D01:10.13374j.isml00103x.2009.09.00 第31卷第9期 北京科技大学学报 Vol.31 No.9 2009年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sp.2009 铸钢轧辊电火花沉积YG8涂层的组织结构和性能 王建升孟惠民樊自栓俞宏英 孙冬柏 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要采用新型电火花沉积设备.把YG8电极材料沉积在铸钢轧辊材料上，制备了WC沉积涂层.研究了其微观组织及耐 磨性能.结果表明：沉积层主要由F:WC,Co:W3C、WC和F白W6C等相组成：沉积层与基体治金结合，具有纳米颗粒尺寸的 F7W6、W2C等硬质相弥散分布于沉积层中：沉积层的平均硬度为1331HV;沉积层较铸钢轧辊的磨损性能提高了23倍：沉 积层的磨损机理以疲劳磨损为主，细小的弥散分布的硬质相是沉积层硬度及耐磨性提高的主要因素 关键词电火花沉积：涂层：轧辊：微观结构：耐磨性 分类号TG178 Microstructure and properties of the YG8 ESD coating on a cast steel roll WANGJian-sheng,MENG Hui-min.FAN Zi-shuan,YU Hong ying.SUN Dong-bai School of Materials Science and Engineering.University of Science and Technology Beijng.Beijng 100083.China ABSTRACT The YG8 electde was deposited on the surface of a cast steel roll by electro-sparking deposition(ESD)and formed a WC coating.The micmostructure and wear resistance of the coating were investigated The results show that the coating consists of Fe3W3C.Co3W3C.W2C and Fer W6 phases.and is metallurgically bonded with the cast steel moll substrate The Fe7W6 and W2C hard phases dispersedly distributed in the coating with nanosized partices.The average hardness of the coating is 1331HV.The coat- ing has improved resistance performance which is 2 3 times higher than the cast stee substrate.The w ear mechanism is mainly fa- tigue wear.Fine hard phases distributed in the coating dispersedly are the main factors leading to the high hardness and wear resis- tance of the coating. KEY WORDS electrosparking deposition;oatings:rolk microstnucture:wear resistance 金属表面电火花沉积(electro-spark deposition, 操作简单，且具有低能耗、加工成本低等优点，近年 ESD)技术是近期发展起来的新技术，是在传统工艺 来在工程领域得到了越来越多的应用，已经由最初 基础上发展起来的新工艺，它的基本原理就是把电 用于刀模具强化和修复扩展到能源、航空、航天、军 极材料（硬质合金，如WC、T汇等）作为工作电极 事和医疗等诸多领域，是再制造技术的重要技 (阳极)，在氩气中使之与被沉积的金属工件（阴极） 术手段之一，但在钢铁治金行业中有关轧辊方面的 之间产生火花放电，在105~106s内电极与工件 应用研究报道还是很少.为此，本文用电火花沉积 接触的部位达到8000~25000℃的高温，直接利用 工艺在铸钢轧辊上做了一些研究和探索 火花放电的能量，将电极材料转移至工作表面，构成 在钢铁治金生产行业中所用的轧辊等钢结构 沉积层的沉积方法” 件，不仅要求耐磨耐蚀，而且还要具有高热稳定性 电火花沉积工艺是一种低应力、低变形的表面 才能具有长寿命.故将材料的弥散与细晶强化原理 强化工艺.采用电火花沉积技术对工件表面进行强 应用于轧辊等钢结构件的表面改性.本文采用电火 化处理，可延长设备的使用寿命，减少资源消耗，具 花沉积工艺把WC一8C0陶瓷硬质合金熔覆于钢铁 有很高的节能环保意义.由于电火花沉积技术 表面，使其产生不溶于基体的超细高熔点碳化物，这 收稿日期：200810-22 基金项目：科技部国际科技合作项目(No.2006DFA52240) 作者简介：王建升(1973一)，男，博士研究生，E-mlw1973425@126.com:孟惠民(1963一)，男，教授，博士生导师
铸钢轧辊电火花沉积 YG8 涂层的组织结构和性能 王建升 孟惠民 樊自栓 俞宏英 孙冬柏 北京科技大学材料科学与工程学院, 北京 100083 摘 要 采用新型电火花沉积设备, 把 YG8 电极材料沉积在铸钢轧辊材料上, 制备了 WC 沉积涂层, 研究了其微观组织及耐 磨性能.结果表明:沉积层主要由 Fe3W3C 、Co 3W3C、W2C 和 Fe7W6C 等相组成;沉积层与基体冶金结合, 具有纳米颗粒尺寸的 Fe7W6 、W2C 等硬质相弥散分布于沉积层中;沉积层的平均硬度为 1 331 HV ;沉积层较铸钢轧辊的磨损性能提高了 2.3 倍;沉 积层的磨损机理以疲劳磨损为主, 细小的弥散分布的硬质相是沉积层硬度及耐磨性提高的主要因素. 关键词 电火花沉积;涂层;轧辊;微观结构;耐磨性 分类号 TG178 Microstructure and properties of the YG8 ESD coating on a cast steel roll WANG Jian-sheng, MENG Hui-min, FAN Zi-shuan, YU Hong-ying , SUN Dong-bai S chool of Materials S cience and Engineering, Universit y of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China ABSTRACT The YG8 electro de was deposited on the surface of a cast steel roll by electro-sparking deposition ( ESD) and formed a WC coating .The micro structure and wear resistance of the coa ting were investigated.The results show that the coating consists of Fe3W3C, Co3W3C, W2C and Fe7W6 phases, and is metallurgically bonded w ith the cast steel ro ll substrate.The Fe7W6 and W2C hard phases dispersedly distributed in the coa ting with nanosized particles.The average hardness o f the coating is 1331HV .The coating has improved resistance performance which is 2.3 times higher than the cast steel substrate.The w ear mechanism is mainly fatig ue wear.Fine hard phases distributed in the coating dispersedly are the main factors leading to the high hardness and wear resistance of the co ating . KEY WORDS electro-sparking deposition ;co atings ;roll;microstructure;w ear resistance 收稿日期:2008-10-22 基金项目:科技部国际科技合作项目( No .2006DFA52240) 作者简介:王建升( 1973—) , 男, 博士研究生, E-mail:wjs1973425@126.com ;孟惠民( 1963—) , 男, 教授, 博士生导师 金属表面电火花沉积( electro-spark deposition, ESD) 技术是近期发展起来的新技术, 是在传统工艺 基础上发展起来的新工艺, 它的基本原理就是把电 极材料( 硬质合金, 如 WC 、TiC 等) 作为工作电极 ( 阳极) , 在氩气中使之与被沉积的金属工件( 阴极) 之间产生火花放电, 在 10 -5 ～ 10 -6 s 内电极与工件 接触的部位达到 8 000 ～ 25 000 ℃的高温, 直接利用 火花放电的能量, 将电极材料转移至工作表面, 构成 沉积层的沉积方法 [ 1] . 电火花沉积工艺是一种低应力、低变形的表面 强化工艺 .采用电火花沉积技术对工件表面进行强 化处理, 可延长设备的使用寿命, 减少资源消耗, 具 有很高的节能环保意义[ 2-3] .由于电火花沉积技术 操作简单, 且具有低能耗、加工成本低等优点, 近年 来在工程领域得到了越来越多的应用, 已经由最初 用于刀模具强化和修复扩展到能源、航空、航天、军 事和医疗等诸多领域[ 4-9] , 是再制造技术的重要技 术手段之一, 但在钢铁冶金行业中有关轧辊方面的 应用研究报道还是很少 .为此, 本文用电火花沉积 工艺在铸钢轧辊上做了一些研究和探索. 在钢铁冶金生产行业中所用的轧辊等钢结构 件, 不仅要求耐磨耐蚀, 而且还要具有高热稳定性, 才能具有长寿命.故将材料的弥散与细晶强化原理 应用于轧辊等钢结构件的表面改性 .本文采用电火 花沉积工艺把 WC-8Co 陶瓷硬质合金熔覆于钢铁 表面, 使其产生不溶于基体的超细高熔点碳化物, 这 第 31 卷 第 9 期 2009 年 9 月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol .31 No.9 Sep.2009 DOI :10.13374/j .issn1001 -053x.2009.09.010
第9期 王建升等：铸钢轧辊电火花沉积YG8涂层的组织结构和性能 。1153· 些细小的碳化物（强化相）能够以弥散形式分布于基 体相中，且这两相组织或多种组织互不相溶，在使用 2实验结果及分析 过程中可以长期保持两相或多相结构，具有长期热 2.1XRD分析 稳定性.这样能保证沉积层具有高硬度、耐摩擦、耐 使用X射线衍射仪对沉积层的相结构进行了 腐蚀性能和长期的高热稳定性. 衍射鉴定.图1是按照预先设定的工艺参数把硬质 1实验材料及方法 合金YG8电极沉积到铸钢轧辊表面时沉积层的X 射线衍射图谱. 1.1沉积材料及沉积层制备 900- 基体材料是从石家庄某轧辊厂用废的轧辊上截 .Fe,WC 口CoW,C 取下来的，其主要化学成分如表1所示.电极材料 700 AFe,W C 采用硬质合金YG8电极，它的主要成分是WC和 C0.沉积实验在中国农业科学研究院研制的新型 DZS一4000型电火花沉积设备上进行，采用手动操 作且氩气保护，沉积时沉积枪的转速为2500r· 100 min',在试样表面往复多次形成沉积层.沉积时所 100 40 60 80 00 采用的沉积工艺参数是通过沉积工艺实验优化出来 20) 的最佳组合，如表2所示. 图1电火花沉积层的XRD图谱 表1铸钢轧辊化学成分（质量分数） Fig 1 XRD patterns of ESD coatings Table I Chemical composition of the cast steel roll % 根据X射线衍射分析的结果，可以确认沉积层 Si C Mn P 主要由FesW3C、Co3W3C、W2C和Fe7W6C等相组 200 068 095 004 0.08 成.沉积层W2C主要是由WC在高温下分解而成 表2沉积工艺的操作参数 的，而FeW3C、Co3W3C和FeW6C是由陶瓷硬质合 Table 2 ESD process parameters 金WC电极棒和基体在高温下发生物理化学变化 功率/ 电压/ 频率/ 生产率/ 生成的硬质相.这些硬质相弥散分布在沉积层中 备注 W Hz (min'cm-2) (图2（©），提高了沉积层的硬度和耐磨性. 2400 120 2000 2 氩气保护 由以上结果可以认为，电火花沉积不是简单的 涂镀过程，而是各种组成电极和工件材料的诸元素 沉积前先用汽油或丙酮清洗工件表面，去除油 的原子在电火花沉积过程中发生剧烈的扩散和重新 垢和氧化皮，保护气体一氩气流量设定为7L· 合金化的过程.电火花沉积层的组织结构除了与电 min-1,电极的伸长长度为3mm. 极和工件材料有关外，随设备功率、沉积工艺的不同 12实验方法 也有差别 采用日本理学(Rigaku)公司的DPM ax22RB型 2.2显微组织分析 X射线衍射仪(XRD)分析了沉积层的相组成.采用 图2为YG8沉积层截面的SEM图，沉积层厚 英国LE01450型扫描电镜(SEM)对沉积层的组织 度大约为20m(图2(a).图2(a)表明，电火花沉 形貌进行了观察，并结合能谱、XRD分析确定沉积 积层的表面为不易腐蚀的白亮层，在白亮层内侧是 层的相分布.沉积层经抛光后，采用上海材料试验 过渡层区域，然后为心部组织.从图2(b)中可以看 机厂生产的HVS1000型显微硬度计测量沉积层截 出，VC沉积层与铸钢轧辊基体结合良好，结合 面的显微硬度，载荷为300N,加载时间为20s.采 XD物相分析，它们间的结合属于治金结合.沉积 用HT600型高温磨损试验机进行室温无润滑摩擦 层呈层状分布，孔隙率较低，但是有个别地方存在相 磨损实验，运动形式为圆圈循环运动.试样尺寸为 对较大的孔隙缺陷（图2(ad空洞(hole)处）和裂纹 30mm×30mm×10mm,对磨球试样为6mm的（图2(b)裂纹(cmck).原因主要在于电火花沉积 YG8硬质合金球，实验载荷为15N,频率为 是利用火花放电的能量使金属材料在瞬间熔化甚至 1200Hz,时间为30min:利用精确到1×104g的 气化，然后又急剧地冷却而凝固，在这种骤热骤冷的 AEL一200型号的电子分析天平进行磨损失重测量. 过程中，沉积层内部存在着热应力.对同一区域采
些细小的碳化物( 强化相) 能够以弥散形式分布于基 体相中, 且这两相组织或多种组织互不相溶, 在使用 过程中可以长期保持两相或多相结构, 具有长期热 稳定性.这样能保证沉积层具有高硬度 、耐摩擦、耐 腐蚀性能和长期的高热稳定性 . 1 实验材料及方法 1.1 沉积材料及沉积层制备 基体材料是从石家庄某轧辊厂用废的轧辊上截 取下来的, 其主要化学成分如表 1 所示.电极材料 采用硬质合金 YG8 电极, 它的主要成分是 WC 和 Co .沉积实验在中国农业科学研究院研制的新型 DZS -4000 型电火花沉积设备上进行, 采用手动操 作且氩气保护, 沉积时沉积枪的转速为 2 500 r· min -1 , 在试样表面往复多次形成沉积层 .沉积时所 采用的沉积工艺参数是通过沉积工艺实验优化出来 的最佳组合, 如表 2 所示 . 表 1 铸钢轧辊化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the cast steel roll % Si C Mn S P 2.00 0.68 0.95 0.04 0.08 表 2 沉积工艺的操作参数 Tabl e 2 ESD process parameters 功率/ W 电压/ V 频率/ Hz 生产率/ ( min·cm -2 ) 备注 2 400 120 2 000 2 氩气保护 沉积前先用汽油或丙酮清洗工件表面, 去除油 垢和氧化皮, 保护气体———氩气流量设定为 7 L· min -1 , 电极的伸长长度为 3 mm . 1.2 实验方法 采用日本理学( Rig aku) 公司的 DPM ax2RB 型 X 射线衍射仪( XRD) 分析了沉积层的相组成.采用 英国 LEO1450 型扫描电镜( SEM ) 对沉积层的组织 形貌进行了观察, 并结合能谱、XRD 分析确定沉积 层的相分布 .沉积层经抛光后, 采用上海材料试验 机厂生产的 HVS1000 型显微硬度计测量沉积层截 面的显微硬度, 载荷为 300 N, 加载时间为 20 s .采 用HT-600 型高温磨损试验机进行室温无润滑摩擦 磨损实验, 运动形式为圆圈循环运动.试样尺寸为 30mm ×30 mm ×10 mm, 对磨球试样为 6 mm 的 YG8 硬质 合 金 球, 实验 载 荷 为 15 N, 频 率 为 1 200 Hz, 时间为 30 min ;利用精确到 1 ×10 -4 g 的 AEL-200 型号的电子分析天平进行磨损失重测量 . 2 实验结果及分析 2.1 XRD 分析 使用 X 射线衍射仪对沉积层的相结构进行了 衍射鉴定.图 1 是按照预先设定的工艺参数把硬质 合金 YG8 电极沉积到铸钢轧辊表面时沉积层的 X 射线衍射图谱. 图 1 电火花沉积层的 XRD 图谱 Fig.1 XRD patterns of ESD coatings 根据 X 射线衍射分析的结果, 可以确认沉积层 主要由 Fe3W3C 、Co3W3C 、W2C 和 Fe7W6C 等相组 成 .沉积层 W2C 主要是由 WC 在高温下分解而成 的, 而 Fe3W3C 、Co3W3C 和 Fe7W6C 是由陶瓷硬质合 金 WC 电极棒和基体在高温下发生物理化学变化 生成的硬质相.这些硬质相弥散分布在沉积层中 ( 图 2( c) ) , 提高了沉积层的硬度和耐磨性. 由以上结果可以认为, 电火花沉积不是简单的 涂镀过程, 而是各种组成电极和工件材料的诸元素 的原子在电火花沉积过程中发生剧烈的扩散和重新 合金化的过程.电火花沉积层的组织结构除了与电 极和工件材料有关外, 随设备功率、沉积工艺的不同 也有差别. 2.2 显微组织分析 图 2 为 YG8 沉积层截面的 SEM 图, 沉积层厚 度大约为 20 μm( 图 2( a) ) .图 2( a) 表明, 电火花沉 积层的表面为不易腐蚀的白亮层, 在白亮层内侧是 过渡层区域, 然后为心部组织.从图 2( b) 中可以看 出,WC 沉积层与铸钢轧辊基体结合良好, 结合 XRD 物相分析, 它们间的结合属于冶金结合.沉积 层呈层状分布, 孔隙率较低, 但是有个别地方存在相 对较大的孔隙缺陷( 图 2( a) 空洞( hole) 处) 和裂纹 ( 图 2( b) 裂纹( crack) ) .原因主要在于电火花沉积 是利用火花放电的能量使金属材料在瞬间熔化甚至 气化, 然后又急剧地冷却而凝固, 在这种骤热骤冷的 过程中, 沉积层内部存在着热应力.对同一区域采 第 9 期 王建升等:铸钢轧辊电火花沉积 YG8 涂层的组织结构和性能 · 1153 ·
。1154 北京科技大学学报 第31卷 用往复式多次沉积操作才能形成具有一定厚度的沉 面上存在大量的超细颗粒区域(ultra-fine grain 积层，多次热作用于沉积层就易产生热疲劳，达到一 aea),甚至达到纳米级范围.这些超细颗粒形成的 定程度后便产生裂纹.高温沉积时某些气体溶解于 主要原因如下：电火花沉积工艺的特点是快速加热 熔池金属中，当凝固和相变时，气体的溶解度突然下 后迅速冷却，生成的新相奥氏体化极不均匀、形核率 降、来不及逸出而留在沉积层，沉积时沉积层内的夹 提高导致组织细化：快速加热和快速冷却使位错和 杂物，沉积点与沉积点的衔接以及骤然的冷却，试样 空位增加，促使新相形核组织细化：沉积时电极与基 磨制时横截面上颗粒的脱落和沉积环境都可能导致 体不断地撞击，撞击中产生的弹性应变和温度等效 空洞的产生. 应变也引起了组织细化.实际上上述几种过程 图2(b)过渡层组织显示由柱状晶(columnar)和 都存在，因此必然是几种细化机理联合作用而导致 树枝状晶(dendritic)组成.由图2(b)和(d可知，截 组织细化. (b) ZONEⅢ NE 基体 10 um EHT+16CDW 四 DT.HCOW 有0.1小 (d) I um 1m 图2YC8沉积层截面SEM像.(a)电火花沉积层截面扫描照片：(b)Zone I的放大扫描照片；(c)ZoneⅡ的放大扫描照片：(d)ZomⅢ 的放大扫描照片 Fig.2 Cmoss section SEM images of the YG8 coating:(a)cross section;(b)Zone I (c)Zone II;(d)Zone Ill 由图2(a)和(c可以看出，浅灰色区域上弥散 是有些区域上分布着大量的极细小白色WC颗粒 分布着的白色颗粒和黑色颗粒.由A、B和C区域 由图2(b)可以看出，沉积层底部的靠近基体的 的能谱分析可以看到（图3），它们的主要成分都为 过渡层组织为柱状晶结构，在柱状晶结构区域与沉 W、Fe、Co和C元素，但是含量不一样：白色颗粒A 积层白色细小颗粒区之间的是树枝状晶区域.这主 的W含量最高，Fe含量最少：黑色颗粒B的Fe含 要是因为电火花沉积是一种快速加热、快速凝固的 量最高，C0含量最少：灰色C区域的C含量最高，Fe 过程，液态成分起伏较大，熔池中存在成分不均匀现 含量略低于B区域的，Co含量略低于A区域的，W 象，这种由于固液界面一定区域的成分起伏而造成 含量略高于B区域的.根据XRD分析可以判断，A 的过冷会使过渡层组织出现多样性.沉积层合金的 区域的化合物为WC,B区域的化合物为Fe7W6C, 结晶形态受熔池内液相成分和形状因子的影响刂， C区域可能包含Fe3W3C和Co3W3C.由此表明，电 形状因子是结晶方向上的温度梯度G与凝固速度 火花沉积层的外层是以Fe3W3C和Co3W3C为基 R之比G引R.由靠近基体的结合带向熔池内部，温 体，在Fe3W3C和CoW,C的基体上弥散分布着黑 度梯度G逐渐减小，产生小的成分过冷区，液固界 色的Fe7W6颗粒和白色的W2C颗粒图(2(c),特别 面上产生凸起，形成柱状晶（图2(b)柱状晶处
用往复式多次沉积操作才能形成具有一定厚度的沉 积层, 多次热作用于沉积层就易产生热疲劳, 达到一 定程度后便产生裂纹 .高温沉积时某些气体溶解于 熔池金属中, 当凝固和相变时, 气体的溶解度突然下 降、来不及逸出而留在沉积层, 沉积时沉积层内的夹 杂物, 沉积点与沉积点的衔接以及骤然的冷却, 试样 磨制时横截面上颗粒的脱落和沉积环境都可能导致 空洞的产生. 图 2( b) 过渡层组织显示由柱状晶( columnar) 和 树枝状晶( dendritic) 组成.由图 2( b) 和( d) 可知, 截 面上 存在大量 的超细颗粒 区域 ( ultra-fine grain area) , 甚至达到纳米级范围 .这些超细颗粒形成的 主要原因如下 :电火花沉积工艺的特点是快速加热 后迅速冷却, 生成的新相奥氏体化极不均匀、形核率 提高导致组织细化;快速加热和快速冷却使位错和 空位增加, 促使新相形核组织细化;沉积时电极与基 体不断地撞击, 撞击中产生的弹性应变和温度等效 应变也引起了组织细化 [ 10] .实际上上述几种过程 都存在, 因此必然是几种细化机理联合作用而导致 组织细化. 图 2 YG8 沉积层截面 SEM 像.( a) 电火花沉积层截面扫描照片;( b) Zone Ⅰ 的放大扫描照片;( c) Zone Ⅱ的放大扫描照片;( d) Zone Ⅲ 的放大扫描照片 Fig.2 C ross-section SEM images of the YG8 coating :( a) cross-section;( b) Zone Ⅰ ;( c) Zone Ⅱ ;( d) Zone Ⅲ 由图 2( a) 和( c) 可以看出, 浅灰色区域上弥散 分布着的白色颗粒和黑色颗粒 .由 A 、B 和 C 区域 的能谱分析可以看到( 图 3) , 它们的主要成分都为 W 、Fe 、Co 和 C 元素, 但是含量不一样:白色颗粒 A 的W 含量最高, Fe 含量最少 ;黑色颗粒 B 的 Fe 含 量最高, Co 含量最少;灰色C 区域的C 含量最高, Fe 含量略低于 B 区域的, Co 含量略低于 A 区域的, W 含量略高于 B 区域的.根据 XRD 分析可以判断, A 区域的化合物为 W2C, B 区域的化合物为 Fe7W6C, C 区域可能包含 Fe3W3C 和 Co3W3C .由此表明, 电 火花沉积层的外层是以 Fe3W3C 和 Co3W3C 为基 体, 在 Fe3W3C 和 Co3W3C 的基体上弥散分布着黑 色的 Fe7W6 颗粒和白色的 W2C 颗粒图( 2( c) ) , 特别 是有些区域上分布着大量的极细小白色 W2C 颗粒 . 由图 2( b) 可以看出, 沉积层底部的靠近基体的 过渡层组织为柱状晶结构, 在柱状晶结构区域与沉 积层白色细小颗粒区之间的是树枝状晶区域.这主 要是因为电火花沉积是一种快速加热、快速凝固的 过程, 液态成分起伏较大, 熔池中存在成分不均匀现 象, 这种由于固液界面一定区域的成分起伏而造成 的过冷会使过渡层组织出现多样性 .沉积层合金的 结晶形态受熔池内液相成分和形状因子的影响[ 11] , 形状因子是结晶方向上的温度梯度 G 与凝固速度 R 之比 G/ R .由靠近基体的结合带向熔池内部, 温 度梯度 G 逐渐减小, 产生小的成分过冷区, 液固界 面上产生凸起, 形成柱状晶 ( 图 2 ( b) 柱状晶处 · 1154 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷
第9期 王建升等：铸钢轧辊电火花沉积YG8涂层的组织结构和性能 。1155。 1200 (a) 红 降.从上面知道，沉积层的组织中含有高硬度的复 800 杂的碳化物等，而且这些具有粒状细小的高硬度的 400w Fe Co 碳化物是以弥散形式分布的，由于电火花沉积加热 04 WW 和冷却是瞬间完成的，存在着高密度的位错和较高 0 1 456789 能量keV 的残余应力，这些都导致沉积层具有较高的显微 700C(b) 硬度 《刘和)利票 500L Fe 2.4沉积层耐磨性能的分析 300L, 图5为沉积试样和基体的摩擦因数随时间的变 % 789 化图.从中可以看出：在30min内，基体的摩擦因数 4 5 10 能量keV 变化比较大：磨损开始后，摩擦因数先降低而后逐渐 400r (c) 变大.这主要因为基体的硬度不是很高，磨损一开 《) 300 Fe 200 Fe 始即发生严重的黏着，导致摩擦因数迅速增大，磨损 Co 100 W Ww.ww 也比较严重，开始阶段的磨屑主要是黏着造成的材 料转移和剥落形成的，在实验磨损条件下，摩擦副接 4 6 8910 能量keV 触非常紧密，开始形成的磨屑难以逸出，蓄积在两个 图3图2(c中颗粒A,B和C能谱.(a)颗粒A:(b)颗粒B: 接触界面之间成为第3体，将摩擦副分离，使摩擦副 (d颗粒C 相对之间的黏着减弱，并使接触性质发生变化，因此 Fig.3 EDX spectra of Particles A.B and C in Fig.2(c):(a)Parti 摩擦因数迅速下降.随着磨损的进行，磨损接触面 cle A:(b Particle B (c)Particle C 逐步增大，粗糙度变大，温度升高，使磨损工况复杂， (columnar);到接近熔池时，随着G和GlR的进 最终导致摩擦因数逐渐增大.电火花沉积试样后摩 一步减小，成分过冷更加显著，界面上凸起部分能够 擦因数相对来说比较小，主要是因为沉积层中细小 深入液体内部较长的距离，与此同时，凸起部分也向 晶粒的析出增强了沉积层耐磨性能，使得沉积层的 周围排溶质，于是在横向也产生了成分过冷，这时从 摩擦因数有所降低， 主干向横向方向伸出短小的二次横枝.但是，由于 0.8 主干的间距较小，因此二次横枝也比较短，这样就形 0.6 成了特殊的胞状树枝状晶结构2（图2(b)等轴晶 基体 (dendritic)处. 0.4 2.3沉积层硬度变化 0.2 如图4是采用HSV1000型显微硬度计对电火 沉积试样 花沉积层的硬度进行测量的结果.结果表明：电火 花沉积层具有较高的硬度，最高可达13906HV, 0.2 400800120016002000 平均硬度为1331HV,沉积层的硬度显著高于基体 时间s 硬度：而从沉积层到过渡层基体的显微硬度逐渐下 1600 图5沉积层与基体的摩擦因数 Fig.5 Friction coefficient of the ESD coating and substrate 1400 1200 沉积层与铸钢轧辊的摩擦磨损实验结果见 表3.从表3中可见，沉积层的磨损率为00010g r1,铸钢轧辊的磨损率为00023gr1.沉积层的 800 基体 沉积层 相对耐磨性为： 600 ew=△Ws/△Wm=2.7/1.2=23 400 过渡层 式中，εw为沉积层的相对耐磨性；W为铸钢轧辊 200 10 20 30 40 试样磨损损失质量，g:Wm为沉积层磨损损失质量， 到沉积层表面的距离μm g·可见沉积层的相对耐磨性比轧辊钢提高了2.3 图4沉积层的显微硬度 倍. Fig 4 Microhardness distribution of the coating
图3 图 2( c) 中颗粒 A 、B 和 C 能谱.( a) 颗粒 A ;( b) 颗粒 B ; ( c) 颗粒 C Fig.3 EDX spectra of Particles A, B and C in Fig .2( c) :( a) Particle A ;( b) Parti cle B;( c) Particle C ( columnar) ) ;到接近熔池时, 随着 G 和 G/ R 的进 一步减小, 成分过冷更加显著, 界面上凸起部分能够 深入液体内部较长的距离, 与此同时, 凸起部分也向 周围排溶质, 于是在横向也产生了成分过冷, 这时从 主干向横向方向伸出短小的二次横枝.但是, 由于 主干的间距较小, 因此二次横枝也比较短, 这样就形 成了特殊的胞状树枝状晶结构[ 12] ( 图 2( b) 等轴晶 ( dendritic) 处) . 图 4 沉积层的显微硬度 Fig.4 Microhardness distribution of the coating 2.3 沉积层硬度变化 如图 4 是采用 HSV1000 型显微硬度计对电火 花沉积层的硬度进行测量的结果.结果表明 :电火 花沉积层具有较高的硬度, 最高可达 1 390.6 HV, 平均硬度为 1 331 HV, 沉积层的硬度显著高于基体 硬度;而从沉积层到过渡层基体的显微硬度逐渐下 降 .从上面知道, 沉积层的组织中含有高硬度的复 杂的碳化物等, 而且这些具有粒状细小的高硬度的 碳化物是以弥散形式分布的, 由于电火花沉积加热 和冷却是瞬间完成的, 存在着高密度的位错和较高 的残余应力, 这些都导致沉积层具有较高的显微 硬度. 2.4 沉积层耐磨性能的分析 图 5 为沉积试样和基体的摩擦因数随时间的变 化图.从中可以看出:在 30 min 内, 基体的摩擦因数 变化比较大 ;磨损开始后, 摩擦因数先降低而后逐渐 变大 .这主要因为基体的硬度不是很高, 磨损一开 始即发生严重的黏着, 导致摩擦因数迅速增大, 磨损 也比较严重, 开始阶段的磨屑主要是黏着造成的材 料转移和剥落形成的, 在实验磨损条件下, 摩擦副接 触非常紧密, 开始形成的磨屑难以逸出, 蓄积在两个 接触界面之间成为第 3 体, 将摩擦副分离, 使摩擦副 相对之间的黏着减弱, 并使接触性质发生变化, 因此 摩擦因数迅速下降 .随着磨损的进行, 磨损接触面 逐步增大, 粗糙度变大, 温度升高, 使磨损工况复杂, 最终导致摩擦因数逐渐增大 .电火花沉积试样后摩 擦因数相对来说比较小, 主要是因为沉积层中细小 晶粒的析出增强了沉积层耐磨性能, 使得沉积层的 摩擦因数有所降低 . 图5 沉积层与基体的摩擦因数 Fig.5 Friction coefficien t of the ESD coating and substrate 沉积层与铸钢轧辊的摩擦磨损实验结果见 表 3 .从表 3 中可见, 沉积层的磨损率为 0.001 0 g· r -1 , 铸钢轧辊的磨损率为 0.002 3 g·r -1 .沉积层的 相对耐磨性为: εW =ΔWS/ΔWm =2.7/1.2 =2.3 式中, εW 为沉积层的相对耐磨性;WS 为铸钢轧辊 试样磨损损失质量, g ;Wm 为沉积层磨损损失质量, g .可见沉积层的相对耐磨性比轧辊钢提高了 2.3 倍 . 第 9 期 王建升等:铸钢轧辊电火花沉积 YG8 涂层的组织结构和性能 · 1155 ·
。1156 北京科技大学学报 第31卷 表3磨损实验结果 图6给出了沉积层的磨损形貌.从图6()磨损 Table 3 Results of abrasive test 形貌可以看出：磨损过程中“犁沟”已不明显，说明磨 实验前 实验后 失去的 磨损率/ 试样 粒磨损己经不是其主要磨损方式：另外磨损表面出 质g 质/g 质/g (g) 现了片状剥落和塑性变形特征，表明沉积层存在一 沉积试样 186200 186188 12 0.0010 定的黏着磨损1习.从图6(b)可以看出：沉积层的磨 铸钢轧辊试样186483 186456 27 00023 损处存在很多大的凹坑，这些凹坑主要发源于沉积 层的缺陷一细小裂纹，在循环变化的应力作用下， 沉积层具有较好耐磨性的主要原因如下：电极 当这些裂纹不断地扩大并慢慢地连在一起之后，这 材料与基体材料发生完全熔融，在基体的表面生成 一部分沉积层便随着磨损过程的延续而脱离，形成 了硬度较高的硬质相碳化物，这些多相结构的细小 凹坑.从上述分析得出，沉积层的磨损主要是黏着 碳化物颗粒以弥散形式分布在基体上. 磨损和疲劳磨损的综合作用，以疲劳磨损为主， 200m 0L山m 图6电火花沉积层的磨损形貌 Fig 6 Friction morphologies of the ESD coating electrode by electro-spark deposited composite coat ing:Part I 3结论 Coating charact erization.Surf Cout Technol,2006.201(3):1503 (1)在铸钢轧辊上电火花沉积YG8硬质合金 [2 Lesnjak A.Tusek J.Processes and properties of deposits in elec- tmospark ceposition.Sci Technol Weld Join,2002,7(6):391 时，采用较大工艺沉积参数快速冷却的方法能获得 L习 Warg PZ Pan G S.Zhou Y.et al.Acoclerated electmspark de 由FeW3C、Co3WC、Fe7WC和WzC等相组成的沉 position and the wear behavior of coatings.J Mater Eng Per- 积层：细小的WzC和FW6强化颗粒相弥散分布 farm.1997,6(6:780 于FeW3C、Co3W3C基体相上，提高了沉积层的硬 [4 Arvind A.Narendra BD.Pulse electrode deposition of auperhard 度和耐磨性. boride coatings on ferrous alby.Surf Coat Technol,1998.106 (2):242 (2)沉积层与基体呈治金结合.沉积层组织致 [5 Galmv I V.Investigation of the composition of Ag Ni and Ag 密，厚度大约为20m;过渡层组织主要呈现出柱状 Nipseudo-alloy coatings applied by electmospark alloying on a Cu 晶结构和树枝状晶结构 substrate.Surf Coat Technol.1993,56(2):131 (3)沉积层硬度分布不均匀，硬质相较多区域 [6 Ribalko A V,Sahin 0.The use of bipolar current pulses in elec- 的硬度较高，最高的达到了13906HV,平均硬度为 trospark albying of metal surfaces.Surf Coat Tediml.2003. 168(2):129 1331.0HV. [7 Parkansky N.Beilis II.Rapoport L,et al.Electrode erosion and (4)沉积层的耐磨性较铸钢轧辊基体得到了很 coating pmoperties in pulsed air are deposition of WC-based hard 大的提高，磨损性能提高了23倍.沉积层的磨损 alloys.Surf Coat Technol.1998.105 (1):130 主要是黏着磨损和疲劳磨损的综合作用，以疲劳磨 8Wang R J.Interface Behavior Study of WC-Co Coating by Elec- 损为主. troSpark Deposition on Titanium Alby Surface[Disseration]. Harbin:Hatbin Institute of Technobgy,2005:84 (汪瑞军.钛合金表面WC一C。强化层的电火花表面强化行为 部 考文献 研究学位论丸.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005：84 [1]Zheng C.Zhou Y.Surface modification of resistance weHing (下转第1163页)
表 3 磨损实验结果 Table 3 Results of abrasi ve t est 试样 实验前 质量/ g 实验后 质量/ g 失去的 质量/g 磨损率/ ( g·r -1 ) 沉积试样 18.620 0 18.618 8 1.2 0.001 0 铸钢轧辊试样 18.648 3 18.645 6 2.7 0.002 3 沉积层具有较好耐磨性的主要原因如下:电极 材料与基体材料发生完全熔融, 在基体的表面生成 了硬度较高的硬质相碳化物, 这些多相结构的细小 碳化物颗粒以弥散形式分布在基体上. 图 6 给出了沉积层的磨损形貌.从图 6( a) 磨损 形貌可以看出:磨损过程中“犁沟”已不明显, 说明磨 粒磨损已经不是其主要磨损方式;另外磨损表面出 现了片状剥落和塑性变形特征, 表明沉积层存在一 定的黏着磨损 [ 13] .从图 6( b) 可以看出:沉积层的磨 损处存在很多大的凹坑, 这些凹坑主要发源于沉积 层的缺陷———细小裂纹, 在循环变化的应力作用下, 当这些裂纹不断地扩大并慢慢地连在一起之后, 这 一部分沉积层便随着磨损过程的延续而脱离, 形成 凹坑 .从上述分析得出, 沉积层的磨损主要是黏着 磨损和疲劳磨损的综合作用, 以疲劳磨损为主. 图 6 电火花沉积层的磨损形貌 Fig.6 Fricti on morphologies of the ESD coating 3 结论 ( 1) 在铸钢轧辊上电火花沉积 YG8 硬质合金 时, 采用较大工艺沉积参数快速冷却的方法能获得 由Fe3W3C 、Co3W3C 、Fe7W6C 和 W2C 等相组成的沉 积层;细小的 W2C 和 Fe7W6 强化颗粒相弥散分布 于 Fe3W3C 、Co3W3C 基体相上, 提高了沉积层的硬 度和耐磨性. ( 2) 沉积层与基体呈冶金结合 .沉积层组织致 密, 厚度大约为 20 μm ;过渡层组织主要呈现出柱状 晶结构和树枝状晶结构. (3) 沉积层硬度分布不均匀, 硬质相较多区域 的硬度较高, 最高的达到了1 390.6HV, 平均硬度为 1 331.0HV . ( 4) 沉积层的耐磨性较铸钢轧辊基体得到了很 大的提高, 磨损性能提高了 2.3 倍.沉积层的磨损 主要是黏着磨损和疲劳磨损的综合作用, 以疲劳磨 损为主. 参 考 文 献 [ 1] Zheng C, Zhou Y, Surface modification of resistance w elding electrode by electro-spark deposited composit e coatings:Part Ⅰ . Coating charact erization.S urf Coat Technol, 2006, 201( 3) :1503 [ 2] Lesnjak A, Tusek J.Processes and properties of deposits in electrospark deposition.S ci Technol Weld Join , 2002, 7( 6) :391 [ 3] Wang P Z, Pan G S, Zhou Y, et al.Accelerated electrospark deposition and the w ear behavior of coatings.J Mater Eng Perform , 1997, 6( 6) :780 [ 4] Arvind A, Narendra B D .Pulse electrode deposition of superhard boride coatings on ferrous alloy .Su rf Coat Technol, 1998, 106 ( 2) :242 [ 5] Galinov I V .Investigati on of the composition of Ag, Ni and AgNi pseudo-alloy coatings applied by electrospark alloying on a Cu substrat e.S urf Coat Technol, 1993, 56( 2) :131 [ 6] Ribalko A V, Sahin O .T he use of bipolar current pulses in electrospark alloying of met al surf aces.S urf Coa t Tech nol, 2003, 168 ( 2) :129 [ 7] Parkansky N, Beilis I I, Rapoport L, et al.Electrode erosi on and coating properties in pulsed air arc deposition of WC-based hard alloys.Surf Coat Technol, 1998, 105 ( 1) :130 [ 8] Wang R J.Interface Behavior Study of WC-Co Coating by E lectro-S park Deposition on Titanium Alloy S urface[ Dissert ation] . Harbin:Harbin Institute of Technology, 2005:84 ( 汪瑞军.钛合金表面 WC-Co 强化层的电火花表面强化行为 研究[ 学位论文] .哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2005:84) ( 下转第 1163 页) · 1156 · 北 京 科 技 大 学 学 报 第 31 卷