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0 前言
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W18Cr4V 是高速工具钢的一种，由于钢中的碳与合金元素形成碳化物，所以它具有很高的硬度和耐磨性能，常用作切削刀具用钢，对一般的材料具有很好的切削性能[1，2]。但材料的发展对刀具性能的要求越来越高。为提高材料硬度与耐磨性能，已经采用了各种各样的工艺，如不同的热处理工艺、涂层制备、表面改性等[3-5]。磨损只发生在物体相互接触的表面，所以采用提高材料表面性能的方法即可满足刀具材料的使用要求，还可以降低成本[6]。
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除涂层技术外，脉冲激光、离子注入与等离子体技术等高能改性技术越来越受关注，但是这些方法通常工况要求比较高，如需要高温或者真空保护等，所以能耗与成本通常比较高。
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脉冲气体爆炸-等离子体技术（PDT）是起源于乌克兰巴顿焊接研究所一种对材料表面改性的方法，是一种在大气环境下将等离子体技术与气体爆炸技术结合在一起的新型工艺[7]。该技术可以在大气环境下进行，试样无须进行预处理，设备、工序简单，而且没有废气、废液污染，非常环保，是一种非常理想的表面改性技术[8-10]。
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国内对 PDT 的研究主要集中在江西省科学院应用物理研究所，目前已经对 T8、M2、65Mn、TC4 等金属材料进行了研究，发现 PDT 处理可以大幅度提高这些材料的硬度与耐磨性能。但是只集中在使用 W 作为电极材料，对使用不同电极材料的改性效果与机理的研究很缺乏，需要进一步的研究。本文以 Ta 作为电极材料，对 PDT 处理前后 W18Cr4V 高速钢的组织、物相与成分分布以及显微硬度与耐磨性能等变化进行研究，以进一步完善 PDT 处理方法，促进 PDT 处理得以推广应用。
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1 材料与方法
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1.1 试验材料
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本试验选用退火态的 W18Cr4V 高速钢作为试验材料，其名义成分如表1 所示。将材料切割为 12 mm×10 mm×10 mm 的方块样与外径 30 mm 内径 15 mm 的圆环样，使用 PDT 设备对试样进行处理。选用 Ta 棒作为试验的电极。试样经过 PDT 处理后，方块样用于组织观察、成分与物相测定、硬度测试，圆环样用于测试耐磨性能。
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1.2 试验方法
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使用 PDT 设备对试验材料进行处理，处理电容为 800 μF、1 040 μF，电极与喷嘴的距离 h 为 16 mm，喷嘴与试样的距离 H 为 50 mm，通过比较不同处理电容情况下试样的组织与性能的变化，研究不同电容下 PDT 技术对试样组织与性能的影响，如表2 所示为处理参数设置。PDT 设备结构简图如图1 所示。PDT 的基本原理是正极电极在高压下放电，结合混合燃料气体的爆炸作用，正极电极材料会发生离子蒸发作用，产生等离子体，与爆炸产生的能量场、高压电场的共同作用下对试样表面进行冲击，从而使材料的表面组织与性能发生改变。
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图1 PDT 设备结构简图
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Fig.1 PDT equipment structure diagram
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将试样截面打磨、抛光后，使用 4%硝酸酒精溶液进行腐蚀。对腐蚀后的试样使用场发射扫描电子显微镜（SEM）对表面与截面组织形貌进行观察，并使用设备附带的能谱仪（EDS）对其成分进行检测。使用 X 射线衍射仪（XRD）对处理后的试样表面物相进行测定。
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采用 HX-1000SPTA 型显微维氏硬度计对处理后试样的硬度进行测量，参数设置如下：载荷 0.5 N，加载时间 10 s，保载时间 10 s；采用 HT-1000 高温摩擦磨损试验机考察高速钢的耐磨损性能变化。试验参数如下：转速为 800 r / min，载荷为 6 N，时间为 300 min，摩擦半径 10 mm，选用直径 4 mm 的 Si3N4 球作为摩擦副。对进行摩擦试验后的试样采用磨痕仪测量体积磨损量，对不同处理情况试样的体积磨损量进行比较，从而对比摩擦性能的变化。
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2 结果与讨论
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2.1 表面形貌与元素分布
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经过 PDT 处理后，试样表面划痕消失，表面形貌发生明显的改变。如图2 所示为试样表面形貌，2d、2e、2f 分别为 2a、2b、2c 中矩形框放大后的形貌。处理电容为 800 μF 时，试样表面产生溅射状的熔滴，而处理电容为 1 040 μF 时，试样表面产生一块块的熔池区域，并且伴随着一些微小的裂纹。
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图2 试样表面形貌
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Fig.2 Surface morphology of the sample
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经PDT 处理后，在材料表面新增了大量 Ta 元素。对图2 中各标注位置进行 EDS 点扫描，结果如表3 所示；对处理后的试样在如图2a、2b 所示位置进行 EDS 面扫描，结果分别如图3b、3c 和图3e、3f 所示。点扫描与面扫描的结果均发现在处理后的试样表面产生了 Ta 元素，处理电容为1 040 μF 时，Ta 元素含量比较高。
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图3 试样表面 EDS 面扫描结果
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Fig.3 EDS scanning results of sample surface
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在 PDT 处理过程中试样表面受到等离子体、爆炸产生的能量场、高压电场的共同作用，能量密度能到达 10 MW / cm2，在如此高的能量下，试样表面会迅速熔化，并在设备附带的冷却系统冷却下快速凝固，由于冷速快，所以铸造应力比较大，凝固的时候会产生微裂纹[11]。电极材料在爆炸能与电能双重能量作用下发生部分熔化，并随着冲击波一部分电极材料会以微小液滴的形式溅射在试样表面，四溅开来，并迅速凝固，所以在电容为 800 μF 时，在试样表面形成溅射状的熔滴；但是当处理电容为 1 040 μF 的时候，试样表面温度依然很高，电极材料形成的微小熔滴溅射在试样表面的时候并不会迅速凝固，依然保持液态，有一定的流动能力，所以在试样表面形成一块块熔池区域。溅射现象使得试样表面出现了大量的 Ta 元素，而且当电容比较高时，电极熔化情况更严重，溅射出的 Ta 熔滴更多，所以当处理电容为 1 040 μF 时 Ta 元素比例更高。比较点扫描与面扫描数据，可以发现局部 Ta 含量比整体 Ta 含量高，说明 Ta 分布不均匀，但是整个表面覆盖着一层 Ta 元素，因此不会导致电偶腐蚀的发生。另外通过调整 PDT 处理的速度，可以改善 PDT 处理的均匀性，使各处 Ta 元素含量尽量趋于一致。
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2.2 表面相组成
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经 PDT 处理后，试样表面出现了许多新相。图4 所示为试样表面 XRD 分析结果。基体材料表面基本上由 Fe 相与 Fe3W3C 组成，经过 PDT 处理后，在试样表面形成了铁的氮化物相、钽的氮化物、钽的氧化物等新相，铁氮化合物由于具有特殊的组成和结构，有优异的铁磁性能和良好的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损性能，是一种非常重要的表面改性材料；钽的氮化物与氧化物具有极高的硬度与致密性，所以具有好的耐磨性能与耐腐蚀性能，这些相可以改善材料的耐磨性能与耐腐蚀性能[12-14]。
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图4 不同电容处理后试样表面 XRD 结果
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Fig.4 XRD results of samples treated with different capacitance
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由于 PDT 处理过程中会产生大量的热，电极材料发生熔化，并随着爆炸波到达试样表面，从而形成钽相，一部分钽在高温下被氧化，就会产生钽的氧化物相。在高压与爆炸的作用下，空气发生电离作用，形成等离子束，冲击在试样表面，与试样表面熔化了的铁与钽结合形成钽的氮化物与铁的氮化物相。因此在试样表面出现了这些新相。
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2.3 截面形貌与元素分布
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图5 所示为未处理试样组织图，未处理试样组织为退火组织，粗大的一次铁钨碳化物与细小的二次铁钨碳化物均匀分布在基体中。
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图5 未处理试样组织 SEM 图像
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Fig.5 SEM image of untreated sample
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经 PDT 处理后，试样表面形貌发生明显的改变。图6 所示为经 PDT 处理后的试样截面形貌。经过 PDT 处理后，在试样表面形成一层改性层 （ML），与基体（Substrate）组织分界明显，在不同处理参数下形成的改性层厚度也不同，在 800 μF 电容下形成的改性层厚度只有 8 μm，在 1 040 μF 电容下形成的改性层厚度达到 35 μm，厚度大幅度提升。由于处理效果不均匀，不同位置改性层厚度有所变化。改性层的组织非常致密，很少有缩松缩孔等缺陷。改性层组织由退火组织转变为超细晶的马氏体组织，铁钨碳化物熔化后在晶界处析出，并彼此连接在一起，形成网状结构。观察基体组织发现，经 PDT 处理后试样基体组织未发生改变。改性层与基体连接的界面有非常明显的熔化痕迹，改性层与基体的结合是焊接的形式，结合很紧密。
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图6 不同电容处理后试样截面形貌
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Fig.6 Cross-section morphology of samples treated with different capacitors
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经 PDT 处理后，在材料表层出现电极材料元素的渗入。沿图6b 与 6f 中箭头位置进行 EDS 线扫描，扫描结果如图7 所示。Ta 元素渗入到改性层内部，随着远离表面，含量逐渐减少。两种不同电容参数渗入的元素比例也不相同，其中 1 040 μF 电容处理后 Ta 元素最高点渗入 8 wt.%，而经 800 μF 电容处理后最高点渗入 8 wt.%。
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图7 不同电容处理后试样截面 EDS 线扫描结果
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Fig.7 EDS line scanning results of sample sections treated with different capacitors
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PDT 处理过程会产生大量的热，能量密度能达到 10 MW / cm2，在如此高的能量下，试样表面温度超过 Ms 点，并在设备附带冷却系统冷却与试样自身热传导作用下迅速冷却，冷速超过马氏体转变温度，从而形成马氏体组织。由于冷却速度非常快，所以改性层会发生大幅度细化[15-16]。在爆炸与放电的共同作用下，电极材料发生离子蒸发现象，空气发生电离现象，形成等离子束，冲击在试样表面，一部分等离子体会渗入到试样表层，组织转变与离子渗入两个过程相结合形成了改性层。不同处理电容条件的能量会不同，电容容量越大，能量也就越高，所以改性层的厚度也会有所变化。
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2.4 硬度与耐磨性能
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2.4.1 硬度
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经过 PDT 处理后，材料的耐磨性能发生了大幅度的提升。图8 所示为经过 PDT 处理后试样表面的显微硬度变化。基体硬度 300 HV，而经过 PDT 处理后的试样表面硬度大幅提升，显微硬度最高为 823.3 HV，相比于基体提升了 1.7 倍。两种不同大小的电容处理均能提升试样的硬度，但是提升幅度不同，其中 1 040 μF 的电容处理对试样的硬度的提升更显著。两种电极处理后，硬度都会随着远离处理面而逐渐降低，直至降低至与基体一致。
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图8 试样硬度-深度变化曲线
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Fig.8 Hardness-depth curve of samples treated with different capacitance
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2.4.2 耐磨性能
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经 PDT 处理后，材料的耐磨性能发生了大幅度的提升。图9 所示为经摩擦磨损试验后，不同处理参数下试样的体积磨损量和质量磨损量。可以发现经 PDT 处理后，在相同试验参数条件下，试样的质量磨损量与体积磨损量大幅度降低。未处理试样的体积磨损量为 800 μF 电容的 3.3 倍，为 1 040 μF 电容的 3.6 倍；未处理试样的质量磨损量为 800 μF 电容的 3.7 倍，为 1 040 μF 电容的 3.4 倍。
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图9 不同试样摩擦磨损试验结果
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Fig.9 Friction and wear test results of different samples
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经 PDT 处理后，试样的摩擦因数发生变化。图10 所示为不同试样进行摩擦磨损试验时摩擦因数的变化曲线。可以发现，经 PDT 处理后，试样的摩擦因数减小，未处理试样的摩擦因数约为 0.8，而经 PDT 处理后的试样摩擦因数约为 0.65，发生了明显的降低。材料的摩擦因数只与材料本身有关，所以考虑是元素渗入与改性层的相结构发生改变，即经过 PDT 处理后，试样表层可能发生了相变。
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图10 不同试样摩擦因数变化曲线
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Fig.10 Friction factor curves of different samples
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2.4.3 硬度与耐磨性能提升的原因
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经 PDT 处理后，材料的硬度与耐磨性能发生了大幅度提升，分析其原因，主要有如下因素。
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由于材料表面出现了铁的氮化物相、钽的氮化物、钽的氧化物等硬质相，这些硬质相的存在会显著提高材料表面的硬度与耐磨性能[17-18]；经 PDT 处理后，形成一层含有超细晶马氏体、残余奥氏体、合金碳化物组织的改性层，马氏体组织硬度高，耐磨性能好，根据霍尔佩奇公式，晶粒尺寸越小，材料的硬度越高，所以试样的硬度与耐磨性能大幅度提升[19]；经 PDT 处理后，Ta 元素渗入材料表层，与表层材料相结合发生合金化，从而提高材料的硬度与耐磨性能[20]；经过 PDT 处理后试样的摩擦因数低，耐磨性能提升。以上几个因素结合，共同作用，提高了材料的硬度与耐磨性能。因为经 1 040 μF 电容处理后试样表面硬度比经800 μF电容处理后的试样高，Ta 元素含量也更高，所以体积磨损量比经 800 μF 电容处理后的试样低。但是 1 040 μF 电容处理后质量磨损量反而比 800 μF 电容处理的质量磨损量高，考虑是因为经 1 040 μF 电容处理后试样表面产生了更多的微裂纹，在进行摩擦磨损试验时表面会有一些材料被带走，导致质量磨损量偏高。
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3 结论
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（1）使用 Ta 作为电极材料，对 W18Cr4V 高速钢进行 PDT 处理后，其硬度与耐磨性能发生大幅度提升，硬度最高提升 1.7 倍，耐磨性能最高提升 2.6 倍。
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（2）作为一种高能表面处理工艺，PDT 处理具有高效、快速的优势，处理前试样无须进行预处理，在提升表面性能的同时不会对基体组织产生影响。
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（3）经 PDT 处理后形成的改性层厚度与元素分布具有不均匀性，且目前对厚度与成分均匀化的研究还不完善，对参数控制的研究较少。
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摘要
脉冲爆炸-等离子体技术（PDT）是一种在大气环境下进行的表面改性技术。目前对 PDT 的研究主要集中在使用 W 电极改性，对其他电极改性效果研究不足。为探究电极材料为 Ta 时，在不同电容下 PDT 技术对的 W18Cr4V 高速钢改性效果和机理，使用 Ta 电极对 W18Cr4V 高速钢分别在 800 μF 与 1040 μF 电容下进行 PDT 处理，对处理后的物相、组织与性能进行了研究。采用 X 射线衍射仪和场发射扫描电子显微镜对材料表面物相与截面组织形貌进行观察。发现经 PDT 处理后试样表面形成一层改性层，不同电容条件下，改性层厚度不同，在改性层表面形成 Fe4N、Ta5N6、Ta2O5等新相，改性层组织为超细晶马氏体、残余奥氏体与网状铁钨碳化物组织，Ta 元素渗入到改性层一定厚度中。经过 HX-1000SPTA 型显微维氏硬度计和 HT-1000 高温摩擦磨损试验机对试样硬度和耐磨性能进行测试，发现硬度最高提升 1.7 倍，耐磨性能最高提升 2.6 倍。使用 Ta 电极对 W18Cr4V 进行 PDT 处理后，W18Cr4V 性能得到大幅度提升。在不同电容下使用 Ta 电极对 W18Cr4V 高速钢进行 PDT 改性的效果与机理推进了对 PDT 的研究。
Abstract
Pulse detonation-plasma technology (PDT) is a surface modification technology for atmospheric environments introduced by the Patton Welding Institute in Ukraine to improve the hardness and wear resistance of materials. At present, research on PDT mainly focuses on the modification of materials using W electrodes. Research on the modification effects of other electrodes is insufficient. The effects of PDT treatment on W18Cr4V high-speed steel using Ta as the electrode material were investigated under the capacitance of 800 μF and 1040 μF, respectively. The phase, microstructure, and properties of the treated steel were studied. Scanning electron microscopy was used to observe the surface of the treated sample. It was found that the scratches on the treated sample surface disappeared. When the treatment capacitance was 800 μF, sputtering molten droplets were generated on the sample surface. When the treatment capacitance was 1040 μF, patches of molten pools were generated on the sample surface along with small cracks. A large amount of Ta (over 50 wt.%) was found on the surface of the treated sample. X-ray diffraction and field-emission scanning electron microscopy were used to observe the surface phase and section morphology of the material. A modified layer formed on the sample surface after PDT treatment. Under different capacitance conditions, the thickness of the modified layer varied; and new phases, such as Fe4N, Ta5N6, and Ta2O5, formed on the surface of the modified layer. The substrate structure is a ferrite and iron-tungsten carbide phase. The modified layer is a superfine martensite, residual austenite, and reticular iron-tungsten carbide structure. The Ta element penetrated a certain thickness of the modified layer. The hardness and wear resistance of the samples were tested using the HX-1000SPTA micro Vickers hardness tester and HT-1000 high-temperature friction and wear testing machine. The results showed that the hardness increased by 1.7 times to reach 823.3 HV, while the wear resistance increased by 2.6 times. Thus, the PDT treatment of W18Cr4V steel with the Ta electrode significantly improved its performance. The improved hardness and wear resistance were attributed to the following. The appearance of the iron nitride, tantalum nitride, tantalum oxide, and other hard phases on the surface of the material significantly improved its hardness and wear resistance. After the PDT treatment, a modified layer containing superfine martensite, residual austenite, and an alloy carbide structure was formed. The martensite structure had high hardness and wear resistance, indicating that that the hardness and wear resistance of the sample greatly improved. The Ta element also penetrated and combined with the surface of the material for alloying, which improved the hardness and wear resistance of the material.
关键词
脉冲爆炸-等离子体技术（PDT） ； W18Cr4V 高速钢 ； 表层组织 ； 硬度 ； 耐磨性能
