等离子弧喷焊Mo涂层微观组织结构及摩擦磨损性能研究

邓新科，张国君，王 涛，任 帅，柏忠炼，曹 潜

(西安理工大学材料科学与工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

铁基合金由于具有适中的强度、良好的塑性和韧性，以及低廉的价格而被广泛应用于各种工业设备及零部件中。然而，在一些苛刻的摩擦环境下，铁基合金工件常常遭受严重的磨损而导致失效[1-3]。提高工件耐磨性的途径一般有2种，一种是合金化，然而合金化通常较大地增加了材料成本；另一种是表面工程技术，也就是在工件表面制备一层耐磨涂层以提高工件的耐磨性，从而延长工件使用寿命，提高生产效率。常见的表面工程技术有热喷涂、磁控溅射、激光表面熔敷以及等离子弧喷焊等，在众多表面工程技术中，等离子弧喷焊技术由于具有高的沉积效率、电弧能量密度高、成本低廉、涂层致密且涂层与基体能够实现冶金结合而被广泛应用于耐磨涂层的生产制备中[4-7]。日本学者[8-9]研究发现Mo合金在摩擦磨损过程中由于氧化在磨损表面能够形成低摩擦系数的MoO3，起到减摩的作用从而显著提高了合金的耐磨性。因此，本研究的目的是通过等离子弧喷焊技术，在铁基合金表面制备一层Mo涂层，一方面提高基体合金的耐磨性，另一方面又保留了基体合金优异的力学性能。

1 实验过程

本实验以45钢为喷焊基体材料，以球形钼粉为喷焊粉末，通过等离子弧喷焊技术，在45钢基体上制备Mo涂层。喷焊前，先将45钢基体用砂纸打磨去除表面氧化皮以提高涂层与基体的结合强度。喷焊转移弧功率为15 kW，喷焊距离为15 mm，整个喷焊过程中以高纯氩气作为送粉气和保护气氛。喷焊后，对涂层进行线切割取样，利用金相显微镜、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对涂层形貌、物相以及微观组织进行分析。并在HT-1000摩擦磨损试验机上对涂层摩擦磨损性能进行测试，随后利用扫描电子显微镜观察磨损表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 涂层微观组织结构

喷焊后Mo涂层纵截面形貌如图1(a)所示，可以看出所制备Mo涂层致密，无明显孔洞和裂纹，涂层与基体实现了冶金结合，涂层厚度大约为6 mm。图1(b)给出了Mo涂层的XRD物相分析结果，可以看出，喷焊后Mo涂层主要物相为-Fe固溶体(-Fess)，金属间化合物R-Fe63Mo37相，以及少量金属间化合物μ-Fe7Mo6相，这说明Mo粉末在喷焊熔池中与熔化的钢基体发生了充分的冶金反应。同时可以观察到Mo涂层的XRD衍射峰具有明显的宽化，表明Mo涂层中可能存在一定量的非晶或纳米晶。

图2为Mo涂层纵截面显微组织形貌，从图2(a)可以看出，Mo涂层显微组织均匀细小，无明显微裂纹和孔洞等缺陷，涂层与基体之间存在明显的柱状晶界面，这表明Mo涂层与45钢基体实现了良好的冶金结合，界面处柱状晶的形成是由于界面处温度梯度大、冷却速率小，从而有利于柱状晶的生长。图2(b)为图2(a)中Mo涂层部分的局部放大，可以看出Mo涂层呈现出典型的金属凝固枝晶组织，通过EDS能谱分析，灰白的胞状组织为金属间化合物R-Fe63Mo37相，黑色区域基体组织为-Fe固溶体，枝晶间的层片状组织为-Fe/ R-Fe63Mo37共晶组织，μ-Fe7Mo6相并未通过EDS能谱分析发现，这可能是由于其含量较少。

图1 (a) Mo涂层纵截面形貌照片；(b) Mo涂层XRD物相分析结果

图2 (a) Mo涂层纵截面SEM显微组织照片；(b) Mo涂层部分局部放大显微组织照片

2.2 涂层显微硬度

图3为Mo涂层纵截面显微硬度分布曲线，可以看出Mo涂层显微硬度沿涂层纵截面分布均匀，大约为750 HV，相对于45钢基体显微硬度(约为180 HV)提高了4倍，界面显微硬度略低于涂层显微硬度。Mo涂层显微硬度的提高主要是金属间化合物R-Fe63Mo37和μ-Fe7Mo6的强化作用，以及-Fe固溶体的固溶强化作用。

图3 Mo涂层纵截面显微硬度

2.3 涂层摩擦磨损性能

图4(a)为45钢摩擦磨损试验后磨损表面形貌照片，可以看出45钢磨损表面粗糙，主要以犁沟、粘着、塑性变形为主要特征；Mo涂层磨损表面相对光滑，存在明显的断裂棱、轻微的擦伤。这表明45钢的磨损主要是磨粒磨损和粘着磨损，而Mo涂层的磨损为断裂磨损及轻微的磨粒磨损。从图4(c)可以看出，与45钢基体相比，Mo涂层摩擦系数降低了19%。磨损量结果表明(图4(d))，Mo涂层相对耐磨性是45钢基体的15倍。在摩擦磨损过程中，Mo涂层中存在的大量金属间化合物硬质相对涂层起到了保护作用，避免了涂层发生严重的粘着磨损及磨粒磨损，而-Fe固溶体塑性相对金属间化合物相起到了支持作用，避免了金属间化合物在摩擦磨损过程中的剥落，同时由于金属间化合物相具有本征脆性，因此在摩擦磨损过程中发生了局部断裂。Mo涂层摩擦系数的降低表明在摩擦磨损过程中，磨损表面温度急剧升高并发生了氧化，生成了具有润滑作用的MoO3转移膜，提高了Mo涂层的耐磨性[10]。

图4 (a) 45钢磨损表面形貌照片；(b) Mo涂层磨损表面形貌照片；(c) 45钢和Mo涂层摩擦系数曲线；(d) 45钢和Mo涂层磨损量

3 结 论

(1)采用等离子弧喷焊技术，在45钢基体上制备了均匀致密的Mo涂层，涂层与基体实现了冶金结合。

(3)Mo涂层显微硬度沿涂层纵截面分布均匀，相比45钢基体硬度，涂层硬度提高了4倍；Mo涂层相对耐磨性是45钢基体的15倍且摩擦系数降低了19%。

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