非晶态合金的组织结构与耐磨性介绍

非晶态合金具有短程有序长程无序、成分组织均 匀、不存在晶体缺陷等特点, 因而具有很高的强度、 韧性、良好耐磨和耐蚀性能等优异的物理、化学和力 学性能, 是当前国际材料研究领域的热点之一[ 1 - 2 ]。 由于材料磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐照损伤 而带来的破坏和损失是十分惊人的。据报道我国 2006年摩擦磨损造成的损失约为9 500亿元[ 3 ]。采用 电弧喷油、等离子喷油、爆炸喷油、火焰喷油等现代 热喷油技术制备各种耐磨损涂层、防腐蚀涂层、耐高 温氧化涂层、恢复尺寸涂层等, 来减缓材料的损伤, 提高材料的使用寿命, 受到了人们的重视, 并得到迅 速发展[ 4 - 6 ]。电弧喷油技术由于其喷油效率高、生产 成本低、涂层质量好、施工方便等特点, 具有非常好 的应用前景和广阔的发展空间。本文作者采用电弧喷 涂制备了非晶合金涂层, 并对其干滑动摩擦磨损性能 进行了研究。 1　试验方法 采用JZY2302型电弧喷油机制备涂层。喷油材料 为北京工业大学材料科学与工程学院生产的<2 mm 粉芯丝材, 成分为: Cr: 15% ～17% , B: 3% ～5% , Ni和稀土少量, Fe余量。喷油前, 45#钢基材表面进 行喷砂预处理, 除去基体表面氧化层, 活化表面, 用 丙酮清洗喷砂面, 清理表面油污, 为防止表面氧化, 喷砂与清洗完成后立即进行电弧喷油。45#钢基材试 样尺寸为300 mm ×210 mm ×8 mm。电弧喷油主要的 工艺参数为: 喷油电压38 V, 喷油电流200 A, 喷油 距离150 mm, 气压017 MPa。 涂层制备完成后, 采用D8 X射线衍射仪对涂层 进行物相分析。用JSM56102LV扫描电镜分析涂层表 面及截面的显微结构。采用HVS21000 型显微硬度计 对涂层的侧面进行显微硬度测量, 载荷为0198 N, 保持时间为10 s。 在QG2700型气氛高温摩擦磨损试验机上对涂层 的耐磨性能进行测试, 摩擦方式为球2盘接触摩擦。 盘试样尺寸为<75 mm ×8 mm, 摩擦副为<5 mm YG8 硬质合金钢球。试验条件为常温大气环境干摩擦, 转 速为1 000 r /min, 时间为15 min, 载荷为10 N。应用 扫描电镜观察涂层及45#钢磨损后表面形貌。 2　试验结果及分析 211　涂层的组织结构 图1　涂层的微观形貌( SEM) Fig 1　Morphology of the amorphous coating ( SEM) ( a) surface of the coating; ( b) cross section of the coating 图1为所制备涂层的表面及截面形貌。可以看 出, 涂层表面粗糙不平, 涂层表面存在大量熔化痕 迹, 未熔颗粒及孔隙分布其中, 并发现有微裂纹存 在。(见图( a) ) ; 涂层厚度约为012 mm, 由片状粒 子堆叠而成, 为热喷油涂层典型层状结构, 与基体接 合较好, 涂层与基体主要为机械结合, 涂层组织较致 密(见图( b) ) 。在电弧喷油过程中, 喷油丝被电弧 加热至熔化或半熔, 在压缩空气的作用下, 分散形成 熔融金属液滴并被加速, 当与基体发生碰撞后, 液滴 发生流变变形, 形成薄片状粒子。片状粒子相互搭 接、堆积。涂层中孔隙有3 种来源[ 7 ] : ①涂层中气 孔; ②熔融液滴在凝固过程中产生缩孔; ③变形粒子 间不完全重叠。少量未熔颗粒和在飞行过程中凝固的 颗粒, 到达基体后, 嵌入未凝固的片状粒子中, 在涂 层表面形成突起。 图2示出了涂层的XRD曲线。在40°～60°之间, 出现宽化漫散射峰, 说明涂层中含有一定量非晶相。 宽化峰上有尖锐锋出现, 这说明涂层中除了含有一定 量的非晶相, 还有一部分晶化相存在。 图2　非晶涂层X2ray衍射图 Fig 2　XRD spectra of the coating 212　涂层硬度 采用HVS21000显微硬度计对Fe基非晶涂层和基 体45#钢硬度进行测试, 结果表明, 涂层硬度高达 HV1 124 (测试载荷0198 N) , 而45#钢基体显微硬度 为HV233 (测试载荷0198 N) 。涂层硬度为45#钢的 418倍。涂层的硬度由涂层的成分与组织结构所决 定。由于电弧喷油制得的涂层中弥散分布着大量硬质 颗粒和微晶相, 使涂层获得了较高的硬度。 213　摩擦磨损性能 21311　摩擦因数对比 图3　涂层与45#钢的摩擦因数曲线 Fig 3　Friction coefficient curves of coating and 45 steel 图3示出了涂层与45#钢的摩擦因数曲线。可以 看出, 45#钢的平均摩擦因数约为0137, 而涂层的平 均摩擦因数约为0130。且涂层摩擦因数变化不大, 较平稳, 而45#钢的摩擦因数起伏较大, 从摩擦因数 角度看, 涂层的摩擦性能优于45#钢。这是由于涂层 的硬度很高, 不易发生塑性变形和黏着磨损, 而45# 钢的硬度低, 易于塑性变形, 产生黏着磨损, 使其摩 2010年第3期张绍强等: Fe基非晶涂层的组织结构与耐磨性研究51 擦因数明显高于涂层, 并且45#钢的塑性变形使摩擦 面变得不再平滑, 增大了摩擦因数的起伏。 21312　磨损机制 图4为涂层与45#钢磨损后SEM形貌照片。可以 看出, 非晶涂层磨损较轻微, 磨痕很浅(见图 ( a) ) ; 而45# 钢的磨痕较宽, 磨损明显(见图 ( b) ) 。这表明电弧喷油制备的Fe基非晶涂层的耐磨 性能显著高于45#钢基体的耐磨性能。在涂层磨损表 面可见部分片状粒子已经从涂层上剥落, 形成了剥落 坑, 部分粒子在摩擦过程中发生断裂(见图( c) ) 。 在电弧喷油过程中, 雾化粒子尺寸较小, 喷射至基体 表面后冷却速度很快, 使形成的涂层内部存在残余应 力与微裂纹。残余应力是导致涂层开裂、剥落的主要 形式之一[ 8 ]。在磨球对涂层反复摩擦作用下, 涂层的 微裂纹不断扩展, 当裂纹扩展到一定限度时, 片状粒 子沿着裂纹发生断裂, 涂层片状粒子中残余应力得到 释放, 经过进一步的摩擦, 部分片状粒子在与基体结 合强度不高的地方, 发生剥落, 形成碎片状磨屑脱离 基体, 进而形成剥落坑。45#钢磨损表面形貌有明显 的大块剥落坑, 并发生了塑性变形(见图( d) ) 。这 表明45#钢的磨损机制以黏着磨损为主。这是由于 45#钢硬度低, 在加有一定载荷反复摩擦作用下, 45# 钢中位错和滑移系易发生移动, 宏观表现为塑性变 形。而涂层中非晶相不存在晶体缺陷, 且涂层中的纳 米微晶提高了涂层的耐磨性, 所以非晶合金涂层具有 更好的耐磨性能。