1、 55 【表面技术【表面技术/Surface Technology】DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.03.010 Q235 钢表面电火花沉积铁基非晶改性层及其性能钢表面电火花沉积铁基非晶改性层及其性能 杨岚淞，羊思洁，罗松*，郑丽 1.四川轻化工大学材料科学与工程学院，四川 自贡 643000 2.材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川 自贡 643000 摘要：摘要：采用电火花沉积技术在 Q235 钢表面制备了 Fe 基改性层，以提高 Q235 钢的硬度、耐磨性和抗高温氧化性。通过 X 射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和高温循环氧化试验对比了
2、基体和改性层的微观结构及抗高温氧化性能。结果表明，所得改性层为非晶态结构，在 700 C 退火 6 h 能实现晶化转变；改性层厚度约为 12.5 m，表面呈现丘陵状形貌，与基体之间存在很好的冶金结合；电极成分中的 Al、Cu 和 Sn 分布于改性层整个表面，并且在凸起和凹陷处的含量更高；相对于基体，改性层具有更好的抗高温氧化性能。改性层的显微硬度为 265.90 HV，高于基体和晶化转变改性层，耐磨性也更优。关键词：关键词：电火花沉积；铁基非晶改性层；抗高温氧化性；耐磨性；显微硬度 中图分类号：中图分类号：TG178 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023
3、)03 0055 07 Electrospark deposition of amorphous Fe-based modified layer on surface of Q235 steel and its properties YANG Lansong,YANG Sijie,LUO Song*,ZHENG Li 1.School of Materials Science and Engineering,Sichuan University of Science&Engineering,Zigong 643000,China 2.Material Corrosion and Protect
4、ion Key Laboratory of Sichuan Province,Sichuan University of Science&Engineering,Zigong 643000,China Abstract:A Fe-based modified layer was formed on the surface of Q235 steel by electrospark deposition to improve its hardness,wear resistance,and high-temperature oxidation resistance.The microstruct
5、ure and high-temperature oxidation resistance of the substrate and the modified layer were compared by X-ray diffraction(XRD),scanning electron spectroscopy(SEM),energy-dispersive spectroscopy(EDS),and high-temperature cyclic oxidation testing.The results showed that the Fe-based modified layer is a
6、morphous and transfers to be crystalline after being annealed at 700 for 6 hours.The modified layer was 12.5 m thick with a hilly surface morphology and a good metallurgical bonding to the substrate.The elements i.e.Al,Cu,and Sn from the electrodes were distributed over the surface of modified layer
7、,and their contents at the convex and concave positions were higher than elsewhere.The high-temperature oxidation resistance of the modified layer was better than that of Q235 steel substrate.The modified layer had a higher microhardness(265.90 HV)than the substrate and the crystallized one(that is
8、the modified layer after being annealed at 700 C for 6 hours),and better wear resistance than the other two.Keywords:electrospark deposition;amorphous iron-based modified layer;high-temperature oxidation resistance;wear resistance;microhardness Q235 钢是目前应用最多、最广泛的普通碳素结构钢，具有工艺成熟、价格低廉、易加工等优点1-2，但因其硬度低、
9、耐磨性和抗高温氧化性差而应用受限3-4。表面改性是提高其性能的有效方法。铁基非晶合金具有较高的结晶温度、强度和硬度，以及优越的耐磨性，被认为是保护钢表面的最佳候选材料之一5-8。电火花沉积是一种经济、高效、便捷的表面强化技术，该技术以试样为阴极，沉积金属为阳极，当阴极与阳极距离足够近时，电压会击穿导电性较差的工作介质，产生具有极大热量的电火花使阴极和阳极熔化，二者的熔体在阴极表面冷却而实现冶金结合9-10。电火花沉积过程中金属熔体在工作介质中能够快速冷却并引入不同尺寸的原子，这在一定程度上满足了非晶合金的形成条件11-12。Hong 等13采用 Zr65Cu17.5Al7.5Ni10晶体材料做
10、电极，在 TC11 钛合金板上成功制备了耐磨的高硬度非晶改性层。Alexander 等14采用粉末压制烧结 收稿日期：收稿日期：20220809 修回日期：修回日期：20230118 基金项目：基金项目：国家自然科学基金（51901145）。第一作者：第一作者：杨岚淞（1999），男，在读硕士研究生，研究方向为金属表面改性。通信作者：通信作者：罗松（1986），男，博士，副教授，研究方向为表面工程。引用格式：引用格式：杨岚淞,羊思洁,罗松,等.Q235 钢表面电火花沉积铁基非晶改性层及其性能J.电镀与涂饰,2023,42(3):55-61.YANG L S,YANG S J,LUO S,et
11、al.Electrospark deposition of amorphous Fe-based modified layer on surface of Q235 steel and its properties J.Electroplating&Finishing,2023,42(3):55-61.Q235 钢表面电火花沉积铁基非晶改性层及其性能 56 Fe28.6W11.5Mo5.1Cr 23.3C16.8B15合金做电极，在 1053 钢表面制成了具有非晶结构的改性层，显著提高了基体的耐磨性和抗氧化性。Li 等15采用直径为 5 mm 的 Ti32.8Zr30.2 Ni5.3Cu9Be
12、22.7块状金属玻璃棒做旋转电极，在 304L不锈钢表面成功制备了耐蚀性优良的非晶改性层。目前电火花沉积制备非晶合金改性层的研究方法较为单一，常通过使用多元合金电极或非晶合金电极来实现非晶改性层的沉积，操作较为复杂。本研究采用多种纯金属作为电极，在 Q235 钢表面引入 Cu、Sn、Al 原子使其非晶化，再通过退火处理使其转变为晶态结构，以比较Q235 钢基体、非晶改性层和晶化转变改性层的各项性能。1 实验实验 1.1 设备与材料设备与材料 电火花沉积采用D91250型电火花强化机，电极移动控制采用PAC ADVANCE可编程自动化双轴控制器。基体为 20 mm 25 mm 1 mm 的 Q2
13、35 钢，电极为 15 mm 15 mm 1 mm 的铜片、锡片和铝片(纯度均不低于 99.99%)，工作介质为乙二醇。抛光采用 YM-1A 型金相抛光机。退火处理在 KF1400 箱式高温电阻炉中进行。采用 CP64C 电子天平称量试样。耐磨试验的对磨球是直径 7 mm 的 GCr15 轴承钢。1.2 改性层的制备改性层的制备 先依次采用 240、400、600、800 和 1 000 目的金相砂纸对基体表面进行粗磨和精磨，以除去表面氧化层，保证表面平整。接着使用氧化铝悬浮液抛光，用丙酮擦拭掉表面残留的油渍和磨屑后浸泡于无水乙醇中 30 min，最后用吹风机吹干。电火花沉积的主要操作如下：固
14、定电火花强化机上的震动把手，把手先后夹持片状 Cu、Sn、Al 金属作为电极。在双轴控制器上固定容器，基体水平放置于其中，加入乙二醇至基体淹没作为工作介质。调整电极与基体之间的距离直到几乎接触，同时开启电火花强化机和双轴控制器使基体以 0.75 cm/min 的速率往复平移，如图 1 所示。Cu、Sn、Al 电极的单位面积沉积时间分别为 4.4、6.2 和 8.9 min/cm2。图图 1 电火花沉积示意图电火花沉积示意图 Figure 1 Schematic diagram of electrospark deposition 1.3 性能分析和检测性能分析和检测 用 SmartLab 9K
15、W 型 X 射线衍射仪(XRD)分析不同试样的相组成；用 VEGA3 SBU 型扫描电镜(SEM)分析不同试样的微观形貌；用 Bruker Quantax 型能谱仪(EDS)分析改性层的表面和截面的元素分布。将试样置于南京博蕴通仪器科技有限公司的 KF1400 箱式高温电阻炉中，以 700 保温 3 h 再随炉冷却为1 个周期，共 8 个周期，每个周期结束后称量不同试样，并观察外观，以对比不同试样的抗高温氧化性能。采用莱州华力试验仪器有限公司的 HV-5 小负荷维氏硬度计检测不同试样的显微硬度，1 kg 载荷，保荷时间 10 s，每种样品随机测 5 个点；采用广东艾斯瑞仪器科技有限公司的 LX
16、-5600 摩擦试验机对不同试样进行往复摩擦试验，载荷 35 N，往复距离 1 cm，往复频率 60 次/min，时间 50 min。2 结果与讨论结果与讨论 2.1 改性层物相分析改性层物相分析 从图 2 可知，Q235 钢在 2 为 44.8、65.1和 82.5处显示出明显的 Fe 特征峰16。电火花沉积所得改性层的 XRD 谱图中并没有明显的特征峰存在，在 Fe 峰的对应位置也只呈现出强度很低的馒头峰，这符合非晶态结构的特征，但有待进一步验证。于是在不同温度下对改性层退火处理不同时间，若退火处理后出现晶化转变而显示出晶体的特征峰，则可证实改性层为非晶态结构17。结果显示，改性层在 500 下退火 3 h 后并没有出现明显的特征峰，可能是因为退火温度偏低、处理时间较短，不足以使改性层中的原子排列从无序向 Q235 钢表面电火花沉积铁基非晶改性层及其性能 57 有序转变，但这也体现出该改性层在 500 下具有良好的稳定性。提高退火温度到 700，退火处理 3 h 后XRD 谱图中出现强度较低的峰，说明改性层中的原子开始从无序转变为有序。延长退火时间到 6 h 后，对应峰强增大，说明