基于電弧熔敷技術的45鋼表面耐磨涂層制備工藝研究

陶佳虓 葉煒欽 姚遠遠 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，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。實驗結果表明，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? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-7394（2021）04-0018-07

45鋼是一種優質碳素結構鋼，具有高屈服強度、抗拉強度、延伸率、斷面收縮率等優良特性，但是硬度較低。因此，它易被切削加工成復雜零件，廣泛用于各種機械裝備結構件和運動件的制造，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境惡化，機械裝備的表面往往會發生嚴重磨損，降低了機器的使用壽命，乃至導致機器失效 。常見的失效致因有電化學腐燭、摩擦磨損、氧化、彎曲疲勞斷裂和扭曲等。統計顯示，每年因機械零件表面磨損、腐蝕而失效的鋼材約占我國鋼材總產量的12%，造成的經濟損失占到國民經濟總產值的2.3%[1]。

當前，通過熔煉技術提升鋼的純度，以及改變其化學成分來提高鋼的各項性能，都存在著較大的困難，而表面改性技術則能較好地解決上述問題。該技術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合，形成冶金結合層。常用的表面改性技術有電弧熔敷、表面滲氮、熱噴涂、氣相沉積和高能束等技術[2-4]。其中，電弧熔敷技術不僅能克服表面滲氮、氣相沉積技術涂層較薄的弱點，而且能解決熱噴涂涂層與基體結合強度低的缺陷，在保證基體合金原有性能的條件下，彌補45鋼零件表面硬度低、耐磨性差等缺點[5-7]。因此，采用電弧熔敷技術在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踐價值。

1? ? 實驗部分

1.1? 基體與涂層準備

由于45鋼容易生銹，因此在進行電弧熔敷增材制造之前需要使用角磨機對其表面進行打磨拋光，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，去除表面的雜質及氧化物。然后，放入預先加熱到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焊電弧熔敷系統進行耐磨涂層的制備。通過調節電弧熔敷電流、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數顯轉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摩擦磨損試驗機上，載荷和轉速分別設置為12 N、200 r/min;用直徑為Φ6 mm的三氧化二鋁陶瓷球與涂層進行往復式干磨，摩擦時間為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，分析不同工藝參數與耐磨性的變化規律。采用Sigma 500場發射掃描電鏡觀察涂層磨痕的微觀形貌，分析其磨損機理。

2? ? 結果與討論

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%。可見，隨著電弧熔敷電流的增大，涂層的耐磨性顯著提高。分析認為：電流增加會導致電弧力增大，提高了電弧攪拌熔池液態金屬的能力;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，從而導致其表面硬度相應提高。

采用掃描電鏡對不同電流下涂層磨痕形貌進行觀察，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。當電流為150 A、170 A時，涂層表面存在大片的剝落和犁溝區域。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表層材料發生塑性變形，并隨著摩擦球運動將前端絕大多數材料推擠到兩側。由于摩擦陶瓷球表面是存在微凸凹結構的非光滑表面，因此被推擠出凸凹不平的不規則犁溝。當電流為190 A和200 A 時，涂層表面剝落和犁溝區域明顯減小。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，受壓區表層材料塑性變形減小，犁溝數量減少、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%。分析認為：絲材移動速率快熔池凝固也快，涂層晶粒粗化程度低，細小晶粒具有強化涂層的作用。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行測試，結果為：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。可見，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域;當絲材移動速率為55 mm/min和83 mm/min時，涂層硬度較低，載荷作用使涂層受壓區表層材料塑性變形較大，并隨著摩擦球運動將前端絕大多數材料推擠到兩側，形成的剝落及犁溝的寬度和深度都較大;當絲材移動速率為120 mm/min和160 mm/min 時，涂層硬度略有提高，受壓區表層材料塑性變形相應減小，在相同載荷條件下，受壓區表層材料犁溝數量減少、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構均勻程度降低。對不同電流制備涂層的硬度值測試結果表明：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?，送絲速率越大，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表層材料塑性變形較小，隨著摩擦球運動將運動前端絕大多數材料推擠到兩側，形成的犁溝寬度和深度都較小。（2）當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;受壓區表層材料塑性變形相應增大，在相同載荷條件下受壓區表層材料犁溝數量增多、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變為剝層磨損。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。這是因為涂層合金化程度低，組織的內部缺陷多，降低了抵抗接觸區應力和塑性變形的能力，疲勞裂紋擴展加快，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? ? 結論

在對45鋼表面進行電弧熔敷過程中，通過調節電流大小、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、微觀組織結構更均勻、硬度和耐磨性均較好。具體實驗結果為：當電弧熔敷電流為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。若要將該工藝應用到生產實際，還需解決電弧熔敷的精度問題，并進一步提高制備涂層的表面光潔度。

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責任編輯? ? 王繼國