070，China;4.School of Mechanical and Electrical Engineering，Nanchang Institute of Technology，Nanchang，Jiangxi 330029，China）

Abstract：In order to improve the microstructure and properties of hot spraying coating for bearing of high speed rolling mill，induction remelting was carried out on the Ni60A coating which was prepared on the surface of GCr15 Bearing Steel by high energy flame spraying.The porosity，microstructure and microhardness of the coating before and after induction remelting were analyzed comparatively by metallographic microscope，scanning electron microscope，X-ray diffractometer and microhardness tester.The effect of induction remelting on the microstructure and microhardness of the coating and interface was investigated.The results show that the porosity of nickel based coating prepared by high energy flame spraying is as high as 5.09%，and there are many surface pore defects，as well as there are obvious interface cracks and pore defects at the interface between the coating and the substrate，showing typical mechanical bonding and poor interface bonding properties.However，after the induction remelting，the microstructure of the coating is dense，the porosity is only 0.27%，the defects of the coating are obviously reduced，and the bonding interface between the coating and the substrate shows strong metallurgical fusion characteristics.Additionally，the amount of hard phase in the coating increases significantly，and the microhardness of the coating and interface is greatly improved.Therefore，the induction remelting process can not only improve the surface quality of hot spraying coating for high-speed rolling mill bearings，but also improve the interface bonding characteristics of the coating.The application of induction remelting technology can improve the coating surface structure property，and it may be used in the surface strenthening of high-speed rolling mill bearings for some point.

Keywords：

material surface and interface;induction remelting;bearing of high speed rolling mill;nickel based coating;microstructure

高速軋機軸承是中國重點發(fā)展的高端軸承之一，其在高摩擦磨損和重載沖擊的條件下工作，工況環(huán)境十分惡劣，是高速軋機的主要易損件[1-2]。隨著用戶對軋制產品質量要求的提高，軋機軋制力與軋制速度不斷增加，對軋機軸承的性能也提出了更高要求。因此，提高高速軋機軸承的可靠性與壽命是軋機軸承制造業(yè)急需解決的關鍵問題。現(xiàn)有研究表明，起源于軸承表面或亞表面的裂紋、磨損、腐蝕等損傷，是影響高速軋機軸承可靠性和壽命的關鍵因素[3-6]。如何改善高速軋機軸承的表面組織結構，增加高速軋機軸承的表面硬度和耐磨性，是提高其可靠性和壽命需要突破的技術難題[7-9]。

熱噴涂層的重熔技術是提高軸承等零部件表面性能的有效方法之一[10-11]。目前，常用的重熔技術主要包括鎢極氬弧重熔[12-13]、電子束重熔[14-15]、激光重熔[16-17]、感應重熔[18-19]等。上述幾種重熔技術均可以改善熱噴涂層的耐磨、耐蝕、抗氧化等性能。然而，鎢極氬弧重熔難以對低熔點和易蒸發(fā)的金屬（如鉛、錫、鋅）表面涂層進行重熔;電子束重熔受到真空室空間的限制，僅適用于加工尺寸較小的零部件;激光重熔的生產效率較低，且生產成本較高，不適用于大型零部件的表面強化;而感應重熔技術加工效率高，引起的金屬基體熱損傷和變形小，特別適用于大型柱狀零部件的表面強化[11]。

基于此，為了探討利用感應重熔技術對高速軋機軸承進行表面強化的可行性，本文采用感應重熔技術對GCr15軸承鋼表面預制備的高能火焰噴涂Ni60A涂層進行感應重熔處理，研究感應重熔對高速軋機軸承熱噴涂層微觀組織性能的影響，為感應重熔技術在高速軋機軸承表面的強化應用提供理論依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

本試驗的涂層材料為武漢漢工智造新材料科技有限公司研制的NF201材料[20]，該材料為鎳基自熔性合金粉末，SEM形貌如圖1所示。由圖1可知：該粉末呈圓球形狀，粒度分布為45～106 μm，流動性好，易控制送粉量，適宜自動噴涂操作。

利用高能火焰噴涂設備[21]，在經過表面噴砂粗糙活化處理的高速軋機軸承的GCr15鋼基體上制備厚度為1 mm的涂層，高能火焰噴涂工藝參數(shù)見表1。

為了研究感應重熔對高速軋機軸承熱噴涂層微觀組織性能的影響，利用自主研制的高效智能感應重熔系統(tǒng)，對制備的高能火焰噴涂鎳基涂層進行感應重熔[20]，感應重熔過程中，涂層材料的預熱溫度為300 ℃，重熔溫度為1 012 ℃，精度為±3 ℃。重熔完成后，空冷至室溫。

1.2 試驗方法

1）利用線切割電火花機床將高能火焰噴涂鎳基涂層在感應重熔前后的2種涂層試樣切割成斷面為7 mm×7 mm和表面為10 mm×7 mm的試樣;利用XQ-1型金相試樣鑲嵌機對試樣進行鑲嵌，經砂紙打磨后，使用金剛石拋光膏將試樣拋至鏡面，按體積比3∶1將濃鹽酸和濃硝酸配制成腐蝕劑對試樣進行腐蝕處理。

2）采用LEXT OLS4100奧林巴斯激光共焦顯微鏡觀察上述2種涂層表面及斷面的微觀組織，計算涂層表面的孔隙率。

3）采用德國布魯克D8型XRD衍射儀對2種涂層試樣的物相組成進行測定，掃描速度為2°/min，掃描范圍為30°～80°，步長為0.02°。

4）采用FEI Quanta 650 FEG掃描電鏡觀察涂層的微觀組織形貌，并利用X射線能譜儀進行EDS分析。

5）利用Innovatest Falcon 50維氏顯微硬度儀測試涂層試樣斷面顯微硬度。

2 結果與討論

2.1 噴涂粉末及涂層的物相組成

HG201噴涂粉末及高能火焰噴涂鎳基涂層在感應重熔前后的XRD圖譜見圖2。由圖2可知，HG201粉末以Ni，Cr3Si，NiB，Ni3Si2，Cr3Ni5Si2，Ni2Si和Ni16Cr6Si7等非硬質相為主，并存在著少量的Fe23（C，B）6，Cr7C3硬質相，如圖2 a）所示。經過高能火焰噴涂后（感應重熔前），涂層中出現(xiàn)了Fe3（C，B）6，F(xiàn)e7C3，Cr7C3等硼化物和碳化物硬質相，以及Fe5SiB2，F(xiàn)eSi2，Ni4B3等非硬質相，而原噴涂粉末中NiB，Cr3Ni5Si2非硬質相消失，如圖2 b）所示，說明高能火焰噴涂促進了粉末的部分熔化，形成了新的物相體系。對高能火焰噴涂鎳基涂層進一步進行感應重熔后，其物相以Ni固溶體及Fe7C3，F(xiàn)e23（C，B）6，（Cr，F(xiàn)e）7C3，Cr7C3，CrB4硬質相為主，并存在著少量的Ni3Si2，Ni4B3，Cr3Ni5Si2非硬質相，如圖2 c）所示，由此可見感應重熔促進了硬質相的增加。

2.2 感應重熔前后鎳基涂層的金相組織

圖3 a）、圖3 b）所示分別為感應重熔前后高能火焰噴涂鎳基涂層的表面金相組織圖。由圖3可知：感應重熔前，高能火焰噴涂鎳基涂層的表面含有較多尺寸較大的孔洞、氧化夾雜和裂紋缺陷，分別如圖3 a）中箭頭1，2，3所示。感應重熔后，高能火焰噴涂鎳基涂層的表面組織變得非常致密，僅存在少量尺寸相對較小的孔洞，如圖3 b）中箭頭4所示，而幾乎未見裂紋缺陷。

圖4 a）、圖4 b）所示分別為感應重熔前后高能火焰噴涂鎳基涂層的斷面金相組織圖。由圖4可知：感應重熔前，高能火焰噴涂鎳基涂層斷面的界面處存在較明顯的孔隙缺陷和界面裂紋，分別如圖4 a）中箭頭1，2所示，呈現(xiàn)典型的機械結合，界面結合強度較低。如圖4 b）所示，感應重熔后，高能火焰噴涂鎳基涂層與基體在界面處發(fā)生融合，形成了緊密的冶金結合，界面處的孔隙缺陷和界面裂紋顯著減少。

利用Image-proplus6.0金相分析軟件對上述2種涂層的孔隙率進行測試，結果如表2所示。由表2可知：感應重熔前高能火焰噴涂鎳基涂層的平均孔隙率為5.09%，孔隙率較高;而該涂層經過感應重熔后其平均孔隙率僅為0.27%，說明對高能火焰噴涂鎳基涂層進行感應重熔可以有效降低其孔隙率，減少涂層孔隙缺陷，提高組織致密性。

2.3 感應重熔前后鎳基涂層的SEM形貌觀察及EDS分析

圖5為感應重熔前后高能火焰噴涂鎳基涂層的表面SEM形貌。由圖5可知：感應重熔前高能火焰噴涂鎳基涂層中存在尺寸較大、數(shù)量較多的孔洞和裂紋，如圖5 a）中箭頭1，2，3所示。感應重熔后，高能火焰噴涂鎳基涂層中的孔洞及裂紋顯著減少，涂層中主要彌散分布著白亮色組織（Ni固溶體）、黑色組織（碳化物、硼化物等硬質相）和灰色組織（Ni，Cr合金的軟質共晶組織）[22]，分別如圖5 b）中箭頭4，5，6所示。說明感應重熔能夠有效促進涂層晶粒細化，使其組織變得更加致密。

圖6為感應重熔前后高能火焰噴涂鎳基涂層的斷面SEM形貌。由圖6 a）可知：由于高速火焰射流的沖擊作用，高能火焰噴涂涂層中的顆粒明顯扁平化，界面出現(xiàn)了貫穿裂紋，如圖6 a）中箭頭1所示。噴涂形成的顆粒周圍發(fā)現(xiàn)閉合及連續(xù)的裂紋，如圖6 a）中箭頭2，3，4所示。該斷面SEM形貌再次證明了高能火焰噴涂鎳基涂層的多缺陷特征，且其界面呈現(xiàn)典型的機械結合，界面結合特性較差。由圖6 b）可知，感應重熔后的高能火焰噴涂鎳基涂層組織較致密，且其與基體結合的界面處未發(fā)現(xiàn)明顯的孔洞及界面裂紋等缺陷。這說明感應重熔有助于涂層與基體在界面處形成良好的冶金反應，顯著改善界面的結合特性。

圖7為感應重熔前后高能火焰噴涂鎳基涂層的斷面EDS圖譜。由圖7 a）可知，感應重熔前的高能火焰噴涂鎳基涂層中的主元素Ni和GCr15基體組織的主元素Fe在界面處呈現(xiàn)陡降特性，進一步驗證了高能火焰噴涂過程中基體和涂層沒有在界面處形成融合區(qū)，屬于典型的機械結合。由圖7 b）可知：高能火焰噴涂鎳基涂層經感應重熔后，基體一側以Fe元素為主，涂層一則以Ni，Cr元素為主;從基體向界面過渡時Fe元素含量逐漸降低，而Ni，Cr元素含量逐漸增加。在基體與涂層的界面結合處Fe，Ni，Cr元素大量共存，與感應重熔前涂層在界面處Fe元素的陡變現(xiàn)象不同，感應重熔后的涂層在界面附近Fe含量呈現(xiàn)層次性梯度過渡特征，說明感應重熔后在界面處形成了冶金結合的融合區(qū)，有助于改善涂層與基體的界面結合特性。

2.4 感應重熔前后鎳基涂層的顯微硬度

圖8所示為感應重熔前后高能火焰噴涂鎳基涂層斷面顯微硬度分布圖。由圖8可知，2種涂層的斷面顯微硬度均呈現(xiàn)階梯狀分布，基體部分的顯微硬度均較小且基本相當;感應重熔前，高能火焰噴涂鎳基涂層在界面過渡處的顯微硬度略低于基體，而感應重熔后涂層在界面過渡處的顯微硬度顯著增加，且其涂層部分的顯微硬度明顯高于感應重熔前，說明感應重熔不僅顯著提高了涂層的顯微硬度，而且有助于涂層獲得較好的斷面顯微硬度分布，改善界面的結合特性。

3 結 論

本文對GCr15軸承鋼表面高能火焰鎳基涂層進行了感應重熔，對比分析了感應重熔前后涂層表面及斷面的孔隙率、金相組織、微觀形貌與能譜以及顯微硬度的變化情況，探討了感應重熔對涂層微觀組織以及界面特性的影響，得到如下結論。

1）感應重熔不僅可以有效減少高速軋機軸承熱噴涂層的孔洞及裂紋缺陷，顯著降低涂層的孔隙率，改善涂層表面的組織性能，而且可以有效促使基體中的Fe元素、涂層中的Ni和Cr等元素在界面處相互向對方層擴散，從而在界面處產生充分的冶金反應，獲得良好的界面結合特性。

2）高速軋機軸承熱噴涂層經過感應重熔后，晶粒明顯細化，F(xiàn)e7C3，F(xiàn)e23（C，B）6，（Cr，F(xiàn)e）7C3，Cr7C3，CrB4等硬質相大幅增加，表面及斷面顯微硬度均得到顯著提高，具有較好的顯微硬度分布特征。

采用單一的感應重熔技術對高速軋機軸承進行表面強化的效果仍比較有限，未來可探討通過后熱處理工藝進一步改善涂層的綜合性能。

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