2. 1 涂层的组织结构
由于热喷涂过程相当于微冶金过程, 产生的熔渣不能完全排出表面, 部分存留于涂层金属粒子边界, 或者以颗粒状存在于涂层中, 甚至还有孔洞和缝隙, 涂层组织如图 2 所示。本试验涂层分作底层和工作层, 底层是增强涂层与车轴基体的结合体, 由扁平的 r-N i 金属粒子和少量的Al-Fe-Ni 金属化合物以及Al2O3组成。 底层与基体为平滑的锯齿面结合, 在轴与涂层的结合面上有0.2～0.3 um 厚的表面扩散层, 证明涂层与轴为冶金结合, 其结合强度为 76.8MPa. 工作层是涂层中承受微动磨损的部分, 由扁平的 Α2Fe 和 Χ2Fe 金属颗粒和分布在其边界上的杂质所组成, 涂层自身的抗拉强度处于 141M Pa. 涂层总厚度在 0. 3～ 0. 4 mm 之间, 其底层厚约0. 1 mm , 工作层厚度为 0. 2～ 0. 3 mm。
2. 2 涂层的微动损伤形式
2. 2. 1 涂层磨损表面形貌及其纵剖面的二次电子像试验轴涂层磨损表面形貌 SEM 照片见图 3. 可见, 磨损表面是由磨损较为严重并附着有磨屑的滑动区、剥离较轻但裂纹 较多的滑动过渡区和紧密接触区 3 部分组成。图 3 (b) 为图 3 (a) 滑动区的局部表面形貌. 可以看到表面被平滑、致密的氧化物所覆盖, 氧化膜龟裂部分已经剥落,并有少量破碎的脆性夹杂物. 对该表面进行 XPS 分析证实, 该氧化膜由 Fe3+ 、Fe2+ 和C r3+ 的氧化物组成, 厚度约为160 nm , 表层硬度为 H V 474. 对涂层磨损纵剖面的微区硬度分析证实, 涂层表面有厚度约 0. 05～ 0. 10 mm、平均硬度 H V 412 的加工硬化层, 而涂层工作层本身的硬度仅为H V 153, 说明涂层表面的加工硬化效果显著. 这是因为涂层的 Α2Fe 和 Χ2Fe 复相组织在微动交变摩擦力作用下易发生大量的塑性变形, 导致表面产生显著的加工硬化。而涂层表面平滑、致密的氧化膜中有 C r2O 3 和 Fe3O 4, 与基体的结合强度较高, 所以可降低摩擦系数和有
效阻止表面粘着。 但氧化膜脆性较大, 易发生龟裂和剥落。 图 4 是涂层磨损纵剖面的 2 次电子像。 可见, 在次表层有一条与滑动方向几乎平行的长裂纹. 涂层的结构使得它在微动应力作用下更易于生成次表层裂纹, 该裂纹沿着结合强度较低与表面几乎平行的方向扩展, 最终导致涂层的片状剥落. 试验测得磨损表面涂层厚度约 0. 3 mm , 涂层中和轴表面未发现有纵向裂纹。
