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第6 1 卷第1 期 2009 年2 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t a h V 0 1 ．6 1 ，N o ．1 F e b r u a r y2 0 0 9 4 0C r N i M o A 钢表面E S D I B E D 复合 强化层的组织和性能 葛志宏1 ，一，乔生儒1 1 ．西北工业大学超高温结构复合材料实验室，西安7 1 0 0 7 2 ；2 ．重庆航天职业技术学院，重庆4 0 0 0 2 1 摘要研究4 0 C r N i M o A 钢E S D - I B E D 复合表面强化过程，分析强化层的组织、硬度、相组成和耐磨性。结果表明，在E S D - I B E D 复合沉积层中E S D 沉积层占主导地位，它决定了复合强化层的微观组织，而I B E D 沉积层则起到改善E S D 沉积层表面形貌 的作用。在相同电参数下，C r l 2 M o V C u 复合强化层的显微硬度高于石墨 C u 复合强化层。4 0 C r N i M o A 表面的复合强化层具 有减摩耐磨性能。尤其是C r l 2 M o V C u 复合强化层，耐磨性大约提高4 倍，而且摩擦系数仅在0 ．0 5 左右。 关键词金属材料；电火花沉积；离子柬增强沉积；复合强化；耐磨性 中图分类号T G l 7 4 ．4 4 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 9 0 1 0 0 0 1 0 5 电火花表面沉积工艺是一种低能耗、无变形的 表面强化工艺，简称E S D ⋯。它是利用电极材料和 被强化金属材料间的高能局部脉冲放电，使电极材 料快速熔融到工件表面，并通过电极，材料和被强化 金属材料在局部高温下的物理化学冶金过程，使工 件表面重新合金化，形成表面强化层【2 - 4 ] 。该技术 属于高能密度加热，强化处理时对零件心部的组织 和性能几乎无影响、不会引起零件变形。此外，电火 花强化设备简单、成本低、易操作，形成的强化层与 基体之间是冶金结合，涂层结合好【5 _ 6J 。然而，强 化表面不光滑和各处涂层密度的不均匀性，限制了 其在高要求条件下的使用。某燃气涡轮机中的高速 转轴，材质为4 0 C r N i M o A 钢，工作时其表面受到密 封环的高速摩擦，摩擦速度接近l O O m ／s 。转轴表面 极易发生磨损失效，造成高温燃气的泄漏，导致燃气 涡轮机的工作能力降低。因此，急需对高速于摩擦 的表面进行改性，达到延长使用寿命的目的。由于 处于高速干摩擦的特殊工况下，常规单一的表面强 化方法无法有效的提高寿命，而形成表面复合强化 层可解决这一问题。因而先采用电火花表面沉积工 艺对4 0 C r N i M o A 钢进行表面改性，之后用离子束增 强沉积技术，对电火花沉积后的表面进行改善，在 收稿日期2 0 0 7 0 4 0 3 基金项目长江学者和创新团队发展计划资助项目 作者简介葛志宏 1 9 7 9 一 ，男。甘肃正宁县人，硕士，主要从事材 料表面改性等方面的研究。 联系人乔生儒 1 9 4 8 一 ，男，陕西佳县人．教授，博士生导师，主 要从事材料表面改性等方面的研究。 4 0 C r N i M o A 钢表面形成了E S D ．I B E D 复合强化层， 并分析研究了复合强化层的组织、结构和性能。 1实验方法 销试样材料选用4 0 C r N i M o A 钢，原始状态为 8 5 0 ℃油淬，5 5 0 ℃回火，组织为回火索氏体，硬度为 3 3 H R C 。配副为盘试样，材料为1 C r l 8 N i 9 T i 不锈 钢，硬度船≤1 8 7 。销试样端面直径为夺1 4 m m ，盘 试样直径为6 1 6 0 m m 。 在自制的S Q ．2 瞬态电能表面强化机上，采用 石墨和C r l 2 M o V 电极分别对4 0 C r N i M o A 表面进 行强化处理。强化时电极在工件表面移动速度为 1 ．6 3 m m ／s ，电参数为电压6 0 V ，电容1 8 0 弘F 。强化 后用丙酮对试样进行清洗3 0 r a i n 。然后利用 P I E ㈣一0 3 离子束增强沉积磁控溅射和多弧设 备，在强化层表面沉积C u 膜。沉积工艺为A r 气压 5 ．4 X1 0 ．1 P a ；平面离子源电压4 1 8 V ；偏压一4 0 0 V ； 磁控电源偏压一6 6 5 V ；电流1 A ；镀膜持续时间为 1 ．5 h 。在膜层沉积前，开启平面离子源使心电离 形成心 离子束，轰击清洗试样表面1 0 m i n ，同时溅 射清洗靶材。清洗时加气压为5 ．4 1 0 ～P a ，偏压 为一4 0 0 V ，平面离子源电压为4 1 8 V 。 用H V l 0 0 0 显微硬度计，选用载荷1 0 0 9 ，沿纵 深方向由表及里测量表面强化层的显微硬度分布。 对涂层截面进行金相制片，用3 ％的硝酸酒精溶液 腐蚀，在H I T A C H IS 一5 7 0 扫描电镜 S E M 下观察 显微组织，并对涂层截面的元素分布情况进行了能 谱分析。 万方数据 2有色金属 第6 1 卷 磨损试验在M M S - 1 G 销盘摩擦磨损试验 机上进行。依据高速干摩擦的实际工况，选择滑动 摩擦速度为1 0 0 m ／s ，试验力为2 0 N 接触应力 0 ．1 3 3 M P a ，环境温度为2 1 2 1 2 ，相对湿度1 6 ％左 右，磨损时间为5 0 0 s 。摩擦过程中每隔0 ．5 s 自动采 集相应时刻的摩擦力矩。磨损试验前，用呢布抛光 4 0 C r N i M o A 钢销试样的强化表面，并用丙酮清洗试 样销和盘。用感量为0 ．0 0 0 1 9 的B S 2 1 0 S 电子分析 天平测定销试样的磨损失质量。材料的耐磨性采用 测量磨损量来评定，即磨损量 磨前质量一磨后质 量，磨损量愈小，耐磨性愈高。利用试验机数据自动 采集系统提供的摩擦力矩，代入 1 式求出摩擦系 数，绘制摩擦系数随时间的变化曲线。式中肛为摩 擦系数，T ，为摩擦力矩，P 为施加的正压力。用 H I T A C H IS 一5 7 0 扫描电镜 S E M 观察强化层磨损 后的形貌。 户2T ，／0 ．0 8 P 1 2 试验结果及分析 2 ．1 强化层显微组织观察与分析 图1 为E S D 强化层和E S D ．I B E D 复合强化层 截面的S E M 照片。由图1 可知，E S D 强化层由表 及里依次为涂层、过渡层和基体组织，强化层表面和 内部存在微裂纹与微孔洞。E S D I B E D 复合强化层 与E S D 强化层截面组织相似，但是其表面及内部没 有明显的裂纹与孔洞，这主要是由于在I B E D 沉积 C u 膜时，离子束的轰击使得沉积界面原子发生了共 混的原因。通过图1 a 与图1 b 截面组织分析可 知，在E S D I B E D 复合强化层中E S D 强化层占主导 地位，它决定了复合强化层的微观组织，而I B E D 沉 积层则改善了E S D 强化层的表面形貌，如减少和消 除其表层的孔洞、微裂纹等缺陷，起到了辅助作用。 a 一E S D 强化层； b 一E S D - I B E D 复合强化层 图1强化层截面S E M 照片 F i g ．1 S E Mm i c r o g r a p h so fs e c t i o no fs t r e n g t h e n e dl a y e r 2 ．2 强化层元素分布 图2 为E S D 石墨电极 一I B E D C u 复合强化 层中各种元素的分布情况。由图2 可知，从强化层 的表层、过渡层至基体内部，C ，F e ，C u ，S i 等元素含 量发生着显著的变化。在表层部分富C u 和C ，贫 F e ，基体内部富F e 贫C u ，中间有着明显的过渡区，C 元素含量从表层向内部有所下降，但是幅度不大。 通过以上元素分布分析可知，复合强化时强化区域 的元素发生了扩散。 2 ．3 强化层相组成 图3 为石墨电极E S D 强化层和E S D 石墨电 极 一I B E D C u 复合强化层X R D 分析结果。由图 3 a 可知，单一石墨电极E S D 强化层主要由F e 相、 铁的氮化物和铁的碳化物组成。然而，在复合强化 层的X R D 分析结果中，却没有氮化物和碳化物存 在，而只有很强的C u 相和较弱的F e 相存在，见图3 b 。这是因为在瞬态电能强化层的表面覆盖了一 层均匀的C u 膜，C u 的衍射敏感性很强，大约是F e 的8 ．5 倍，累积强度达到1 5 0 0 0 以上，而F e 的氮化 物和碳化物衍射的敏感性比较弱，由图3 a 可以看 出，其累积强度只有几百，因此即使有碳化物和氮化 物存在，也会被湮没掉，无法从衍射图上看到。 2 ．4 强化层显微硬度分布 复合强化层的显微硬度随深度的变化规律如图 4 所示。4 0 C r N i M o A 钢表面经过复合强化后，表层 的硬度比基体高得多 基体硬度2 6 0 H V ，随着向纵 向深度增加，硬度值呈下降趋势，起始下降幅度较 大，随后下降趋势减缓。图中“石墨 C u ”表示先用 石墨电极进行瞬态电能表面强化，之后I B E D 沉积 C u 膜，“C r l 2 M o V C u ”意思类似。由图4 看出，在 万方数据 第1 期葛志宏等4 0 C r N i M o A 钢表面E S D - I B E D 复合强化层的组织和性能 3 相同电参数下 电压6 0 V ，电容1 8 0 肛F ，C r l 2 M o V C u 复合强化层的显微硬度高于石墨 C u 复合强化 层。图5 给出C r l 2 M o V 电极瞬态电能强化的单一 强化层，和在其上沉积了C u 膜的复合强化层的硬 1 芒 越 慧 度对比。通过对比可知，I B E D 沉积C u 膜使得瞬态 电能强化层的表层和亚表层的硬度有所提高，尤其 是在亚表层硬度得到明显提高。在深度超过4 0 } t m 后，两种强化层的硬度基本上趋于一致。 1 1 害1 图2E S D ．I B E D 复合强化层中c 。I C e ，C u ，S i 元素含量随深度的变化 F i g ．2 C o n t e n tv a r i a t i o no fC ，F e ，C ua n dS iw i t hd e p t ho f c o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e ro fE S D - I B E D a 一E S D 强化层； b 一E S D - I B E D 复合强化层 图3 强化层的X R D 分析 F i g ．3X R Dp a t t e r n so fs t r e n g t h e n e dl a y e r d e p t J l ，g m 图4 复合强化层的显微硬度 与深度之间的关系 F i g ．4 V a r i a t i o no fm i c r o - h a r d n e s sw i t hd e p t h o fc o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e r 2 ．5 磨损试验结果及分析 石墨 C u 复合强化层、C r l 2 M o V C u 复合强 化层和未处理试样经过5 0 0 s 的高速滑动干磨损，其 磨损失质量见图6 所示。由图6 可知，复合强化试 样的磨损失质量都明显低于未处理试样。其中 C r l 2 M o V C u 复合强化后比未处理试样的耐磨性 提高4 倍以上。 三种表面条件下的高速滑动干磨损中，其动态 摩擦系数见图7 所示。复合强化层的摩擦系数平均 值为0 ．0 5 左右，未处理试样摩擦系数为0 ．1 左右。 可见，表面经过复合强化的试样，其摩擦系数都显著 低于未处理试样。摩擦系数大小反映了在磨损过程 中经过强化试样具有良好耐磨性能的原因，也反映 出I B E D 沉积的C u 膜在高速滑动磨损过程中具有 减摩作用。 _I．o≯}I锄目口口≈ll 万方数据 4 有色金属第6 1 卷 d e p t h ／g r a 图5 单一强化层与复合强化层硬度对比 R g ．5H a r d r m sc o n t r a s to fs o l ea n dc o m p 0 6 i t es t r 即g d H 划h y e r 0 ．1 4 善0 ．1 2 老 0 ，1 80 ．0 8 g O 0 6 暑0 ．0 4 芷0 ．0 2 0 u m e t t l e d g r a p h i t e , C uC r l 2 M o V 4 C u 图6 三种表面条件下的磨损失质量 F i g ．6 M a s sl o s so ft h r e es u r f a c ec o n d i t i o n s T t m e ／sT i m e ／s T u n e ／s a 一C r l 2 M o V C u ； b 一g r a p h i t e C u ； c 一u n s e t t l e d 图7三种表面条件下的动态摩擦系数 F i g ．7D y n a m i cf r i c t i o nc o e f f i c i e n to ft h r e es u r f a c ec o n d i t i o n s 在图8 为1 0 0 0 倍下的磨损表面形貌。由图8面的摩擦系数比较低，在磨损过程中产生的摩擦热 可见，试样表面出现大量的微裂纹和斑点，未处理试比较小，因此摩擦表面的温度低于未处理试样。同 样磨损表面的裂纹宽度明显宽于强化试样。这是因时，强化层中生成的碳化物和氮化物具有很好的耐 为在试验时试样表面相对滑动速度达到1 0 0 m ／s ，磨高温性，闪点温度很难达到其熔点温度，因此复合强 损表面的微凸体在高速摩擦状态下，“闪点”温度接 化后的磨损性能得到明显改善。在本实验条件下， 近或达到了基体的熔点1 7 _ 8 』，从而在试样磨损表面 磨损形式主要为磨料磨损和严重的塑性变形，并有 的局部区域温度很高，形成了熔斑，熔斑快速冷却导少量的剥落。与未处理试样比较，复合强化试样具 致了微裂纹的出现。事实上，磨损试验中在观察窗有综合的减摩耐磨耐磨性能。 中见到磨损表面火星飞溅的现象。由于强化试样表 a 一g r a p h i t e C u1 0 0 0 ； b 一C r l 2 M o V C u1 0 0 0 ； c 一u n s e t t l e ds a m p l e1 0 0 0 图84 0 C r N i M o A 钢基体和不同强化层磨损后表面形貌 F i g ．8M o r p h o l o g yo fw o r ns u r f a c ef o rv a r i o u ss t r e n g t h e n e dh y e r sa n d4 0 C r N i M o As t e e ls u b s t r a t e ．曩 一 ■乩 | i } 渤 咖 啪 瑚 s } o 警藿Jo％3 ．【．o毫∞2薹 万方数据 第1 期葛志宏等4 0 C r N i M o A 钢表面E S D - I B E D 复合强化层的组织和性能 5 3结论 在E S D I B E D 复合沉积层中E S D 强化层占主 导地位，其决定了复合强化层的微观组织，而I B E D 沉积层则起到改善E S D 沉积层表面形貌的作用。 在相同电参数下，C r l 2 M o V C u 复合强化层的显微 参考文献 硬度高于石墨 C u 复合强化层。I B E D 沉积C u 膜 使得E S D 涂层的表层和亚表层的硬度有所提高，尤 其是在亚表层硬度得到明显提高。4 0 C r N i M o A 表 面的复合强化层具有减摩耐磨性能，尤其是 C r l 2 M o V C u 复合强化层，其耐磨性大约提高4 倍，而且摩擦系数仅在0 ．0 5 左右。 [ 1 ] 朱健，张全忠，张立文，等．钛合金表面电火花沉积W C 涂层的研究[ J ] ．金属热处理，2 0 0 5 ，3 0 2 1 1 1 4 ． 【2 ] 陈钟燮．电火花表面强化工艺[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 8 7 6 8 ． [ 3 ] W a n gR u i j u n ，0 j a nY i y u 。L i uJ u n ．I n t e r f a c eb e h a v i o rs t u d yo fW C 9 2 一C 0 8c o a t i n gp r o d u c e db ye l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o n [ J ] ． A p p l i e dS u r f a c eS c i e n c e ，2 0 0 5 ，2 4 0 4 2 4 7 ． [ 4 ] G a l i n o vIV ，L u b a nRB ．M a s st r a n s f e rt r e n d sd u r i n ge l e c t r c o p a r ka l l o y i n g [ J ] ．S u r f a c ea n dC o a t i n g sT e c h n o l o g y ，1 9 9 6 ，7 9 9 1 8 ． 【5 ] L e eHG ，S i m a oJ ，A s p i n w a l lDK ，e ta 1 ．E l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c ea l l o y i n g [ J ] ．J o u r n a lo fM a t e r i a l sP r o c e s s i n gT e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ，1 4 9 3 3 4 3 4 0 ． [ 6 ] B r o w nEA ，S h d d o nGL ，B a y o u m iAE ．Ap a r a m e t r i cs t u d yo fi m p r o v i n gt o o ll i f eb ye l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o n [ J ] ．W e a r ，1 9 9 0 ， 1 3 8 1 3 7 1 5 1 ． [ 7 ] 郑林庆．摩擦学原理[ M ] ．北京高等教育出版社，1 9 9 4 4 0 0 4 1 0 ． [ 8 ] M a oK ，S u nY ，B e l lT ．An u m e r i c a lm o d e lf o rt h ed r ys l i d i n gc o n t a c to fl a y e r e de l a s t i cb o d i e sw i t hr o u g hs u r f a c e [ J ] ．T r i b o l o g y T r a n s a c t i o n ，1 9 9 6 。3 9 4 1 6 4 2 8 ． M i c r o s t r u e t u r ea n dP r o p e r t i e so f4 0 C r N i M o AS t e e lS u r f a c e C o m p o s i t eS t r e n g t h e n e db yE S D - I B E D G EZ h i - h o n 9 1 ”。Q I A OS h e n g - r u 1 1 ．U l t r a h i g hT e m p e r a t u r eS t r u c t u r a lC o m p o s i t e sL a b o r a t o r y ，N o r t h w e s t e r nP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，忍7 a l r l7 1 0 0 7 2 ，C h i n a ； 2 ．C h o n g q i n gA e r o s p a c eC o l l e g eo fV o c a t i o n a lT e c h n o l o g y ，C h o n g q i n g4 0 0 0 2 1 ，C h i n a A b s t r a c t T h es u r f a c es t r e n g t h e n i n gp r o c e s so f4 0 C r N i M o Ab ye l e c t r i c a ls p a r kd e p o s i t i o n E S D a n di o nb e a me n h a n c e dd e p o s i t i o n I B E D i si n v e s t i g a t e d ，a n dt h ep r o p e r t i e so fs t r e n g t h e n e dl a y e rs u c ha Ss t r u c t u r e ，h a r d n e s s ， p h a s ec o m p o s i t i o na n dw e a rr e s i s t a n c e ．a r ea n a l y z e d ．T h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h el a y e ro fE S Do c c u p yd o m i n a n t p o s i t i o ni nc o m p o s i t el a y e ro fE S D I B E D ，i tp l a y sak e yr o l ei nm i c r o s t r u c t u r eo ft h ec o m p o s i t es t r e n g t h e n e dl a y e r ．A n dt h es u r f a c et o p o g r a p h yo fE S Di si m p r o v e db yt h ed e p o s i t i o no fI B E D ．T h em i c r o - h a r d n e s so fC r l 2 M [ o V C uc o m p o s i t es t r e n g t h e n i n gl a y e ri sh i g h e rt h a nt h eg r a p h i t e C uc o m p o s i t es t r e n g t h e n i n gl a y e rw i t ht h e s a m ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r ．T h es t r e n g t h e n e dl a y e ro n4 0 C r N i M o Ap o s s e s s e sg o o dw e a l “ r e s i s t a n c ep r o p e r t y ．E s p e c i a U y ，t h ea b r a d a b i l i t yo fs a m p l es t r e n g t h e n e dw i t hC r l 2 M o V C uc o m p o s i t ec o a t i n gi sf o u rt i m e sm o r et h a n t h a to fu n t r e a t e ds a m p l e ，m o r e o v e r ，i t sc o e f f i c i e n to ff r i c t i o ni s0 ．0 5o na v e r a g e l y ． K e y w o r d s m e t a lm a t e r i a l ；e l e c t r i c a ls p a r kd e p o s i t i o n ；i o nb e a me n h a n c e dd e p o s i t i o n ；c o m p o s i t es t r e n g t h e n i n g ；w e a r - r e s i s t a n c e 万方数据
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