第9期 王建升等：铸钢轧辊电火花沉积YG8涂层的组织结构和性能 。1153· 些细小的碳化物（强化相）能够以弥散形式分布于基 体相中，且这两相组织或多种组织互不相溶，在使用 2实验结果及分析 过程中可以长期保持两相或多相结构，具有长期热 2.1XRD分析 稳定性.这样能保证沉积层具有高硬度、耐摩擦、耐 使用X射线衍射仪对沉积层的相结构进行了 腐蚀性能和长期的高热稳定性. 衍射鉴定.图1是按照预先设定的工艺参数把硬质 1实验材料及方法 合金YG8电极沉积到铸钢轧辊表面时沉积层的X 射线衍射图谱. 1.1沉积材料及沉积层制备 900- 基体材料是从石家庄某轧辊厂用废的轧辊上截 .Fe,WC 口CoW,C 取下来的，其主要化学成分如表1所示.电极材料 700 AFe,W C 采用硬质合金YG8电极，它的主要成分是WC和 C0.沉积实验在中国农业科学研究院研制的新型 DZS一4000型电火花沉积设备上进行，采用手动操 作且氩气保护，沉积时沉积枪的转速为2500r· 100 min',在试样表面往复多次形成沉积层.沉积时所 100 40 60 80 00 采用的沉积工艺参数是通过沉积工艺实验优化出来 20) 的最佳组合，如表2所示. 图1电火花沉积层的XRD图谱 表1铸钢轧辊化学成分（质量分数） Fig 1 XRD patterns of ESD coatings Table I Chemical composition of the cast steel roll % 根据X射线衍射分析的结果，可以确认沉积层 Si C Mn P 主要由FesW3C、Co3W3C、W2C和Fe7W6C等相组 200 068 095 004 0.08 成.沉积层W2C主要是由WC在高温下分解而成 表2沉积工艺的操作参数 的，而FeW3C、Co3W3C和FeW6C是由陶瓷硬质合 Table 2 ESD process parameters 金WC电极棒和基体在高温下发生物理化学变化 功率/ 电压/ 频率/ 生产率/ 生成的硬质相.这些硬质相弥散分布在沉积层中 备注 W Hz (min'cm-2) (图2（©），提高了沉积层的硬度和耐磨性. 2400 120 2000 2 氩气保护 由以上结果可以认为，电火花沉积不是简单的 涂镀过程，而是各种组成电极和工件材料的诸元素 沉积前先用汽油或丙酮清洗工件表面，去除油 的原子在电火花沉积过程中发生剧烈的扩散和重新 垢和氧化皮，保护气体一氩气流量设定为7L· 合金化的过程.电火花沉积层的组织结构除了与电 min-1,电极的伸长长度为3mm. 极和工件材料有关外，随设备功率、沉积工艺的不同 12实验方法 也有差别 采用日本理学(Rigaku)公司的DPM ax22RB型 2.2显微组织分析 X射线衍射仪(XRD)分析了沉积层的相组成.采用 图2为YG8沉积层截面的SEM图，沉积层厚 英国LE01450型扫描电镜(SEM)对沉积层的组织 度大约为20m(图2(a).图2(a)表明，电火花沉 形貌进行了观察，并结合能谱、XRD分析确定沉积 积层的表面为不易腐蚀的白亮层，在白亮层内侧是 层的相分布.沉积层经抛光后，采用上海材料试验 过渡层区域，然后为心部组织.从图2(b)中可以看 机厂生产的HVS1000型显微硬度计测量沉积层截 出，VC沉积层与铸钢轧辊基体结合良好，结合 面的显微硬度，载荷为300N,加载时间为20s.采 XD物相分析，它们间的结合属于治金结合.沉积 用HT600型高温磨损试验机进行室温无润滑摩擦 层呈层状分布，孔隙率较低，但是有个别地方存在相 磨损实验，运动形式为圆圈循环运动.试样尺寸为 对较大的孔隙缺陷（图2(ad空洞(hole)处）和裂纹 30mm×30mm×10mm,对磨球试样为6mm的（图2(b)裂纹(cmck).原因主要在于电火花沉积 YG8硬质合金球，实验载荷为15N,频率为 是利用火花放电的能量使金属材料在瞬间熔化甚至 1200Hz,时间为30min:利用精确到1×104g的 气化，然后又急剧地冷却而凝固，在这种骤热骤冷的 AEL一200型号的电子分析天平进行磨损失重测量. 过程中，沉积层内部存在着热应力.对同一区域采些细小的碳化物( 强化相) 能够以弥散形式分布于基 体相中, 且这两相组织或多种组织互不相溶, 在使用 过程中可以长期保持两相或多相结构, 具有长期热 稳定性.这样能保证沉积层具有高硬度 、耐摩擦、耐 腐蚀性能和长期的高热稳定性 . 1 实验材料及方法 1.1 沉积材料及沉积层制备 基体材料是从石家庄某轧辊厂用废的轧辊上截 取下来的, 其主要化学成分如表 1 所示.电极材料 采用硬质合金 YG8 电极, 它的主要成分是 WC 和 Co .沉积实验在中国农业科学研究院研制的新型 DZS -4000 型电火花沉积设备上进行, 采用手动操 作且氩气保护, 沉积时沉积枪的转速为 2 500 r· min -1 , 在试样表面往复多次形成沉积层 .沉积时所 采用的沉积工艺参数是通过沉积工艺实验优化出来 的最佳组合, 如表 2 所示 . 表 1 铸钢轧辊化学成分( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the cast steel roll % Si C Mn S P 2.00 0.68 0.95 0.04 0.08 表 2 沉积工艺的操作参数 Tabl e 2 ESD process parameters 功率/ W 电压/ V 频率/ Hz 生产率/ ( min·cm -2 ) 备注 2 400 120 2 000 2 氩气保护 沉积前先用汽油或丙酮清洗工件表面, 去除油 垢和氧化皮, 保护气体———氩气流量设定为 7 L· min -1 , 电极的伸长长度为 3 mm . 1.2 实验方法 采用日本理学( Rig aku) 公司的 DPM ax2RB 型 X 射线衍射仪( XRD) 分析了沉积层的相组成.采用 英国 LEO1450 型扫描电镜( SEM ) 对沉积层的组织 形貌进行了观察, 并结合能谱、XRD 分析确定沉积 层的相分布 .沉积层经抛光后, 采用上海材料试验 机厂生产的 HVS1000 型显微硬度计测量沉积层截 面的显微硬度, 载荷为 300 N, 加载时间为 20 s .采 用HT-600 型高温磨损试验机进行室温无润滑摩擦 磨损实验, 运动形式为圆圈循环运动.试样尺寸为 30mm ×30 mm ×10 mm, 对磨球试样为 6 mm 的 YG8 硬质 合 金 球, 实验 载 荷 为 15 N, 频 率 为 1 200 Hz, 时间为 30 min ;利用精确到 1 ×10 -4 g 的 AEL-200 型号的电子分析天平进行磨损失重测量 . 2 实验结果及分析 2.1 XRD 分析 使用 X 射线衍射仪对沉积层的相结构进行了 衍射鉴定.图 1 是按照预先设定的工艺参数把硬质 合金 YG8 电极沉积到铸钢轧辊表面时沉积层的 X 射线衍射图谱. 图 1 电火花沉积层的 XRD 图谱 Fig.1 XRD patterns of ESD coatings 根据 X 射线衍射分析的结果, 可以确认沉积层 主要由 Fe3W3C 、Co3W3C 、W2C 和 Fe7W6C 等相组 成 .沉积层 W2C 主要是由 WC 在高温下分解而成 的, 而 Fe3W3C 、Co3W3C 和 Fe7W6C 是由陶瓷硬质合 金 WC 电极棒和基体在高温下发生物理化学变化 生成的硬质相.这些硬质相弥散分布在沉积层中 ( 图 2( c) ) , 提高了沉积层的硬度和耐磨性. 由以上结果可以认为, 电火花沉积不是简单的 涂镀过程, 而是各种组成电极和工件材料的诸元素 的原子在电火花沉积过程中发生剧烈的扩散和重新 合金化的过程.电火花沉积层的组织结构除了与电 极和工件材料有关外, 随设备功率、沉积工艺的不同 也有差别. 2.2 显微组织分析 图 2 为 YG8 沉积层截面的 SEM 图, 沉积层厚 度大约为 20 μm( 图 2( a) ) .图 2( a) 表明, 电火花沉 积层的表面为不易腐蚀的白亮层, 在白亮层内侧是 过渡层区域, 然后为心部组织.从图 2( b) 中可以看 出,WC 沉积层与铸钢轧辊基体结合良好, 结合 XRD 物相分析, 它们间的结合属于冶金结合.沉积 层呈层状分布, 孔隙率较低, 但是有个别地方存在相 对较大的孔隙缺陷( 图 2( a) 空洞( hole) 处) 和裂纹 ( 图 2( b) 裂纹( crack) ) .原因主要在于电火花沉积 是利用火花放电的能量使金属材料在瞬间熔化甚至 气化, 然后又急剧地冷却而凝固, 在这种骤热骤冷的 过程中, 沉积层内部存在着热应力.对同一区域采 第 9 期 王建升等:铸钢轧辊电火花沉积 YG8 涂层的组织结构和性能 · 1153 ·