談慶瑤，曹同坤，徐英濤

（青島科技大學(xué)，山東 青島 266000）

在機(jī)械行業(yè)中，由于機(jī)械零部件之間存在的摩擦導(dǎo)致零件的磨損量逐步增多，機(jī)械零部件的機(jī)械性能以及使用壽命都會(huì)受到影響。因此，提升機(jī)械零部件材料的性能和表面防護(hù)就顯得至關(guān)重要[1-3]。涂層技術(shù)是指基體材料的原有性能不變，在摩擦副的表面上制備一層具有良好的耐摩擦磨損以及潤(rùn)滑性能的固體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜[4-6]。

目前，國(guó)內(nèi)外有許多學(xué)者對(duì)電火花沉積制備涂層進(jìn)行了相關(guān)研究。在絕大多數(shù)情況下，采用電火花沉積技術(shù)所制備的涂層都屬于硬質(zhì)涂層，這種涂層可在一定程度上提高機(jī)械零部件表面的硬度，進(jìn)而提高機(jī)械零部件的耐磨性。例如制備硬質(zhì)合金涂層，并進(jìn)行摩擦磨損分析，結(jié)果表明，涂層表面較光滑、組織均勻且致密，涂層硬度提高，耐磨性得到提升[7-8]。雖然具有高硬度的涂層可以在一定程度上增加基體表面的耐磨性，但卻無(wú)法使基體表面的潤(rùn)滑性能得到提升。

國(guó)內(nèi)外對(duì)制備自潤(rùn)滑涂層的研究也有不少，包括粉末燒結(jié)、熱噴涂、激光熔覆等方法。于福洋[9]利用大氣等離子噴涂工藝，在硬質(zhì)合金中添加石墨作為潤(rùn)滑劑制備了涂層。結(jié)果表明，在硬質(zhì)合金中含有6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的石墨時(shí)，涂層表面較致密且硬度達(dá)到最佳值。Yan 等人[10]將Ti-Si-C 體系和NiCrBSi 粉末相結(jié)合，采用激光熔覆法在Ti6Al4V 合金表面上制備出了Ti3SiC2/Ti5Si3/TiC/Ni 基復(fù)合涂層。研究結(jié)果表明，涂層的硬度較基體提高了2 倍，而當(dāng)涂層處于室溫狀態(tài)下時(shí)，摩擦因數(shù)降低，最小為0.33，且涂層的磨損表面相對(duì)較光滑。

電火花沉積技術(shù)相對(duì)于其他技術(shù)，基體與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度較高，沉積層的厚度較厚，且工作條件（氣、液、真空）可控。本課題組前期采用電火花沉積技術(shù)制備了多種自潤(rùn)滑涂層，有Cu-MoS2自潤(rùn)滑涂層[11]、石墨自潤(rùn)滑涂層[12]、Cu/BN 自潤(rùn)滑涂層[13]等，在自潤(rùn)滑的減摩抗磨方面取得了重要的研究成果。目前，單一涂層的性能正朝著多層涂層發(fā)展，彌補(bǔ)了摩擦接觸表面具有單一性能且不能同時(shí)發(fā)揮出涂層性能的不足，因此設(shè)計(jì)出石墨與硬質(zhì)合金軟硬相間的單一涂層，對(duì)同時(shí)提升涂層的潤(rùn)滑性和耐磨性有極大作用。本文通過(guò)使用電火花沉積技術(shù)在45 鋼表面間隔沉積了條狀的硬質(zhì)合金-石墨自潤(rùn)滑涂層，分析了涂層的表面形貌和組織成分，測(cè)試了涂層在不同影響因素下的摩擦磨損性能及磨損機(jī)理。

1 試驗(yàn)

1.1 設(shè)備與材料

試驗(yàn)設(shè)備采用ESD-03B 型電火花堆焊修復(fù)機(jī)?；w為φ20 mm×10 mm 的45 鋼，電極為石墨棒和硬質(zhì)合金棒，石墨棒和硬質(zhì)合金棒的直徑均為3 mm。

1.2 涂層制備

試驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作：對(duì)45 鋼基體進(jìn)行表面處理，依次使用320 目、600 目及1200 目的砂紙，對(duì)基體表面進(jìn)行粗磨和精磨，以去除基體表面的氧化皮；對(duì)打磨好的45 鋼進(jìn)行拋光處理，用沾有丙酮的棉棒擦拭基體表面殘留的磨屑和油污，將擦拭好的基體放入無(wú)水乙醇中浸泡15 min，而后用熱風(fēng)吹干。

試驗(yàn)采用電火花堆焊修復(fù)機(jī)，室溫下在基體表面上準(zhǔn)備制備涂層，電極擋位選用二擋，這是因?yàn)樵诙鯐r(shí)所制備出的涂層表面較為致密、均勻。放電功率為60 μF，頻率為40 Hz。在10 mm×10 mm 的基體表面上采用石墨電極和硬質(zhì)合金電極交替沉積出條狀涂層，其中將硬質(zhì)合金涂層的寬度設(shè)置為1 mm，涂層的具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。試驗(yàn)采用優(yōu)化后的最佳沉積工藝參數(shù)（表1）在基體表面進(jìn)行沉積，在試件表面分別采用石墨電極和硬質(zhì)合金電極進(jìn)行多次往復(fù)沉積，從而制備出條紋狀的石墨-硬質(zhì)合金自潤(rùn)滑涂層。電極選用旋轉(zhuǎn)方式，轉(zhuǎn)速為140 r/min，沉積時(shí)間根據(jù)沉積面積比確定。

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

圖1 涂層設(shè)計(jì)Fig.1 The coating design

表1 沉積工藝參數(shù)Tab.1 Deposition process parameters

對(duì)制備好的涂層使用HSR-2M 高速往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，摩擦?xí)r采用軸承鋼（GCr15）球體（φ3 mm）作為對(duì)磨偶件，摩擦?xí)r的試驗(yàn)條件為：室溫（25℃），摩擦?xí)r間20 min，載荷10 N。摩擦頻率帶動(dòng)對(duì)磨偶件做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)長(zhǎng)度為5 mm。摩擦過(guò)程為滑動(dòng)摩擦，對(duì)磨偶件固定不動(dòng)，測(cè)量摩擦因數(shù)。采用掃描電鏡（SEM）對(duì)摩擦后的自潤(rùn)滑涂層的磨損表面進(jìn)行分析。

2 結(jié)果

2.1 涂層的微觀(guān)形貌及組織成分

圖2a 為3 號(hào)試件涂層的微觀(guān)形貌。由圖2a 可知，石墨涂層和硬質(zhì)合金涂層區(qū)域的分界處較為明顯，由于石墨具有良好的導(dǎo)熱性，石墨電極熔融后的熔滴在基體表面上快速冷卻，形成一個(gè)小的沉積點(diǎn)，反復(fù)沉積后，沉積點(diǎn)多次融合、重疊，因此石墨涂層表面多呈現(xiàn)出橘皮狀，此時(shí)涂層表面具有良好的均勻性、致密性和連續(xù)性。反觀(guān)硬質(zhì)合金自潤(rùn)滑涂層區(qū)域，涂層表面相對(duì)較光滑，表面呈現(xiàn)白亮色。這是由于在沉積過(guò)程中放電時(shí)產(chǎn)生的火花較大，熔融的電極材料會(huì)在基體表面分散開(kāi)，由于硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱性低于石墨，有一定的冷卻時(shí)間，熔融的硬質(zhì)合金具有流動(dòng)性，使得硬質(zhì)合金表面較為平緩。通過(guò)圖2b 可發(fā)現(xiàn)，石墨涂層區(qū)域呈層狀分布，這是由于在制備過(guò)程中，電極多次放電促使沉積點(diǎn)不斷熔合與重疊，由于石墨自身的線(xiàn)膨脹系數(shù)很小，抗熱震性較高，因此即使石墨在高溫下，體積變化也不會(huì)很大，不易產(chǎn)生裂紋。反觀(guān)硬質(zhì)合金涂層區(qū)域，表面較為光滑，但涂層表面出現(xiàn)了少許裂紋。這是由于硬質(zhì)合金的熱膨脹系數(shù)比石墨高，抗熱震性較弱，因此在高溫下表面易產(chǎn)生裂紋。縱觀(guān)石墨-硬質(zhì)合金自潤(rùn)滑涂層的整個(gè)表面，有氣孔現(xiàn)象產(chǎn)生，這是由于電火花沉積是在高溫高壓下進(jìn)行的，電極材料和基體被瞬間熔化，但材料的體積在冷卻過(guò)程中會(huì)急劇縮小，在熱膨脹和冷收縮的作用下，熔融材料內(nèi)部的空氣會(huì)迅速排出，最終在涂層表面出現(xiàn)微小的孔[13]。

圖2 石墨-硬質(zhì)合金沉積層的表面形貌Fig.2 Surface morphology of graphite-cemented carbide sediments: a) coating topography, b) partial enlargement

圖3 是涂層表面形貌圖及能譜掃描分析圖。從圖3a 和圖3b 中可以看出，硬質(zhì)合金涂層與石墨涂層相接觸的區(qū)域分界較為明顯，涂層沉積較為均勻且致密。這是因?yàn)樵诔练e過(guò)程中，由于瞬時(shí)脈沖作用，電極材料瞬間被融化，融化后的熔滴快速冷卻，沒(méi)有充足的流動(dòng)時(shí)間，熔滴在很短的時(shí)間內(nèi)被沉積在基體材料表面，涂層條之間不會(huì)出現(xiàn)“跨越”行為，石墨與硬質(zhì)合金涂層之間的界面很清楚；通過(guò)沉積時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)沉積層的厚度會(huì)使厚度均勻。由圖3c 可知，石墨涂層區(qū)域表面較為均勻，沒(méi)有凸起區(qū)域，而硬質(zhì)合金沉積層會(huì)有個(gè)別凸起，這是由于硬質(zhì)合金放電時(shí)電火花大，熔融的液滴飛濺出去，多次反復(fù)沉積后在涂層表面呈現(xiàn)出高低不平的形貌。對(duì)圖3c 進(jìn)行線(xiàn)能譜掃描分析，沿箭頭方向進(jìn)行掃面，分析了涂層中C、Co、W、Fe、O 的含量。從能譜圖中可以看出，元素分布較合理，隨著涂層從硬質(zhì)合金區(qū)域向石墨區(qū)域過(guò)渡，由于硬質(zhì)合金中的WC 含有少量碳元素，而石墨中的主要元素是碳，因此該區(qū)域中的碳元素含量突然增加。由于鈷元素導(dǎo)電，在沉積過(guò)程中放電火花較大，使得少量熔滴飛濺在周?chē)湎鄬?duì)濃度從硬質(zhì)合金涂層到石墨涂層逐漸減少。由于WC 不導(dǎo)電，在沉積過(guò)程中鎢元素不會(huì)飛濺進(jìn)入石墨涂層中，只存在于硬質(zhì)合金涂層。鐵元素在整個(gè)涂層線(xiàn)掃描區(qū)域中分布較為均勻，這是由于電火花沉積是一個(gè)將電極與基體重新冶金的過(guò)程[14]，沉積時(shí)的高溫會(huì)使電極材料和基體材料重疊融合，出現(xiàn)元素交換的現(xiàn)象，因此在整個(gè)涂層區(qū)域中會(huì)出現(xiàn)基體材料的元素。由于電火花溫度非常高，在高溫狀態(tài)下，涂層表面的元素可能會(huì)發(fā)生氧化，電火花沉積是一個(gè)瞬時(shí)過(guò)程，因此氧化范圍較小，氧元素就會(huì)少量的存在于整個(gè)涂層表面。結(jié)果表明，采用電火花沉積工藝可制備出熔融狀態(tài)及擴(kuò)散效果較好的涂層。

圖3 石墨-硬質(zhì)合金涂層的表面形貌及能譜掃描分析圖Fig.3 Graphite-cemented carbide coating surface morphology and energy spectrum scanning analysis: a) two dimensional morphology of coating, b) local three-dimensional topography, c) local amplification two-dimensional morphology, d) energy spectrum analysis diagram

圖4 為涂層斷口截面的SEM 形貌。從圖4a 中可以看出，涂層截面區(qū)域分為石墨區(qū)和硬質(zhì)合金區(qū)且具有一定的厚度，沉積層與基體之間形成了良好的冶金結(jié)合，并且涂層的組織較為均勻致密。從沉積層的整體截面形貌中還可觀(guān)察到基體與涂層之間具有一層過(guò)渡層，這一層屬于基體與涂層的結(jié)合部分，是在電火花沉積過(guò)程中由熔融的電極材料以及基體材料相互擴(kuò)散而成。分別將石墨和硬質(zhì)合金截面放大觀(guān)察，如圖4b—c 所示，石墨沉積層截面區(qū)均勻細(xì)致，每一層的沉積點(diǎn)排列較為整齊；而硬質(zhì)合金沉積層截面區(qū)的沉積點(diǎn)略大，這與它自身的導(dǎo)熱性有關(guān)，但每層之間也排列均勻。因此，總體來(lái)說(shuō)石墨沉積層和硬質(zhì)合金沉積層與基體的界面結(jié)合良好，且涂層內(nèi)部組織細(xì)密。

2.2 涂層的摩擦學(xué)性能

圖5a 為摩擦因數(shù)與往復(fù)摩擦頻率及硬質(zhì)合金所占面積比的變化曲線(xiàn)。往復(fù)摩擦頻率為100～500 次/min，隨著往復(fù)摩擦頻率的增加，平均摩擦因數(shù)由0.321、0.331、0.343、0.378 分別下降至0.247、0.249、0.255、0.278。當(dāng)往復(fù)摩擦頻率為100 次/min 時(shí)，摩擦因數(shù)處于最大值；當(dāng)往復(fù)摩擦頻率為500 次/min 時(shí)，摩擦因數(shù)下降至最小值；當(dāng)往復(fù)摩擦頻率處于300 次/min時(shí)，由圖5b 可知，涂層的摩擦因數(shù)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)緩慢上升，并逐漸趨于穩(wěn)定階段，在之后的整個(gè)摩擦過(guò)程中，摩擦因數(shù)都處于穩(wěn)定階段。隨著硬質(zhì)合金在涂層中所占面積比的增加，摩擦因數(shù)逐漸增大。

圖4 沉積層的截面SEM 形貌Fig.4 SEM cross-section of coating: a) section of sedimentary layer, b) graphite deposition layer cross section, c) cross section of cemented carbide deposit

圖5 摩擦因數(shù)曲線(xiàn)Fig.5 Friction coefficient curve: a) the curve of friction factor change under different reciprocating friction frequency, b) friction coefficient versus time curve at 300 times/min

圖6 為不同往復(fù)摩擦頻率下涂層磨損量的變化曲線(xiàn)。涂層的磨損量隨往復(fù)摩擦頻率的增長(zhǎng)而呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，當(dāng)往復(fù)摩擦頻率為500 次/min 時(shí)，涂層的磨損量達(dá)到最大值。隨著硬質(zhì)合金涂層所占面積比的增加，涂層的磨損量下降，且下降幅度較小。

圖6 涂層在不同往復(fù)摩擦頻率下磨損量的變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curve of wear amount of coating under different frequencies of reciprocating friction

3 討論與分析

3.1 涂層的摩擦磨損性能

在相同的往復(fù)摩擦頻率及摩擦?xí)r間下，當(dāng)硬質(zhì)合金在涂層表面所占面積比較小時(shí)，摩擦因數(shù)小，但耐磨性較差，從而致使磨損量較大。這是由于石墨所占面積較大，本身具備較好的潤(rùn)滑性能，使摩擦因數(shù)小。當(dāng)硬質(zhì)合金在涂層中所占面積比較大時(shí)，涂層的摩擦因數(shù)大，但涂層的磨損量減小，耐磨性增強(qiáng)。這是由于硬質(zhì)合金的硬度較高、占比較大，致使整個(gè)涂層表面的潤(rùn)滑效果降低。當(dāng)載荷、摩擦?xí)r間及硬質(zhì)合金所占面積比一定時(shí)，摩擦因數(shù)會(huì)隨往復(fù)摩擦頻率的增加而下降，但下降幅度較小，這是由于在低往復(fù)摩擦頻率下，摩擦表面的溫度較低，摩擦副的表面會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形阻力，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致涂層易脫落，以至涂層的磨損量增加，潤(rùn)滑性能降低。但隨著往復(fù)摩擦頻率的增加，越來(lái)越多的石墨由于滑移作用會(huì)被對(duì)磨件帶到涂層表面[15]，使摩擦因數(shù)減小，磨損量增加，同時(shí)往復(fù)摩擦頻率的增加還會(huì)使磨粒的刻劃作用增加，使涂層的磨損量再次增加。在一定的載荷和往復(fù)摩擦頻率下，隨著摩擦的進(jìn)行，摩擦因數(shù)會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)開(kāi)始摩擦?xí)r涂層表面粗糙，磨球與涂層之間的接觸面積很小[16]，接觸點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力，在摩擦過(guò)程中實(shí)際接觸面積的增加會(huì)使摩擦因數(shù)上升并趨于穩(wěn)定。

3.2 涂層的磨損形貌與磨損機(jī)理

圖7 為涂層在不同往復(fù)摩擦頻率及硬質(zhì)合金所占面積比下的磨痕表面形貌的SEM 圖。當(dāng)往復(fù)摩擦頻率為200 次/min 時(shí)，由圖7a 所示，硬質(zhì)合金所占面積比為10%，涂層表面在摩擦后會(huì)有少量的石墨分散在整個(gè)涂層表面，涂層表面因摩擦而出現(xiàn)輕微的溝槽痕跡，溝槽較細(xì)較淺，屬于磨粒磨損，其中石墨涂層摩擦區(qū)域可觀(guān)察到輕微的溝槽痕跡，這是由于石墨所特有的六方結(jié)構(gòu)使涂層在很小的剪切力下就會(huì)發(fā)生滑移，隨著摩擦的進(jìn)行，細(xì)小的石墨顆粒會(huì)被摩擦副帶到硬質(zhì)合金表面，分散在整個(gè)涂層表面上，而硬質(zhì)合金涂層區(qū)域雖被分散的石墨覆蓋住，但由于硬度高，在整個(gè)涂層中起到支撐作用，因此增加了涂層的耐磨性。由圖7d 可知，當(dāng)硬質(zhì)合金所占面積比為30%時(shí)，整個(gè)涂層的摩擦區(qū)域都出現(xiàn)了明顯的溝槽及輕微的粘著現(xiàn)象，此時(shí)的磨損方式主要是磨粒磨損，還有少量的粘著磨損，其中石墨涂層磨損區(qū)域除了觀(guān)察到有溝槽外，還出現(xiàn)了輕微的粘著現(xiàn)象，而硬質(zhì)合金涂層由于自身所具有的高硬度，磨損表面只有細(xì)微的溝槽現(xiàn)象。當(dāng)往復(fù)摩擦頻率為300 次/min 時(shí)，由圖7b可知，硬質(zhì)合金所占面積比為10%，磨損表面的溝槽痕跡不明顯，具有輕微的磨粒磨損，涂層表面與往復(fù)摩擦頻率為200 次/min 時(shí)呈現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象。由圖7e 可知，當(dāng)硬質(zhì)合金所占面積比為30%時(shí)，磨損表面顯示出明顯的溝槽以及粘著現(xiàn)象，此時(shí)磨損表面為磨粒磨損和粘著磨損共同作用，其中石墨涂層表面出現(xiàn)了溝槽痕跡及粘著現(xiàn)象，溝槽痕跡相比圖7b 的較深，而硬質(zhì)合金涂層由于高硬度不會(huì)輕易產(chǎn)生粘著現(xiàn)象，只產(chǎn)生了輕微的溝槽。當(dāng)往復(fù)摩擦頻率達(dá)到500 次/min時(shí)，由圖7c 可知，硬質(zhì)合金所占面積比為10%，涂層磨損表面出現(xiàn)疲勞裂紋現(xiàn)象，此時(shí)的磨損方式為疲勞磨損，其中石墨涂層區(qū)域產(chǎn)生了嚴(yán)重的裂紋。這是由于往復(fù)摩擦頻率的增加使得摩擦表面的溫度升高，從而在涂層表面出現(xiàn)熱疲勞，繼而產(chǎn)生裂紋，而硬質(zhì)合金涂層表面由于石墨的滑移作用及自身優(yōu)良的耐磨性，在高速摩擦下也只是產(chǎn)生了輕微的溝槽現(xiàn)象。由圖7f 可知，當(dāng)硬質(zhì)合金所占面積比為30%時(shí)，整個(gè)涂層的磨損表面呈現(xiàn)嚴(yán)重的溝槽以及輕微的粘著，磨損形式主要是磨粒磨損，并存在少量的粘著磨損，其中主要是石墨涂層磨損表面產(chǎn)生粘著現(xiàn)象、粘著面積小但深，伴有較深的溝槽，而硬質(zhì)合金涂層表面呈現(xiàn)出輕微的溝槽，溝槽細(xì)且淺。

由以上分析可知，當(dāng)硬質(zhì)合金在涂層中所占面積比不同時(shí)，磨損表面呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，當(dāng)硬質(zhì)合金占比較少時(shí)，石墨會(huì)產(chǎn)生滑移，并隨著摩擦的進(jìn)行分散在整個(gè)涂層表面；當(dāng)硬質(zhì)合金占比較多時(shí)，由于石墨占比減小，在摩擦過(guò)程中只有少量的石墨因滑移作用而分散在硬質(zhì)合金涂層上，但摩擦后對(duì)磨損表面進(jìn)行清掃，硬質(zhì)合金表面的石墨會(huì)被清掃掉，因此硬質(zhì)合金涂層上看不到石墨。當(dāng)往復(fù)摩擦頻率不同時(shí)，涂層磨損表面的磨損狀態(tài)有區(qū)別，這是由于隨著往復(fù)摩擦頻率的上升，磨粒的刻劃作用增強(qiáng)，在涂層表面上留下了不同程度的溝槽現(xiàn)象。

圖7 不同往復(fù)摩擦頻率下的磨損形貌Fig.7 Wear morphologies at different frequencies of reciprocating friction

4 結(jié)論

1）采用電火花沉積技術(shù)，以45 號(hào)鋼為基體，電極材料采用石墨棒和硬質(zhì)合金棒，在基體表面上間隔沉積了石墨與硬質(zhì)合金的條狀自潤(rùn)滑涂層，涂層表面較為均勻、致密。

2）自潤(rùn)滑涂層的摩擦因數(shù)隨往復(fù)摩擦頻率的增加而減小，隨硬質(zhì)合金在整個(gè)涂層區(qū)域所占面積比的增加而增加，隨時(shí)間的增加而緩慢增加。涂層的磨損量隨往復(fù)摩擦頻率的增加而增加，隨硬質(zhì)合金在涂層區(qū)域中所占面積比的增加而下降。

3）當(dāng)硬質(zhì)合金所占面積比較少時(shí)，自潤(rùn)滑涂層在摩擦過(guò)程中石墨會(huì)產(chǎn)生滑移而分散在整個(gè)涂層表面上；而當(dāng)硬質(zhì)合金所占面積較大時(shí)，石墨所占比例減少，產(chǎn)生的滑移效果不明顯，硬質(zhì)合金表面的石墨較少，對(duì)磨損的影響不大。隨著往復(fù)摩擦頻率的增加，磨粒的刻劃作用會(huì)使磨損表面產(chǎn)生顯著的磨粒磨損。