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过共晶Fe-Cr-C耐磨堆焊涂层中M7C3的细化与摩擦磨损行为

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过共晶Fe-Cr-C涂层具有高硬度和优异的耐磨性能，被广泛应用于工业再制造领域[1]。初生M7C3碳化物作为主要的强化相存在于过共晶Fe-Cr-C涂层中，决定了涂层的耐磨性能和使用寿命[2]。然而由于初生M7C3尺寸较大，在摩擦磨损过程中大块M7C3经常破裂剥落使零部件报废，从而限制了涂层的应用[3]。因此，如何细化初生M7C3是提高过共晶Fe-Cr-C涂层使用寿命的关键。
采用药芯焊丝明弧堆焊的方式制备了过共晶Fe-Cr-C、Fe-Cr-C-0.5Ti和Fe-Cr-C-0.5Ti-0.5Y2O3三种耐磨堆焊涂层。采用金相显微镜(OM)、X射线衍射分析仪(XRD）、X射线光电子能谱仪(XPS)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对耐磨堆焊涂层的显微组织、相组成以及各相晶体结构进行分析表征。采用纳米压痕仪和洛氏硬度仪对组织中不同相的硬度和试样宏观硬度进行测量分析。采用CSM tribometer 摩擦磨损试验机对三种耐磨堆焊涂层的摩擦磨损性能进行分析表征，对磨痕进行白光共聚焦和扫描电子显微镜观察分析。采用分子动力学对摩擦磨损过程进行模拟。
金相试验结果表明Ti的加入可以使耐磨堆焊涂层中的初生M7C3碳化物明显细化，而同时加入Ti和Y2O3可以使初生M7C3进一步细化。XRD结果表明过共晶Fe-Cr-C耐磨堆焊涂层的主要相组成为初生M7C3碳化物、γ-Fe(奥氏体)和α-Fe(铁素体)；当Ti作为添加剂加入涂层时，可以发现涂层中除了上面的三种相还存在TiC；当Ti和Y2O3同时加入涂层时，可以发现涂层中相组成与只加Ti的涂层类似。但是稀土添加剂没有通过XRD表征出来，通过XPS在添加Y2O3的涂层中发现有三价Y的存在。SEM和TEM结果证明了Fe-Cr-C-0.5Ti-0.5Y2O3涂层中的TiC芯部存在Y2O3。TiC可以作为初生M7C3碳化物的异质形核基底使其细化，Y2O3可以作为TiC的异质形核基底使TiC对初生M7C3碳化物的细化作用得到增强[3]。纳米压痕测得的M7C3碳化物的硬度基本与显微维氏硬度试验结果吻合，同时对TiC和共晶组织的硬度和弹性模量等进行了分析表征，如图1所示。硬度试验结果表明涂层中各相和组织的硬度在碳化物细化后变化不大，试样的宏观硬度有小幅度提升。同时添加Y2O3和Ti的耐磨堆焊涂层的宏观硬度稍低于只添加Ti的涂层，这可能与碳化物尺寸的进一步细化有关。如图2和图3所示，摩擦磨损试验、白光共聚焦和SEM结果表明碳化物细化后磨痕内部的犁沟深度和数量有明显的减少，磨痕整体深度和宽度减小(磨损量减小)，碳化物的破裂和剥落情况也得到改善，这对提高耐磨堆焊涂层的综合性能和使用寿命有很重要的作用。分子动力学模拟结果表明摩擦磨损过程中初生M7C3碳化物微裂纹产生的原因主要是垂直于摩擦方向的晶面受到沿摩擦力方向的剪力或拉力作用而发生类似于拉伸剪切过程的形变，最终导致晶面原子之间的化学键断裂形成微裂纹。当碳化物尺寸足够大时，摩擦过程中对磨副与涂层的接触面积S完全等同于对磨副压入涂层的球冠面积，此时碳化物的开裂和涂层的失效只与对磨副压入深度H有关。在一定的压入深度H(固定的法向载荷FN)的条件下，当碳化物细化时，接触面积S减小，初生M7C3碳化物不易出现微裂纹。
在确定的摩擦磨损条件 (即法向载荷、对磨副尺寸、材料和涂层材料) 下，当接触面积S满足以下公式时，可以使初生M7C3碳化物在摩擦磨损过程中不开裂。
Ff×S ≤ Fb×A (1)
式中Ff为摩擦力，Fb为垂直与摩擦方向的晶面的抗拉强度，S为球形对磨副与涂层的接触面积，A为磨痕截面积。