工程机械用钢的表面改性处理研究

□王 洋

工程机械行业是机械行业中钢材消费量最大的子行业之一，2014年消费钢材1,520万吨，占机械行业钢材消费量的12.2%，占钢材消费总量的2.3%。我国现在已成为全球第一大工程机械市场。钢材作为工程机械最重要的原材料，不仅决定着产品价格，也决定着产品的性能和可靠性。总体来说，目前，中国工程机械用钢质量整体水平不高，只有约30%的产品实物质量达到国际先进水平。这一现象导致的直接后果就是我国工程机械产品与国外同类产品相比，在耐久性、可靠性上的差距还比较大。虽然每年工程机械消化了许多钢铁产能，但是受国内钢材行业技术制约，并未完全将工程机械用钢市场开发，还有部分高端钢材需要依靠进口。归其原因，在一定程度上与高品质工程机械用钢的表面改性处理技术有关[1～2]，本文选取具有代表性的45#工程机械用钢为对象，通过在表面进行热喷涂的方法，研究了改性前后的组织与性能变化，研究结果对于提高工程机械用钢的使用性能具有参考意义。

一、实验材料与方法

选用工程机械用钢常用牌号45#钢为基体材料，它的主要化学成分元素比例(%)：0.47C、0.10Cr、0.68Mn、0.17Ni、0.008S、0.004S、0.24Si，余量为Fe，使用状态为调质态，用于制作承受负荷较大的小截面调质件和应力较小的大型正火零件以及对心部强度要求不高的表面淬火零件，如梢子、导柱、表针等部件。

采用WC-10Co4Cr粉末对工程机械用钢表面进行热喷涂处理，喷涂设备为自制的超高音速火焰喷涂系统NM-2200型热喷涂机，采用航空煤油作为燃料，氮气为送载气，喷涂距离为40cm，送粉速率为1.5gpm。

采用JSM-6800型扫描电子显微镜对喷涂粉末和涂层进行微观组织观察，并用附带的能谱分析仪分析微区成分；物相组成采用Burkerd-8型X射线衍射仪分析物相组成；摩擦磨损试验采用吉林大学研制的JL-300型摩擦磨损试验机进行，对磨材料为GCr15钢珠，转盘半径为2.5mm，磨损时间设定为20min，通过对机械工程用钢表面喷涂涂层和基体材料分别进行摩擦试验后，通过对比磨损失重量考察表面热喷涂改性处理对工程机械用钢摩擦磨损性能的影响。

二、结果与分析

通过对WC-10Co4Cr粉末的低倍和高倍组织形貌分析，可以得出，表面改性粉末的球形度较高，相邻粉末颗粒间有一定间隙，对粉末颗粒进行局部放大后可以观察到各个粉末颗粒的表面粗糙多孔，但是连续性较好，没有在表面发现孔洞或者夹杂等缺陷，这表明通过球磨处理后的喷涂粉末制备工艺适当，球形度较高且表面无缺陷的粉末颗粒在热喷涂改性过程中更容易吸收和传递热量，有利于表面改性的进行[3]。

通过对工程机械用钢表面热喷涂粉末的粒度进行统计分析，可以得出，WC-10Co4Cr粉末粒度分布在5～50μm之间。其中，粒径范围在5～10μm的占比约为2%，粒径范围在10～15μm的占比约为6%，粒径范围在15～20μm的占比约为11%，粒径范围在20～25μm的占比约为13%，粒径范围在25～30μm的占比约为28%，粒径范围在30～35μm的占比约为12%，粒径范围在35～40μm的占比约为4%，粒径范围在40～45μm的占比约为4%，粒径范围在45～50μm的占比约为3%。由此可见，WC-10Co4Cr粉末粒度主要分布在20～35μm之间。

通过对工程机械用钢的表面喷涂形貌进行观察，可以得出，当大部分WC-10Co4Cr粉末喷射到工程机械用钢基体表面后，大部分颗粒都进行了较大程度的变形，外形从球形转变为扁平状，呈现出糯米团或者油饼状，这主要是由于球形颗粒在超高音速喷涂过程中受到撞击形成的[4]。从局部方法组织中可以发现，这些粉末颗粒中的碳化物弥散在粘结相中，部分碳化物呈现出多角形形貌，表面在热喷涂过程中并没有完全熔化，这些弥散分布的碳化物对于提高整个涂层的抗摩擦磨损形貌有利。

通过对工程机械用钢热喷涂粉末和喷涂后的涂层进行X射线衍射观察，可以发现，热喷涂粉末中主要含有WC和Co相，并没有其它衍射峰存在；在经过热喷涂处理后，在工程机械用钢表面喷涂涂层中可以发现WC、W2C和CoCr相，其中W2C相的形成主要是由于在热喷涂过程中WC发生了部分脱碳形成，而CoCr相的型材主要说明在热喷涂过程中Cr元素已经固溶到Co基体中。部分学者认为这种在热喷涂过程中的脱碳现象是由于熔融颗粒撞击产生，也有理论认为W2C相与WC溶解同时进行，在融滴达到基体之前已经产生[5]。

通过对工程机械用钢的表面喷涂涂层截面形貌进行观察，可以得出，经过热喷涂处理后，工程机械用钢表面形成了厚度约为170μm的涂层，热喷涂涂层与基体材料实现了良好的机械结合，涂层之间的组织均匀、致密，在涂层中没有发现气孔、夹杂等缺陷。从局部放大组织可以发现，涂层组织中还存在较大尺寸的WC颗粒，但是没有层状结构特征，其中少部分区域的黑色颗粒相主要是在超高速喷射过程中形成的脱碳相；此外，粉末颗粒间还存在一定的空隙，孔隙率约为2.24%，孔隙率较低表面采用本文的超高音速热喷涂方法在工程机械用钢表面形成了较为致密的涂层。

对工程机械用钢的表面改性层和基体材料进行摩擦磨损对比试验，结果显示：当转速为550r/min，载荷为320g时，工程机械用钢改性层的摩擦系数和磨损失重分别为0.4051和0.0021g，而基体材料的摩擦系数和磨损失重分别为0.4987和0.0068g；当转速为550r/min，载荷为420g时，工程机械用钢改性层的摩擦系数和磨损失重分别为0.3533和0.0037g，而基体材料的摩擦系数和磨损失重分别为0.4854和0.0142g；当转速为820r/min，载荷为320g时，工程机械用钢改性层的摩擦系数和磨损失重分别为0.3777和0.0026g，而基体材料的摩擦系数和磨损失重分别为0.498796和0.0082g；当转速为820r/min，载荷为420g时，工程机械用钢改性层的摩擦系数和磨损失重分别为0.3017和0.0046g，而基体材料的摩擦系数和磨损失重分别为0.4389和0.0178g。由此可见，随着加载载荷和转速的增加，工程机械用45#钢表面改性层的摩擦系数更小，耐磨性能更好；通过在工程机械用45#钢表面进行WC-10Co4Cr粉末喷涂改性处理，在不同的载荷和转速下，改性层与基体相比都具有更好的耐磨性能。

三、结语

一是WC-10Co4Cr粉末粒度主要分布在20～35μm，热喷涂粉末中主要含有WC和Co相，并没有其它衍射峰存在。二是工程机械用钢表面形成了厚度约为170μm的涂层，热喷涂涂层与基体材料实现了良好的机械结合，涂层之间的组织均匀、致密，在涂层中没有发现气孔、夹杂等缺陷。三是随着加载载荷和转速的增加，工程机械用45#钢表面改性层的摩擦系数更小，耐磨性能更好；通过在工程机械用45#钢表面进行WC-10Co4Cr粉末喷涂改性处理，在不同的载荷和转速下，改性层与基体相比都具有更好的耐磨性能。