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摘要：在确定了喷焊工艺参数的情况下，对3种不同成分配比的氧-乙炔火焰粉末喷焊层进行了高温磨损试验，并与盐浴淬火件对比。通过对试验结果和试件的金相显微组织分析，获得耐高温磨损喷焊层的最佳材料组分。研究结果可为正确应用这些强化工艺提供依据。
关键词：热喷涂；高温覆层；粘着磨损；试验
引言
喷焊层的耐磨或减磨性能不仅取决于喷焊材料的固有特性，它还受整个摩擦系统工作参数的影响。在一定工况条件下，喷焊材料的成分、组织和性能对摩擦磨损行为有重要的影响。而温度对磨损的影响是间接的。例如，温度升高，硬度下降，互溶性增加，磨损即加剧；温度上升，氧化速度加剧，也影响磨损性能。从材料表面研究提高其高温耐磨性一般从两个方面着手：一是具有良好的机械特性，二是设法形成具有非金属性质的摩擦面。对工程机械和农业机械中的一些刚性结构件，一般可通过各种表面技术如热喷涂技术使材料表面形成可以抑制摩擦副在摩擦过程中的粘附、熔附以及由此引起的金属转移的保护层，从而提高耐磨性。同时，这些表面层的红硬性，使高温耐磨性大大提高［1］。
本试验是在以前对喷焊层进行粘着磨损、热寿命及抗热震研究的基础上［2］，对喷焊层的高温耐磨性作了进一步的试验分析并进行评价，为实际应用提供参考。
1试验设计
采用氧-乙炔火焰粉末喷焊工艺，选用自熔性合金粉末、复合粉末及少量陶瓷粉末经机械混合形成。
1.1喷焊工艺
本试验采用“二步法”喷焊工艺，喷枪型号SPH2/h，喷焊工艺参数见表1。
表1喷焊工艺参数
氧气
压力
p1/MPa |
氧气
流量
q1/L．h-1 |
乙炔
压力
p2/MPa |
乙炔
流量
q2/L．h-1 |
送粉量
Q/kg．h-1 |
粉末
熔点
t/℃ |
喷粉
距离
d/mm |
工件
转速
n/r．min-1 |
预热
温度
t1/℃ |
工作
温度
t2/℃ |
涂层
厚度
δ/mm |
| 0.4 |
310～
360 |
0.05～
0.07 |
430～
560 |
1.5 |
1050 |
100～
120 |
30 |
230～
270 |
700～
800 |
0.4～
0.5 |
1.2喷焊层设计
所谓自熔性合金是指熔点较低，熔融过程中能自行脱氧造渣，能“润湿”基材表面而呈冶金结合的一类合金。大多数自熔性合金都是在Ni基、Co基、Fe基合金中添加适量的硼、硅元素而制成。其中,B、Si与Ni、Fe、Co都能形成低熔点的共晶合金而显著降低它们的熔点，其熔点在950～1200℃之间；合金在熔融状态时，B、Si生成的氧化物复合成低熔点的硅酸盐玻璃熔渣，这种熔渣密度小、粘度低、流动性好，易浮出熔池并覆盖在表面，保护焊层合金免受氧化［3］。
G112粉是NiCrBSi自熔性合金粉末。喷焊时Cr能溶于Ni形成固溶体而增加喷焊层的抗氧化性。Cr还能和B、C形成Cr\\-2B、CrB和Cr\\-7C\\-3等硬质金属间化合物，从而提高涂层的硬度和耐磨性。这类合金在500～600℃时仍保持较高硬度（HRC48～53），并具有760℃的抗氧化性能［4］。
用各种碳化物硬质颗粒作芯核材料，用金属或合金作包覆材料，采用不同的组分和配比，可以制成各种硬质耐磨复合粉末。这种材料的喷焊层是在强韧的金属或合金涂层基体中弥散分布着碳化物的硬质点，耐磨硬质相WC具有熔点高、硬度高及化学稳定等特点。同时，G112粉末喷焊后Ni基合金的固溶体对WC颗粒有极好的润湿能力，使涂层中硬质点分布均匀，形成很强的结合力，从而使WC颗粒在磨损时不致于从涂层中崩落下来。考虑到WC的含量过多会影响喷焊的工艺性和膨胀系数，故F5010含量控制在10%左右。
白色氧化铝（Al2O3)为金属氧化物陶瓷粉末，它所形成的喷焊层有着良好的耐磨性，高温时，热稳定性能也相当好。它们的熔点一般比较高，γAl2O3变成αAl2O3试件要加热至750～1200℃。根据作者的实践证明，用氧-乙炔火焰喷焊工艺也可获得较好的陶瓷涂层，但其含量必须控制在1%以内。这些微量的Al2O3可使喷焊层中的硼化物、碳化物等硬质点分布更均匀，使喷焊层的弥散强化和塑变强化达到较优的状态，从而使喷焊层具有更佳的耐磨、耐高温性能。
本次试验的喷焊粉末配比方案见表2，同时以非喷淬火试件作比较。
表2喷焊粉末配比方案%
| 试件组号 |
G112粉 |
F5010粉 |
Al2O3粉 |
| 1 |
87.50 |
12.5 |
0 |
| 2 |
89.75 |
10.0 |
0.25 |
| 3 |
94.25 |
5.0 |
0.75 |
| 4 |
4号件为盐浴淬火件 |
2高温磨损试验
2.1试件准备
试验在MG2000型高速高温磨损试验机上进行，该试验机为主轴销盘式磨损试验机（图1）。
图1高温磨损试验示意图
1.夹具2.试件3.金属圆盘
每组试件分别制备两件。试件采用45钢，尺寸φ1×δ1＝8mm×12mm。分别对每组试件按喷焊参数进行喷焊或淬火处理。配磨件金属圆盘也相应编号进行对磨，其材料为3Cr2W8V，尺寸φ2×δ2＝70mm×10mm，热处理工艺为盐浴淬火经低温回火，表面硬度HRC47～49.5。2.2试件参数
试件相对速度n=600r/min，试验温度T=400℃，试验载荷及试验时间分配为P=30N时t=1h，P=50N时t=3h。
2.3试验数据处理
2.3.1采用失重法用TG328A型电光分析天平称量计算试件的磨损量。试验前在金属圆盘上粘上金相砂纸研磨试件以保证接触良好。接着将试件取下洗净，称量后复装原位进行高温磨损试验。测试数据见表3。
表3高温磨损试验数据
|
试件号 |
1-1 |
1-2 |
2-1 |
2-2 |
3-1 |
3-2 |
4-1 |
4-2 |
| 试验前质量m0/g |
4.8402 |
4.8402 |
4.8398 |
4.8404 |
4.8396 |
4.8400 |
4.8402 |
4.8394 |
| 试验后质量m1/g |
4.8192 |
4.8195 |
4.8226 |
4.8234 |
4.8214 |
4.8216 |
4.8170 |
4.8164 |
| 磨损量w/mg |
21.0 |
20.7 |
17.2 |
17.0 |
18.2 |
18.4 |
23.2 |
23.0 |
| 表面硬度HRC |
46 |
52 |
53.5 |
52 |
51 |
52 |
59 |
58 |
| 注：表中HRC数据为3点平均值。 |
2.3.2按相对耐磨性公式ε=w标/w试，以45钢淬火作为标准试件，计算并绘制相对耐磨性ε变化图，如图2所示。
图2 相对耐磨性示意图
3试验结果与讨论
3.1高温磨损试验分析
高温耐磨性与粉末成分的配比密切相关，尤其是Al2O3含量过高过低都会降低喷焊层的高温耐磨性。相对而言G112、F5010粉末含量的变化对其影响不大，当Al2O3含量控制在0.25%左右时其高温耐磨性最佳。淬火件虽然表面硬度高，但其高温耐磨性较差。这是由于在高温状况下，淬火件接触表面发生塑性变形，真实接触面积加大以及氧化膜的破裂而引起粘着增加，使磨损加剧［3］。从数据结果来看(图2)，2号试件的高温耐磨性最好。
3.2金相显微组织分析
对每组试件的表面形貌、界面结合情况以及喷焊层内部组织进行电镜照片分析、比较，得出2号试件喷焊层耐磨性能最好（见图3）。从图中可看到高温磨损表面光滑，有微小压痕，磨损均匀，粘着磨损较轻(图3a)；喷焊层与基面结合良好，气孔少而均匀，Cr、Si、Ni有扩散，Al扩散明显(图3b)；喷焊层组织中白亮部分WC溶解较好，黑色的Al2O3溶解较少，硬质相WC、Al2O3分布均匀，灰暗区以NiCr相为主(图3c)。
 
图32号试件电镜照片
(a)表面磨损形貌(×40)(b)界面结合情况(×1000)(c)喷焊层组织(×150)
图4为2号试件的EDS能量谱图。从图中可看出硬质相含W、Cr较高，W主要以WC形式存在，Cr以化合物形式存在，同时还有少量Fe、Ni。硬质相附近W呈弥散态，说明W在喷焊溶解过程中扩散良好，分布均匀，喷焊层组织致密。
图42号试件EDS能谱图
(a)硬质相A的能谱图(b)硬质相B的能谱图
3.3试验结果的讨论
在喷焊层中Cr溶解于Ni的基体内，但B不溶于Ni基体内或者溶解量极微。各种不同的硼化物硬质点有不同的耐磨性能。在NiCrBSi的富Ni区相内没有Si的金属间化合物，只有硼化物，这些合金有高的红硬性，主要是由于硼化物的存在。从电镜图片上可以看出喷焊层的界面结合是冶金结合，Ni和Cr的扩散明显，结合强度高。B从界面进入基体有活性梯度，扩散速率开始很高并很快降低，因此外层硼化物区有很高的硬度；而内层硼含量较低，硬度值较小。在重熔过程中，Al2O3转变为稳定的αAl2O3（刚玉），这是非可逆转变，它不会因加热、冷却而发生相变，有利于提高喷焊层与基材的结合强度和承受热循环的能力。Al2O3的含量在0.25%时喷焊层表面微切削与犁沟作用小，剥落少，磨损表面较光滑平整，溶解扩散均匀，耐磨性好。但Al2O3含量大于0.25%的试件在高温磨损时伴有晶界断裂和晶粒局部脆性断裂及剥落，磨损表面会出现微裂纹，其磨损以剥落、脆裂为主，因而其高温耐磨性较差。喷焊层组织中WC的分布情况与F5010含量有关，过多WC溶解不完全，扩散差，影响喷焊层质量；过少则硬质相分布不均匀，硬质颗粒少而影响其耐磨性。淬火件的摩擦表面剥落较大，犁沟明显，有压痕，磨损情况较严重。
4结论
在确定了喷焊工艺参数的情况下，对不同成分的喷焊层进行高温磨损试验，分析了喷焊材料对高温耐磨性的影响。
（1）以自熔性合金粉末为主，添加适量的复合粉末与陶瓷粉末，有助于提高喷焊层的高温耐磨性。
（2）试验表明，喷焊材料以铬化物和硼化物为主的成分中，WC和Al2O3的含量变化影响喷焊层的高温耐磨性。
（3）分析结果显示，本试验较理想的高温耐磨喷焊层配方为89.75%G112+10%F5010+0.25%Al2O3。
(4)本试验结果可为该状态下的摩擦配副件的表面强化应用提供一定的参考。
参考文献
[1]赵文轸.金属材料表面新技术.西安:西安交通大学出版社，1995.32～35
[2]刘曦，姚冠新.高温耐磨涂覆层的研究.江苏理工大学学报，1997，18（3）:49～53
[3]陈文威.金属表面涂层技术及应用.北京:人民交通出版社，1996.98～107
[4]郭治安，王可寰.合金粉末氧乙炔焰喷涂与喷熔.北京:煤炭工业出版社，1995.95～100
[5]孙家枢.金属的磨损.北京:冶金工业出版社，1992.92～95
[6]刘曦.《95》活塞环等离子涂层机械强度及喷敷率研究.农业机械学报，1996，27(4):107～112
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