郭策安，張 健，尚光明，于世強

(1.沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159;2.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110004;3.北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161046)

隨著火炮威力和射程的提高，火炮身管的燒蝕和磨損成為各國火炮工作者亟待解決的問題［1］。到目前為止，電鍍鉻涂層由于其具有高硬度、耐磨損、耐腐蝕、高熔點和低生產(chǎn)成本等優(yōu)點被廣泛應用于身管內(nèi)膛表面的防護涂層［2］，并且結合了激光復合表面處理技術在實彈射擊中收到了很好的效果［3］。但電鍍鉻過程中會產(chǎn)生有害物質，處理成本非常高;而且電鍍技術所形成的鍍層與基材是機械結合，在經(jīng)過一定時間炮彈射擊后，往往由于鉻層與鋼基材結合力差的原因而剝落，導致高溫發(fā)射藥氣體會熔化鍍鉻層下的鋼基材，導致身管燒蝕加?。?］。而電火花沉積技術是一種綠色技術，通過陽極與陰極放電作用形成冶金結合的涂層，不存在因結合力不足而剝落的問題，可以避免電鍍鉻的弊端。

為此，本文應用電火花沉積技術在身管用鋼PCrNi3MoVA上沉積Cr涂層，在實驗室環(huán)境下測試和分析涂層的硬度與摩擦磨損性能、高溫抗氧性能、耐腐蝕性能，為火炮身管技術的拓展提供理論參考。

1 實驗材料及方法

實驗用基材為炮鋼，其名義化學成分見文獻［5］。炮鋼經(jīng)最后調(diào)質處理(淬火溫度870℃，一次回火580℃，二次回火620℃)，加工成20mm×10mm×3mm的試樣。用電火花沉積技術在炮鋼表面制備 Cr涂層，電極采用電解 Cr塊(純度99.9%)，線切割成φ5mm×80mm棒狀，電極與試樣經(jīng)水砂紙磨至600#，并用丙酮超聲波清洗，電火花沉積設備采用SD-D5A多功電火花沉積機，工藝參數(shù)為功率4檔，頻率6檔，電極轉速5檔，氬氣保護流量 20L/min，比沉積時間為1.5min/cm2。

炮鋼和涂層的顯微硬度用FM-700顯微硬度計測量，加載時間為10s，載荷為10g，每個試樣測五點取平均值;涂層的摩擦磨損性能用MMW-1A萬能摩擦磨損試驗機評價，與配副件45#鋼球組成止推摩擦副，采用干摩擦方式，實驗條件為轉速20r/min，載荷10N，取實驗時間5min內(nèi)摩擦系數(shù)平均值作為摩擦系數(shù)的測定值;用間斷增重法進行抗氧化試驗，氧化溫度為850℃，試驗前坩堝在1100℃下燒至恒重，實驗過程中，每隔一定時間將樣品從爐中取出冷卻稱重，實驗中平行樣品不少于3個，稱重天平感量為0.1mg;電化學采用PARSTAT2273恒電位儀測試系統(tǒng)，測試溶液為分析純試劑和蒸餾水配置而成的3.5mass%NaCl溶液，恒溫水浴控制溫度為(30±1)℃，動電位極化曲線測量的掃描速度為20mV/min，試樣在溶液中穩(wěn)定5min后開始電化學測試;用S-3400N型掃描電鏡觀察基材和涂層表面、截面形貌及微區(qū)成分分析;用D/max-2500/PC型X射線衍射儀確定涂層的相結構。

2 實驗結果

2.1 涂層的組織結構

圖1a為電火花沉積Cr的表面形貌，從圖1a可以看出，電火花涂層的表面較為粗糙，強化點之間相互熔合連接，熔融的電極和基材材料在基材的表面上形成了液體涌濺的蝕刻形貌。對試樣截面磨制和機械拋光，用5%的硝酸酒精溶液腐蝕，涂層的截面因耐蝕能力較強而不易被腐蝕，厚度約為30μm，如圖1b所示。圖1c為電火花沉積Cr涂層的XRD衍射譜，其表明電火花沉積Cr涂層由 α-(Fe，Cr)與 γ-(Fe，Cr)兩種相結構組成。

2.2 涂層的硬度與摩擦磨損性能

炮鋼、Cr涂層的平均顯微硬度分別為HV420、HV636，可見Cr涂層的顯微硬度較基材提高了近50%。在電火花沉積的過程中要達到10000℃以上的高溫，電極與炮鋼的電蝕產(chǎn)物在炮鋼表面發(fā)生冶金反應，這種冶金反應會在涂層中形成Fe的兩種固溶體，在驟然冷卻的條件下還會產(chǎn)生大量亞穩(wěn)態(tài)成份，因而電火花沉積涂層為超細組織和非晶態(tài)組織［6］，這些因素都會提高涂層的硬度。另外，從涂層的截面來看，其致密的組織結構也有利于提高涂層的硬度。

炮鋼與Cr涂層的摩擦系數(shù)、Cr涂層磨損形貌如圖2所示。從圖2a可以看出，在磨損的起始階段，炮鋼的摩擦系數(shù)小于涂層的摩擦系數(shù)，這是由于電火花涂層的表面粗糙度較高，而炮鋼經(jīng)過打磨處理，摩擦系數(shù)與粗糙度成正比。在隨后的穩(wěn)定摩擦磨損中，Cr涂層的摩擦系數(shù)為0.22～0.27，明顯小于基材的摩擦系數(shù)(0.78～0.86)，具有顯著的減摩效果。摩擦系數(shù)是與材料和環(huán)境條件有關的一個綜合特性系數(shù)，炮鋼與涂層的環(huán)境條件相同，摩擦系數(shù)與摩擦副材料本身性質有關。炮鋼的摩擦系數(shù)較大，主要是由于炮鋼與摩擦副45#鋼球硬度相當，成分相同的金屬易于粘著而發(fā)生嚴重磨損;電火花沉積Cr涂層的摩擦系數(shù)與其硬度有關，摩擦系數(shù)隨著硬度的升高而減小。

圖1 Cr涂層的組織結構

圖2 炮鋼與Cr涂層的摩擦系數(shù)及Cr涂層的磨損形貌

Cr涂層的磨損形貌如圖2b所示，其磨損后的表面存在較淺的磨痕，如圖2b中箭頭所示，與原始涂層表面(圖1a)相比要光滑得多。可見，磨損后的電火花涂層顯示了適度拋光型的微切削磨料磨損特征［7］;由于電火花涂層的硬度比炮鋼提高了近50%，沒有出現(xiàn)與炮鋼磨損類似的嚴重的塑性變形和磨痕邊緣材料堆積的現(xiàn)象［5］。同時，電火花Cr涂層磨損后的表面存在局部淺層剝落的形貌，如圖2b中箭頭所示，由于電火花在沉積的過程中，在電容中儲存的電能在幾微秒內(nèi)迅速釋放而產(chǎn)生10000℃以上的高溫，從而使陽極材料與陰極材料在陰極材料表面上產(chǎn)生的小熔池中發(fā)生物理化學反應，最后急速冷凝形成涂層，這種驟熱驟冷的過程在涂層中產(chǎn)生殘余應力，殘余應力積累到一定程度在涂層中會產(chǎn)生的裂紋而使應力釋放，這些多裂紋往往在磨損過程中形成局部的淺層剝落。因此，電火花涂層的磨損機制主要是微切削磨料磨損，并伴隨局部的剝層磨損。

2.3 涂層的抗高溫氧化性

圖3為炮鋼與Cr涂層850℃氧化100h動力學曲線，從圖3可以看出，炮鋼氧化動力學曲線基本符合拋物線規(guī)律，在850℃氧化100h后，炮鋼單位面積的平均增重為182.383mg/cm2。Cr涂層氧化動力學曲線不符合拋物線規(guī)律，從氧化后樣品表面氧化宏觀形貌可以看出，這是由于涂層手工制備過程中出現(xiàn)的邊角局部缺陷造成的。經(jīng)850℃氧化100h后，Cr涂層的增重僅為1.730mg/cm2，由此可見，涂層大大提高了炮鋼的高溫抗氧化性能。炮鋼850℃氧化100h后，由于其表面生成的氧化膜不具有保護性，以及產(chǎn)生的熱應力和生長應力使氧化膜不斷從炮鋼表面剝落，導致炮鋼氧化嚴重［8］。圖4為Cr涂層850℃氧化100h后的表面形貌及成分分析結果，從圖4a可以看出Cr涂層的表面形成了連續(xù)致密的氧化膜，圖4b局部區(qū)域的EDAX分析結果如圖4c所示，從圖4c可以看出，涂層表面生成了連續(xù)致密的Cr2O3保護膜，阻止了炮鋼基材被氧化。

圖3 炮鋼與Cr涂層850℃氧化100h動力學曲線

圖4 Cr涂層850℃氧化100h后的表面形貌及成分分析結果

2.4 涂層的耐腐蝕性

圖5為炮鋼與Cr涂層在3.5mass%NaCl溶液中的極化曲線，從圖5可以看出，炮鋼的電流密度隨時間增加而快速增大，這時材料表面發(fā)生活性溶解行為，即金屬快速溶解。而電火花沉積Cr涂層提高了炮鋼的抗腐蝕能力，在同一電極電位下，陽極溶解電流密度降低近1個數(shù)量級。

圖5 炮鋼與Cr涂層在3.5mass%NaCl溶液中的極化曲線

3 結論

(1)電火花沉積Cr涂層的顯微硬度較炮鋼提高了近50%，在穩(wěn)定摩擦磨損中，Cr涂層的摩擦系數(shù)為0.22～0.27，明顯小于炮鋼的摩擦系數(shù)(0.78～0.86)，具有顯著的減摩效果，Cr涂層的磨損機制主要是微切削磨料磨損。

(2)Cr涂層表面生成了連續(xù)致密的Cr2O3保護膜，阻止了炮鋼基材被氧化，極大地提高了炮鋼的抗氧化性能。

(3)炮鋼與電火花沉積Cr涂層在3.5mass%NaCl溶液中，在同一電極電位下，電火花沉積Cr涂層陽極溶解電流密度降低近1個數(shù)量級。

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