商俊超，梁秀兵，郭永明，陈永雄，徐滨士

(1.装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京100072;2.装甲兵工程学院机械产品再制造国家工程研究中心，北京100072)

重载车辆发动机在超负荷运转、机油不足、机油黏度减小［1-2］等情况下，最小油膜厚度可能减少到使轴颈与轴瓦直接接触而产生粘着磨损，特别严重时会出现轴瓦烧熔等问题而损坏发动机［3］。确保车辆有足够的润滑是防止损坏发动机的重要一环;如何开展对重载车辆发动机轴类件进行高科技修复，增强其表面的耐磨性能，是提高发动机使用性能、延长使用寿命亟需解决的关键技术问题。

文献［4-5］对利用高速电弧喷涂修复发动机曲轴进行了系统论述。高速电弧喷涂技术在修复发动机曲轴方面具有广阔的应用前景和巨大的潜力。笔者利用高速电弧喷涂技术在18Cr2Ni4WA轴类件基体上制备一种高非晶含量的Ni基非晶纳米晶复合涂层，该涂层具有抗高温腐蚀、高强度、耐磨性好等特点，因而可解决在极端情况下发动机烧蚀磨损问题，同时对发动机轴类件的再制造工艺进行了探讨，为再制造重载车辆发动机轴类件的实际应用打下了基础。

1 试样制备及试验方法

喷涂材料为自制的Φ2 mm粉芯丝材，基体材料为18Cr2Ni4WA。喷涂的主要工艺参数为:喷涂电压34 V;喷涂电流180 A;喷涂距离180 mm;空气压强0.7 MPa。

在UMT-3型微动摩擦磨损试验机上进行涂层的摩擦磨损试验。载荷为5 N;频率为30 Hz;时间30 min。磨损试验采用球-面接触方式，上试样为Φ4.0 mm的烧结GCr15球，下试样为Φ25.4 mm×7.9 mm的涂层圆片。采用Nova Nano SEM 650型场发射扫描电镜观测涂层表面微观结构;采用D8型X射线衍射仪分析涂层的相结构，加速电压为40 kV，电流为100 mA，衍射范围为20°～100°，衍射速度为2°/min，步长为0.02°。采用德国NETZSCH公司的DSC 404F3型实验仪器测得涂层的差热分析(DSC)曲线。测试的温度范围为室温至900℃，升温速率为10 K/min，测试过程均有流动的氩气保护。

2 试验结果与分析

2.1 涂层的断面形貌及成分

图1为涂层截面组织形貌，可以看出:涂层组织均匀，几乎看不到高速电弧喷涂涂层的典型特征，层状结构不明显;涂层组织结构致密，存在少量空隙，界面处没有明显的裂纹。

2.2 涂层的组织结构

图2为涂层的XRD图谱，可以看出:在40°～45°之间有较宽化的漫散射峰存在，说明涂层中有非晶相的存在;在漫散射峰上叠加了相对尖锐的晶体衍射峰，说明涂层中含有晶态物质。对XRD图谱进行函数拟合［6］，涂层中非晶相的质量分数约为45%。

图3为涂层的微观组织，可以看出:涂层的微观特征结构为非晶与多晶并存(图中灰白色为非晶母相，灰黑色斑点为纳米晶相);纳米晶尺寸相对均匀，弥散分布在非晶相中，其尺寸大小约为10 nm。从涂层的电子衍射花样可以看出:其由中心较宽的晕及漫散的环组成［7］，说明涂层中含有非晶与晶体相，与XRD试验的结论相吻合。

图3 涂层的微观组织

2.3 涂层的差热分析

如图4所示，在DSC曲线上能观察到一个明显的对应非晶转变的放热峰，利用切线法从DSC曲线上可确定涂层非晶转变的温度Tg在峰值430℃附近，该放热峰始于401.1℃，止于460.5℃，开始有γ-Ni(Cr)基纳米晶固溶体析出。第2个放热峰始于471.5℃，止于527.5℃，有少量α-Fe(Cr)基纳米晶相析出。在700～750℃区间仍存在明显的晶化反应放热峰，这表明因为该合金体系中含有多种添加元素，其多组元的添加导致了在加热过程中晶相析出及晶型转变的多样性［8-10］;该合金在加热过程中出现了2个放热峰，即出现了二次晶化，并在晶型转变的同时，或伴有少量的新相析出。

图4 涂层在10 K/min加热速率下的DSC曲线

2.4 涂层的力学性能

图5是涂层的显微硬度沿截面分布图。可以看出:涂层具有较高的硬度［11］，平均硬度为 HV625。涂层由非晶和纳米晶相组成，非晶相中又弥散分布着γ-Ni(Cr)纳米晶粒，起到硬质相强化的作用。

图5 涂层的显微硬度沿截面分布图

表1为涂层的结合强度。结合强度的大小反映了涂层与基体的结合状态，直接影响到涂层的可靠性，结合强度越高，涂层越牢固，可靠性越好。从表1可以看出:涂层的结合强度都在47 MPa以上，结合强度良好。

表1 涂层的结合强度 MPa

2.5 涂层的摩擦磨损性能

图6、7分别为采用三维白光干涉表面形貌仪(Phase Shift MicroXAM-3D)测得的基体(18Cr2Ni4WA)和涂层的二维、三维形貌。以单位距离单位载荷下的磨损量作为磨损率，计算公式为K=ΔV/(F·L)［12］，式中:ΔV为磨损体积(μm3);F为摩擦力(N);L为滑动总距离(m)。计算出基体与涂层的磨损率如表2所示，可以看出:涂层的磨损率明显小于基体材料，涂层的相对耐磨性约是基体的8倍，耐磨效果显著。

表2 涂层与基体磨损率对比

涂层在摩擦磨损过程中，受到GCr15摩擦球的接触应力作用，整个过程由开始的点接触变为面接触，应力状态十分复杂［13-15］。另外，由于电弧喷涂层的片层状结构［16］，以及涂层存在的扁平粒子界面、界面孔隙、裂纹、氧化物等缺陷，涂层在交变的接触应力作用下，容易产生疲劳磨损。

图8为涂层高倍下的磨损形貌及EDS能谱分析，可以看出:涂层为典型的疲劳磨损。涂层中的浅灰色区域(A)主要为涂层成分;在深色区域(B)，氧和Cr元素水平较高，主要为Cr的氧化物。这是因为摩擦过程产生的摩擦热使涂层产生氧化，Cr元素与氧结合能力比Ni、Fe等元素强，故出现Cr元素富集的深色氧化区域。因氧化物薄层脆性大，在交变载荷持续作用下易发生脆性断裂而剥落，从而形成图中所示的片状剥落坑。

图8 涂层的高倍磨痕形貌

3 结论

1)利用高速电弧喷涂技术在重载车辆曲轴18Cr2Ni4WA基体上制备了NiCrBMoFe非晶纳米晶涂层。涂层由非晶相和γ-Ni(Cr)相纳米晶组成，非晶相质量分数约为45%。

2)该涂层具有良好的热稳定性，较高的硬度。在相同的摩擦磨损条件下，相对耐磨性是曲轴基体18Cr2Ni4WA的8倍，耐磨性能远优于基体材料。

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