電火花沉積鐵硼合金涂層的組織與性能研究

中圖分類號：TG177.4 文獻標志碼：A 文章編號：1004-4345（2025）03-0017-04

AbstractIron-boron aloycoatings were preparedby electro-sparkdeposition usingFe-Ballyaselectrode material inboth argonandargon-fre atmospheresrespectively.Themirostructureandpropertisofthetwocoatingswerecomparativelyinvestigated via metallographicicroscopyscaingelectronmicroscopy（SEM），andphaseanalysis.Keyfidingssho：thecoatingingofree atmosphere exhibitedoughersufaces，andthecoating inargonatmosphereshoweddenser microstructuresandsmothersufaces，yet developedsurfacecracks.BothcoatingsprimarilycontainedFeBphase，along withsmallamountsofmartensitephaseandFe3Bphase. ArgonatmospherecansuppresthedecompositionofFe3Bphase，makingthecoatingpreparedinargonatmospherecontainmoreFe3B phase.The maximummicrohardnessofcoatingspreparedinargonandargon-freeatmospheresare1146HVand138HVrespectively indicatingbothatingangiicantlymproveteardessofsubsrateaterialuttdepositiotmoshressallifuc on coating hardness.

Keywords electro-spark deposition; Fe₂B ; Fe-B alloys; hardness; coating

電火花沉積（Electro-SparkDeposition，ESD）是一種利用高能量密度的電能，沉積材料作為陽極，基體材料作為陰極，通過 100～2000Hz 頻率發生火花放電作用，瞬間釋放大量能量產生高溫，熔化電極材料，把作為電極的導電材料直接沉積到金屬工件表面，以獲得與基體呈現冶金結合的涂層制備工藝。沉積過程中，陰極與陽極的接觸，形成整個設備回路的開路與閉路。當回路為閉合時，脈沖電源釋放出能量，熔化陽極材料，熔覆在陰極表面，涂層瞬間凝固，一次沉積結束，沉積涂層就此形成。由于其快速加熱、快速冷卻特點，為高性能涂層的制備提供了新途徑。

高玉新等2在P20模具鋼表面成功制備了厚度為 400～430μm 的 Ni-Cr 合金涂層，該涂層中下部為枝晶結構，上部為納米晶結構，表面硬度達983.3HV，耐磨性為基體的3.57倍;Wang等利用電火花沉積技術在ZL101鋁合金表面獲得Al-Si納米級涂層。研究結果表明，涂層的晶粒尺寸大小為 50nm ，^4h 浸蝕實驗發現，Al-Si涂層的腐蝕程度僅為基體材料的1/3，基體材料的耐腐蝕性能得到了顯著提高。

Fe₂B 是一種間隙型金屬間化合物，它的晶體結構中同時擁有金屬鍵與共價鍵，使其優異綜合性能：高硬度（1200HV＼～1680HV）、高熱穩定性（熔點為1 389°C，800°C 下仍能保持高硬度， 600^°C 以下抗氧化性能較好）和良好的化學穩定性（抗鹽酸、硫酸、磷酸及熔融鋅/鋁腐蝕）等優點[4-。Selcuk等研究發現單相 Fe₂B 金屬間化合物滲層的硬度是滲碳層的3倍，磨損量僅為后者的1/22.5。然而， Fe₂B 晶體結構中空間鍵絡分布的不均性導致其具有本質脆性8，嚴重損害其力學性能及含 Fe₂B 相材料的使用壽命，制約其工程應用。目前， Fe₂B 強化涂層主要通過等離子熔覆或氬弧熔覆制備，但高溫過程易引發粗晶與裂紋。本研究擬采用電火花沉積工藝制備超細晶的鐵硼合金涂層，重點研究有、無氬氣氣氛保護下制備電火花沉積涂層的組織與性能

1實驗方法

1.1電極材料制備與表征

以FeB粉與純Fe粉為原料，熔鑄制備成分為Fe-8.8%B 的鐵硼合金，并取尺寸為 ×7.5mm×70mm 的棒材作為合金電極進行實驗。其電極材料的XRD衍射圖譜及微觀組織見圖1。

由圖1（a）可知，在該材料的衍射圖譜中僅可觀察到 Fe₂B 相的衍射峰，而未見其他物相的衍射峰，表明該電極材料中僅含 Fe₂B 相。然而，由Fe-B二元合金相圖可知，盡管 Fe-8.8%B 電極材料成分中的B含量極高，并且接近純 Fe₂B 中的B質量分數（ 8.83% ），但是該電極材料仍屬過共晶鐵硼合金，因此其微觀組織盡管以 Fe₂B 相為主，仍應包含極少量的 ∝ -Fe相，如圖1（b）和1（c）所示。但由于 ∝ -Fe相的含量極低，以至于X射線衍射儀并未檢測出。

1.2涂層的電火花沉積制備

采用DL4000電火花沉積設備在45鋼表面制備鐵硼合金涂層。45鋼尺寸為 50mm×35mm×5mm ，沉積電壓為 200V ，電容為 300μF ，頻率為 4500Hz 氬氣作為保護氣體時，其流量為 10L/min ，電極的轉速 2600r/min 。

1.3 微觀組織與硬度分析

1）物相分析。采用 D/Max-2500X 射線衍射儀進行物相分析，靶材為 Cu 靶衍射光源為 Kα 射線，波長為 0.154 18nm 速度為 2（^°）/min 、步長為 0.02^° 掃描范圍 2θ=25^°～85^°

2）顯微組織觀察及硬度測試。采用萊卡DM2700金相顯微鏡和Quanta-200型環境掃描電鏡進行組織觀察。MK-VK型硬度計用于顯微硬度實驗，載荷為50N，保壓時長為 10s 。

2 結果與討論

2.1微觀組織

有、無氬氣保護氣氛下制備的鐵硼合金涂層的X射線衍射圖譜，如圖2所示。

由圖2可知，兩種涂層均主要由 Fe₂B 相組成，并含有少量馬氏體相和 Fe₃B 相。由各物相的XRD衍射峰強度對比可知，氬氣保護氣氛下制備的涂層含有更多的 Fe₃B 相， Fe₂B 相較少

結合謝樂公式 β=kλ/（Lcosθ） 、電極材料成分及兩種涂層的XRD衍射圖譜分析表明，電火花沉積過程使電極材料中的粗晶粒組織轉變為涂層中的超細晶組織。涂層中形成的馬氏體相和 Fe₃B 相與電火花沉積工藝特點密切相關。這是由于電火花沉積是一個快速加熱（電極材料瞬間熔化）和快速冷卻（冷卻速度高達 ^106°C/s 的過程。在此極高冷速下，熔體形核率高，但晶核來不及長大，極易結晶凝固形成超細晶組織。與之類似，電極材料中的鐵素體經快速加熱奧氏體化后，在隨后的極冷過程中完全轉變成馬氏體。此外，電極材料中不含 Fe₃B ，而經過電火花沉積后涂層中卻出現 Fe₃B ，表明在電火花沉積過程中

Fe和 Fe₂B 發生反應生成了 Fe₃B 。而無氬氣保護氣氛的試樣中 Fe₃B 相的含量比較少，是因為有部分Fe₃B 和 O₂ 發生了分解反應。

電火花沉積鐵硼合金涂層的表面宏觀形貌及微觀形貌見圖3、圖4。

圖3電火花沉積鐵硼合金涂層的表面宏觀形貌

由圖3（a）可知，在氬氣保護氣氛下制備的涂層表面光滑、均勻、致密、顏色較淺；由圖3（b）可知，無氬氣保護氣氛下制備的涂層表面凹凸不平，存在類似液滴形狀，且顏色較黑

由圖4（a）可知，在氬氣保護氣氛下沉積涂層表面光滑，組織均勻，但存在裂紋。圖4（b）顯示其表面存在細小、不平整區域。由圖4（c）可見，無氬氣保護的電火花沉積涂層表面不平整，存在大量類似小水滴狀的形態。圖4（d）則顯示該涂層表面存在大量裂紋。

根據電火花沉積技術原理，高能量電能以 100～ 2000Hz 的頻率放電，將導電電極材料熔化并沉積到基體表面，然后迅速冷卻形成強化層。該過程在短時間內產生極高的溫度（近 8000^°C ），若直接暴露在空氣中，高溫不僅會熔化電極材料，還可能熔化部分基體材料，并在表面形成類似于小水珠的形態。在高速旋轉電極的攪拌力作用下，小水珠變為濺射狀，如圖4（c）所示[12-13]，隨后迅速冷卻凝固，從而導致表面形態粗糙。同時，由于直接暴露在空氣中，電極材料會與空氣發生氧化反應，基體材料也會受到影響，最終使涂層表面呈現灰黑色，如圖3（b）所示。相比之下，氬氣保護可防止氧化反應發生，從而獲得表面光滑、組織結構均勻致密的涂層。電火花沉積鐵硼合金涂層的截面微觀形貌見圖5。

由圖5可知，有氬氣保護氣氛比無氬氣保護氣氛下制備的涂層組織結構更均勻。有氬氣保護下制備的涂層出現裂紋，其產生與脈沖電源多次放電累積的熱應力有關[4。電火花沉積過程涉及脈沖電源的多次放電，且每次放電時間極短，導致沉積層中熔點較低的部位經歷反復熔合與開裂。無氬氣保護氣氛下制備的涂層的組織結構不均勻，但裂紋較少。有氬氣保護氣氛下制備的沉積涂層的組織結構和厚度相對均勻，但由于內、外層冷卻速度不一致，內部熱能不易釋放，易產生裂紋；而無氬氣保護氣氛下制備的沉積涂層組織結構和厚度不均勻，散熱傾向于向涂層較薄處進行，反而不易產生裂紋。無氬氣保護氣氛下制備的沉積涂層組織中存在黑點，可能源于電火花沉積過程中電極材料的氧化反應，以及沉積槍攪拌導致未凝固材料的濺射。上述缺陷均影響沉積涂層的耐磨性、耐腐蝕性、熱硬性等性能

2.2硬度

有、無氬氣保護氣氛下制備的鐵硼合金涂層的硬度與表面距離關系，如圖6所示。

由圖6可知，兩種涂層最表面的硬度較高，可確定為涂層區；隨著距表面距離的增加，硬度逐漸降低至較低水平，可確定為基體區；兩區之間則為過渡區。氬氣保護氣氛制備的涂層的過渡區硬度由高到低下降相對平穩；無氬氣保護氣氛制備的涂層的過渡區硬度在靠近涂層區處先出現峰值，然后平穩下降，這可能是靠近涂層區發生氧化反應所致。前者最大硬度為 1146HV ，是基體材料硬度的6.7倍；后者最大硬度為 1138HV ，是基體材料硬度的6.6倍。表明兩種涂層都能顯著提高基本材料的硬度，但是否有氬氣保護氣氛對涂層的硬度影響較小。綜合前述兩種保護氣氛下制備的涂層的表面形貌分析可知，氬氣保護氣氛有利于制備厚度較均勻、缺陷較少的涂層，從而提升涂層的耐磨性、耐腐蝕性和熱硬性等性能

3結論

本文采用電火花沉積工藝在有、無氬氣保護氣氛下制備了鐵硼合金涂層。研究表明，有氬氣保護氣氛下制備的涂層呈現致密均勻結構，表面平整度顯著優于無氬氣保護氣氛下制備的涂層。氬氣氣氛環境中導致熱應力累積引起涂層表面出現裂紋，無氬氣保護氣氛制備的涂層因非均勻散熱反而裂紋較少。兩種涂層均實現晶粒超細化轉變，主相為 Fe₂B ，并伴隨新相生成電極材料中原不存在的馬氏體和Fe₃B 。氬氣氣氛能抑制 Fe₃B 相的分解，使其在涂層中占比顯著高于無氬氣保護氣氛制備的涂層。而無氬氣條件下 Fe₃B 因氧化反應部分分解，同時表面氧化導致組織出現黑色缺陷。氬氣保護涂層峰值硬度為 1 146HV ，無氬氣涂層為 1 138HV ，表明兩種涂層都能顯著提高基體材料的硬度，但是否有氬氣保護氣氛對涂層的硬度影響較小。同時，氬氣涂層因結構致密性更利于耐磨/耐蝕性提升，無氬氣涂層雖裂紋少，但氧化缺陷與表面粗糙將嚴重損害綜合性能。

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