材料工程  2018, Vol. 46 Issue (2): 93-98   PDF    
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2014.001371
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周德琴, 陈伟, 张秋阳, 周银, 崔向红, 王树奇
ZHOU De-qin, CHEN Wei, ZHANG Qiu-yang, ZHOU Yin, CUI Xiang-hong, WANG Shu-qi
不同基体热浸镀铝镀层组织和高温磨损行为
Microstructure and High-temperature Wear Behavior of Hot-dipped Aluminized Coating on Different Substrate Materials
材料工程, 2018, 46(2): 93-98
Journal of Materials Engineering, 2018, 46(2): 93-98.
http://dx.doi.org/10.11868/j.issn.1001-4381.2014.001371

文章历史

收稿日期: 2014-11-20
修订日期: 2016-02-26
不同基体热浸镀铝镀层组织和高温磨损行为
周德琴 , 陈伟 , 张秋阳 , 周银 , 崔向红 , 王树奇     
江苏大学 材料科学与工程学院, 江苏 镇江 212013
摘要: 选取45钢和H13钢进行热浸镀铝和高温扩散处理,采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)等微观分析手段表征镀层物相、形貌和成分。采用销盘式高温磨损试验机对比研究不同基体下镀层的干滑动高温磨损行为,并探讨其磨损机制。结果表明:扩散层均以FeAl和Fe3Al韧性相为主,两相之间界面周围存在平行于表面的Kikendall孔洞;镀层与45钢基体过渡平缓,结合良好,而与H13钢界面之间存在颗粒聚集,导致镀层与H13钢基体结合较差;45钢镀层在400℃/50~200N具有较好耐磨性,随环境温度升高,出现轻微-严重的磨损转变;H13钢镀层在400℃磨损率较低,在600℃也仅略高于400℃;Fe-Al镀层的磨损机制以氧化轻微磨损为主,45钢镀层在600℃出现塑性挤出磨损。
关键词: 金属间化合物    高温磨损    热浸镀铝    磨损行为    磨损机制   
Microstructure and High-temperature Wear Behavior of Hot-dipped Aluminized Coating on Different Substrate Materials
ZHOU De-qin, CHEN Wei, ZHANG Qiu-yang, ZHOU Yin, CUI Xiang-hong , WANG Shu-qi    
School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, Jiangsu, China
Abstract: The aluminized 45 and H13 steel were prepared via hot-dipped aluminizing and subsequently high-temperature diffusion treatment. The phase, morphology and composition of aluminized coating were characterized by XRD, SEM and EDS methods. Comparative study was performed on unlubricated sliding wear behavior of plating under different substrates on a pin-on-disc wear tester, and the wear mechanism was explored. The results show that the coating is composed of ductile phases FeAl and Fe3Al. Kikendall porosity parallel to the surface exists around the interface of the two phases; because of the carbide particles agglomeration, the bond between the coating and H13 steel is apparently inferior to that in the case of 45 steel; the aluminized 45 steel possesses an excellent wear resistance under 50-200N at 400℃, whereas mild-to-severe wear transition occurs when the temperature increases to 600℃. The wear rate of the aluminized H13 steel reaches the lowest at 400℃, then slightly increases at 600℃. The wear mechanisms of Fe-Al coating are mainly predominated by oxidative mild wear, whereas the extrusion wear prevails in the process for aluminized 45 steel at 600℃.
Key words: intermetallic compound    high-temperature wear    hot-dipped aluminizing    wear behavior    wear mechanism   

Fe-Al系金属间化合物因具有较低的成本、极好的耐高温、耐氧化和耐硫化等特点,在航空航天、交通运输、化工、机械等领域受到广泛关注和应用[1-6]。同时,较高的比强度、硬度、弹性模量和加工硬化率等优异性能使Fe-Al系合金被认为是潜在的耐磨材料[7]。基于FeAl和Fe3Al相的金属间化合物合金经摩擦磨损实验研究发现,Fe-Al合金在室温下并不具有较好的耐磨性[8-12]。环境氢脆、弱的晶界强度,孔洞硬化和脆化等是其磨损性能较差的主要原因[13-14]。普遍认为,必须添加一定的合金元素(如Cr,B等)或陶瓷颗粒(如Al2O3,WC,TiC等)才能改善其磨损性能。然而,徐滨士等[15-16]和Li等[17]对Fe-Al合金的高温磨损研究发现,Fe-Al合金并不总是具有较差的耐磨性,且随着环境温度的升高,其磨损率在一定温度范围内出现下降的趋势。热浸镀铝是一种经济而有效的制备Fe-Al合金的方法。本工作采用热浸镀铝及高温扩散处理工艺,在不同基体上制备包含Fe-Al系的金属间化合物涂层,采用销盘式高温高速摩擦磨损试验机进一步验证其高温耐磨性,并研究不同基体对磨损行为的影响,分析其磨损形貌及磨损机制。

1 实验材料与方法

基体材料选用轧制态的45钢和H13钢, 其化学成分如表 1所示。用线切割将45钢和H13钢加工成ϕ70mm×12mm的圆盘。用机床将其表面打磨平整,再用400# SiC砂纸打磨光滑。放入体积分数为8%的盐酸溶液中除锈、水洗,随后用丙酮超声除油、烘干,放入干燥皿中备用。将高纯铝锭(>99.9%)放入石墨坩埚中,将坩埚置于SG2-7.5-10井式电阻炉中,加热至750℃使铝锭完全融化,静置30min后扒渣。将处理好的45钢和H13钢完全浸入熔融铝液中静置5min,以0.2~0.4m/s速率将其取出,空冷至室温。浸镀铝后的样品放入ZT-12-11型带视窗真空加热炉中进行高温扩散处理,升温速率为10℃/min,加热至1000℃保温5h,随炉冷却至室温后取出,制得Fe-Al系金属间化合物涂层。

表 1 基体材料的化学成分(质量分数/%) Table 1 Chemical compositions of the substrate materials(mass fraction/%)
Material C Cr Mo V Si Mn S P Fe
45 steel 0.43 0.22 0.27 0.63 ≤0.03 ≤0.03 Bal
H13 steel 0.41 5.23 1.15 0.92 1.02 0.34 ≤0.03 ≤0.03 Bal

采用MG-2000型销盘式高温高速摩擦磨损试验机进行磨损实验。将铝化的45钢和H13钢分别加工成ϕ6mm×12mm的销试样;选取W6Mo5Cr4V2高速钢为对磨材料,并加工成ϕ70mm×10mm的对磨盘。1150℃保温1h进行完全奥氏体化,油冷;500℃回火3次,每次保温2h,空冷,获得60~62HRC的硬度值。磨损实验在大气环境下进行,环境温度为400,600℃,施加载荷分别为50,100,150,200, 250,300N,滑动速率为240r/min,滑动距离为1200m。磨损前采用400#的SiC砂纸将销和盘分别打磨光滑,并用丙酮除油。采用精度为10-5g的分析电子天平E180称量磨损前后质量,取其质量差作为磨损失重。利用Wm/(ρL) (W为磨损率,Δm为磨损失重,ρ为密度,L为滑动距离)将磨损失重转化为磨损率。

用D/Max-2500/pc X-ray衍射仪(XRD)分析扩散后Fe-Al镀层物相;用JSM-7001F扫描电镜(SEM)观察镀层形貌、显微结构及磨损表面形貌;用Inca Energy 350能谱仪(EDS)分析区域成分;用HR-150A洛氏硬度计和HVS-1000型显微硬度计分别测量实验材料及镀层显微硬度。

2 结果与分析 2.1 热浸镀铝镀层物相及形貌

钢浸入熔融铝液时,铝原子与铁原子在Fe-Al界面处发生相互扩散反应,首先生成自由能最低且为单斜晶系结构的FeAl3相(a=1.5489nm, b=0.8083nm, c=1.2476nm),随着反应的进行,界面处出现较大的Fe,Al浓度起伏,FeAl3相迅速转化为正交晶系结构的Fe2Al5相(a=0.7675nm, b=0.6403nm, c=0.4203nm)[18]。由于Fe2Al5晶格在C轴[002]方向存在大量的空隙缺陷,Fe,Al原子优先沿着C轴方向扩散,Fe2Al5相也沿着C轴方向快速长大,长大速率明显大于最初的FeAl3相,因此整个镀层的生长方向就是Fe2Al5的长大方向,在微观形貌上表现为向钢基体内部生长的舌状或者锯齿状[18]。之前的研究表明,将浸镀后的样品经真空高温扩散处理后,Fe2Al5逐步转变为脆性的FeAl2,韧性的FeAl和Fe3Al相[19]

45钢和H13钢镀层的XRD谱图如图 1所示。可知两者镀层物相组成相似,都是由FeAl,Fe3Al两相或者其中一相组成。由于FeAl和Fe3Al衍射角度极其相似,很难准确确定其物相组成。因此,需进一步表征45钢和H13钢镀层剖面形貌和成分。

图 1 热浸镀铝钢表面的XRD谱图 (a)45钢; (b)H13钢 Fig. 1 XRD patterns on the coating of hot-dipped aluminized steels (a)45 steel; (b)H13 steel

图 2为45钢和H13钢的Fe-Al镀层剖面形貌。可知两者镀层形貌基本相似,均由外层和内层两部分构成,两层各自连续致密,但层界面处存在平行于表面的横向孔洞。经EDS成分分析可知,外层Fe/Al原子比近似等于1(Fe:Al=50.62:49.38),而内层则约为3:1(Fe:Al=75.04:24.96)。由此可以推断,外层为FeAl相,内层为Fe3Al相。镀层总厚度均为300~350μm,但45钢镀层略厚于H13钢镀层。45钢镀层表面残留少量的纯Al和Al2O3,这是由于扩散过程中少量空气氧化所致。而在Fe-Al镀层/H13钢基体界面处以及内层镀层之间存在一定的碳化物偏聚区,如图 2(b)所示。如前所述,Fe-Al镀层均是由舌状Fe2Al5向基体内部长大并逐步转化而来,但在最初阶段依然保持舌状。而H13钢原材料中本身存在弥散分布的碳化物颗粒,这些碳化物颗粒不与Fe和Al反应,在相互扩散及镀层长大过程中,碳化物颗粒少量分布于镀层内,大部分偏聚于镀层/基体界面及舌状界面处,影响Fe,Al原子的相互扩散,阻碍镀层长大,因此H13钢镀层总厚度略小于45钢的镀层。45钢和H13钢镀层及基体的硬度如表 2所示。可知,镀层硬度由外而内逐渐降低,45钢镀层最外层FeAl和内层Fe3Al硬度值分别为480~500HV和320~350HV,与Kobayashi等[20]的研究结果相似;而H13钢镀层由外而内分别为580~620HV和500~550HV,高于45钢镀层硬度。

图 2 45钢(a)和H13钢(b)热浸镀铝镀层剖面形貌 Fig. 2 Cross-section morphologies of hot-dipped aluminized coating on 45 steel(a) and H13 steel(b)
表 2 45钢和H13钢基体及镀层的显微硬度 Table 2 Microhardness of the coating and substrate for 45 steel and H13 steel
Material Outer layer Inner layer Substrate
45 steel 480-500 320-350 200-220
H13 steel 580-620 400-450 500-550
2.2 热浸镀铝镀层高温磨损行为及磨损机制

45钢和H13钢镀层在不同温度下的磨损率如图 3所示。400℃/50~200N时,无论45钢还是H13钢镀层都表现出极低的磨损率和良好的耐磨性,磨损率曲线随载荷的增加只是出现轻微波动,而不是线性增加。当载荷超过200N时,45钢镀层磨损率急剧增加,载荷超过250N时,H13钢镀层磨损率也出现一个较大的跳跃。600℃时,45钢镀层磨损率在50~100N小载荷范围内就已经开始出现较大的增加趋势,其耐磨性瞬间变差,随后随着载荷的增加而线性增加。而600℃时H13钢镀层磨损率只是略高于400℃的,在全部测量载荷范围内轻微波动,即使在300N时依然保持着极低的磨损率。

图 3 45钢和H13钢镀层在不同温度下的磨损率 Fig. 3 Wear rate of 45 steel and H13 steel coating at various temperatures

45钢和H13钢镀层磨面形貌如图 45所示。400℃/50~200N时,45钢和H13钢镀层磨损形貌相似(图 4(a)5(a)),磨面还存在大量的光滑区域(即摩擦氧化层)。EDS分析表明,该区域包含Fe,Al,O,Cr,W和Mo等元素,其中O是来源于周围环境中,而Cr,W,Mo则是来自对磨材料。Fe-Al镀层依然存在于磨面,但局部区域发生剥落、碎化。随着载荷的增加,45钢和H13钢镀层完全剥落,磨面均呈现大量较深的犁沟及附着的磨屑颗粒(图 4(b)5(b))。600℃/50N时,尽管磨面存在大量的O,但45钢镀层亦开始剥落(图 4(c));随着载荷的增加,磨面镀层完全消失,出现较深的犁沟(图 4(d))。而H13钢镀层磨面形貌与400℃/50~250N相似,以光滑氧化层和一定尺寸的剥落坑为主。随着载荷的增加,氧化层数量和面积明显增加,剥落坑尺寸逐渐增大,在剥落坑内出现鱼鳞状的黏着痕迹(图 5(c)(d))。

图 4 45钢镀层磨面形貌 (a)400℃/150N;(b)400℃/250N;(c)600℃/50N;(d)600℃/100N Fig. 4 Morphologies of worn surface of the coatings on aluminized 45 steel (a)400℃/150N;(b)400℃/250N;(c)600℃/50N;(d)600℃/100N
图 5 H13钢镀层磨面形貌 (a)400℃/150N;(b)400℃/300N;(c)600℃/50N;(d)600℃/300N Fig. 5 Morphologies of worn surface of the coatings on aluminized H13 steel (a)400℃/150N;(b)400℃/300N;(c)600℃/50N;(d)600℃/300N

Rigney[21]认为,材料的磨损过程包含表面、亚表面的塑性变形,磨屑的形成与转移,与周围环境中的元素发生反应,然后在载荷的作用下形成机械混合层保护基体。Stott[22]也认为,一般情况下磨损过程中产生的磨屑以3种形式存在:(1)完全脱离表面;(2)“第三体”颗粒犁削表面;(3)以颗粒层的形式存在于摩擦层中。显然,高温下一定载荷范围内,H13钢Fe-Al镀层磨面都存在大量的摩擦氧化层。这些光滑氧化层阻碍对磨材料的直接接触,显著降低磨损。摩擦氧化层形成后,磨损率的变化与载荷并不成正比关系,而是与磨面氧化层的疲劳程度有关[22]。摩擦氧化物的数量和面积随着温度的增加而增加,似乎可以认为环境温度越高,氧化物越多,磨损率越低。但实验结果却表明,600℃时的磨损率略高于400℃的。因此,除了磨面氧化层以外,还要考虑到Fe-Al镀层和基体对磨损行为和耐磨性的影响。

文献[23-24]报道,Fe-Al系合金与Ni-Al,Ti-Al等其他金属间化合物一样,随着环境温度的增加,屈服强度逐渐增大,在400~600℃范围内达到最大值,随后逐渐下降。在滑动磨损过程中,环境温度和摩擦闪点温度共同提高磨面温度,也就是说,在400℃时,磨面温度可能在400~600℃之间,而在600℃时,磨面温度大于600℃。因此可以认为,从400~600℃的磨损行为变化与磨面温度升高导致的Fe-Al合金屈服强度的变化密切相关。同时,Morris[25]提出,随着环境温度的增加,Fe-Al合金的滑移系增加,在{110}和{112}滑移面上存在大量的交滑移。Stoloff[2]报道了Fe-Al系合金断裂伸长率由室温的8%增大到800℃的140%。高温下,滑移系的增多明显提高了Fe-Al合金的韧性,且随环境温度的增加而呈线性提高。可以认为,Fe-Al合金的韧性在600℃下大于400℃的。因此,H13钢Fe-Al镀层在600℃/300N下仍然具有较低的磨损率,且在磨面内存在大量的鱼鳞状黏着痕迹(图 5(d))。

对于45钢和H13钢基体而言,H13钢的硬度为500~550HV,明显大于45钢的200~220HV(见表 2)。H13钢强度也远高于45钢,H13钢在高温下也具有一定的热稳定性。同时,表面摩擦氧化层和Fe-Al镀层具有较差的热导率,抑制基体材料进一步升温软化。因此在600℃时,H13钢镀层依然能够保持较低的磨损率,而45钢镀层完全剥落,几乎不能起到任何保护作用,基体软化严重,出现严重塑性挤出。

综上所述,H13钢镀层在高温下具有极好的耐磨性,而45钢镀层的耐磨性则取决于基体材料的性能。45钢镀层在400℃/50~200N,H13钢镀层在400℃/50~250N和600℃/50~300N的磨损机制以氧化轻微磨损为主,并伴随着少量犁沟和剥落;而45钢镀层在400℃/250N和600℃/50~200N的磨损机制为基体的塑性挤出,H13钢镀层在400℃/300N为镀层的完全剥落。

3 结论

(1) 45钢和H13钢镀层均以FeAl和Fe3Al韧性相为主,两相之间存在平行于表面的Kikendall孔洞。镀层与45钢基体过渡平缓,结合良好,而与H13钢界面之间存在碳化物颗粒聚集区。

(2) 45钢和H13钢镀层在400℃一定载荷范围内,磨损率极低,表现出极好的耐磨性,而在600℃时,45钢镀层出现轻微-严重磨损转变,磨损率随载荷增加而急剧增大;而600℃的H13钢镀层磨损率略高于400℃的,即使在300N下依然具有较低的磨损率。

(3) 45钢镀层在400℃/50~200N,H13钢镀层在400℃/50~250N和600℃/50~300N的磨损机制为氧化轻微磨损,并伴随着少量犁沟和剥落;而45钢镀层在400℃/250N和600℃/50~200N的磨损机制为基体的塑性挤出,H13钢镀层在400℃/300N为镀层的完全剥落。

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