激光熔覆NiCrMn-WC復(fù)合涂層的組織與耐磨性

王 璐，胡樹兵，單煒濤，胡 可，張 磊

(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074)

液壓油缸在工業(yè)機械中應(yīng)用廣泛，然而由于其鍛造材料一般選用塑韌性較好的中碳鋼，其表面硬度一般較低，約為28～32HRC[1](280～300 HV)，表面磨損是其的主要失效形式，在很大程度上縮短液壓油缸的工作壽命。為了提高油缸表面的耐磨損性能，傳統(tǒng)的熱處理工藝一般是在其表面進行滲碳處理，使其表面硬度增加至48～52HRC[2](480～540 HV)，然而，在高頻響的復(fù)雜環(huán)境下還是不能達到高耐磨性要求。傳統(tǒng)的鍍鉻工藝對材料表面硬度提升較小，且在循環(huán)沖擊磨損下，其表面鍍鉻層易產(chǎn)生局部剝落，亦不能成為改善液壓油缸表面耐磨性的有效方法。激光熔覆技術(shù)相對于傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，有著冷卻速度快(高達106℃/s)，熱畸變小，稀釋度低，能夠進行選區(qū)熔覆，易于實現(xiàn)自動化等優(yōu)點，是一種理想的表面改性技術(shù)，在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用[3-4]。它通過在基材表面添加熔覆材料，利用高能密度激光束快速加熱，使熔覆材料和基體表層發(fā)生熔化，并通過基體的激冷作用實現(xiàn)快速凝固，從而形成與基體呈冶金結(jié)合，且具有良好性能的表面涂層[5-10]。楊膠溪等[11]在Cr12鋼基體上利用激光熔覆技術(shù)上制備出了WC/Ni涂層，顯著地提升了基體表面的耐磨損性能；ZHOU等[12]在45鋼基體上制備出了多道搭接Fe基WC復(fù)合涂層，并測量了不同試驗參數(shù)下熔覆層的磨損性能，其磨損質(zhì)量損失較基體減少50%；YANG等[13]在鈦合金表面制備出了TiCN/Ti涂層，其熔覆層的硬度較基體的提高了約3～6倍，相應(yīng)的耐摩損性能也有很大的提高。

在本次研究中，考慮到45鋼是常用的液壓油缸鑄造材料，且在機械制造中有著廣泛的應(yīng)用，Ni基涂層有著良好的性能，而WC更兼顧了較高的硬度、良好的塑性，以及在熔融金屬中良好的潤濕性[14]。為此，本文作者選擇以調(diào)質(zhì)態(tài)45鋼作為液壓油缸材料，利用激光熔覆技術(shù)在其表面制備了NiCrMn+WC復(fù)合耐磨涂層，對熔覆層的顯微組織進行了分析，并給出不同工藝參數(shù)及WC含量對涂層性能的影響規(guī)律，為工業(yè)大規(guī)模應(yīng)用提供理論工藝基礎(chǔ)。

1 實驗

1.1 試驗材料與設(shè)備

本次試驗所選用的基體材料為調(diào)質(zhì)態(tài)(淬火溫度850℃，回火溫度600℃)45鋼，試樣尺寸為100 mm(長)×100 mm(寬)×10(厚) mm，其經(jīng)過表面打磨，清洗、去污及干燥處理后。分別配置Ni基合金粉末(成份見表1)，Ni +10%WC、Ni +30%WC、Ni+50%WC(質(zhì)量分數(shù))粉末，并用球磨機進行球磨6 h，使其充分混合均勻，采用預(yù)置涂層法將已配置好的粉末分別涂覆在不同試樣表面，厚度約1.5 mm，預(yù)制試塊在200℃保溫2 h待用。

采用YLR-4000型光纖激光器在每塊試樣表面進行掃描，掃描時偏離角為10°；光斑尺寸為4 mm；掃描功率分別選用1.5、2.5和3.5 kW，并在每種功率下分別選用240、360和480 mm/min的掃描速度。

表1 Ni基合金粉末成分Table1 Composition of Ni-base alloy powder (mass fraction, %)

1.2 試驗方法

將按照常規(guī)方法制備金相試樣，試樣由砂紙打磨并拋光，經(jīng)王水腐蝕后，用OLYMPUS-TOKYO型金相顯微鏡觀察熔覆層組織，采用Sirion200場發(fā)掃描電鏡對實驗樣品微觀組織形貌進行觀察，并采用Sirion200系統(tǒng)中的Gensis60型能譜儀對熔覆層中的化學(xué)成分進行了分析，利用X射線衍射儀對熔覆層進行物相分析。

采用DHV-1000型顯微硬度計對試樣截面進行硬度測試，加載力為1.96 N，并繪制由熔覆層表面至基體的顯微硬度分布圖。采用MM-2000型磨損試驗機對試樣表面進行磨損試驗，對磨試樣為GCr15。測量熔覆層表面的磨損性能時，保持待測試樣不動，試樣以200 r/min的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。選用真空泵油進行潤滑，每分鐘10滴，每對試樣磨損時間累計10 h，每2 h稱質(zhì)量一次。每次磨損前后，先后用汽油、丙酮超聲清洗上下試樣，并烘干，用精度為0.1 mg的分析天平稱質(zhì)量，以磨損質(zhì)量損失來評價熔覆層的耐磨性能。

2 結(jié)果與分析

2.1 激光熔覆層的顯微組織

材料表面經(jīng)激光熔覆涂層后截面由外向內(nèi)一般分為熔覆層(Clad zone，CZ)，稀釋層(Dilution zone，DZ)，熱影響區(qū)域(Heat-affected zone，HAZ)[15]。

圖1所示為各個區(qū)域的SEM像。由圖1可以看出，激光熔覆層的致密度較高，無明顯的裂紋及孔洞出現(xiàn)，從熔覆層到稀釋層，晶粒的生長形態(tài)依次為等軸晶、樹枝晶和平面晶。這可以通過熔池凝固理論模型[16]來解釋。熔融態(tài)金屬冷卻凝固體時，當(dāng)冷卻速度非常大，將會發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變。激光熔覆時，在熔覆層和基體界面處的溫度梯度最大，但此時的結(jié)晶速度最小，所以熔池金屬會以生長為平面晶的方式長大，形成一層細小的平面晶區(qū)[17]。而隨著固/液界面的推移，溫度梯度也就隨之減小，結(jié)晶速度逐漸加大，此時將形成枝狀晶，以及等軸晶。從圖2所示的金相照片也可以清楚地看出這一變化趨勢，并且可以看出，熔覆層、稀釋層和基體直接形成良好的冶金結(jié)合。

對熔覆層進行 XRD物相分析，結(jié)果表明，熔覆層中主要是由γ(Ni，F(xiàn)e)、M7C、M23C6和WC等相組成，其中，M7C和M23C6的出現(xiàn)，說明在激光照射過程中，WC由于受熱產(chǎn)生了分解，其中的C元素與Fe和Cr等元素重新結(jié)合，形成新的沉淀相(見圖3)。

圖1 Ni基合金涂層截面的顯微組織Fig.1 Cross-sectional microstructures of Ni coating: (a) CZ;(b) DZ; (c) Interface between DZ and HAZ

圖2 Ni基合金涂層截面的金相照片F(xiàn)ig.2 Cross-sectional metallograph of Ni coating

圖3 熔覆層的物相分析Fig.3 XRD phases analysis results of CZ

2.2 激光熔覆層的硬度

對試樣截面進行顯微硬度的測量，從表面至基體，每隔50 μm測量一個點，并作出硬度分布圖。圖4所示為功率2.5 kW、掃描速度240 mm/min時不同含量WC合金粉末經(jīng)激光熔覆到基體表面后熔覆層的硬度分布規(guī)律。由圖4可以看出，激光熔覆NiCrMn+WC合金粉末后熔覆層的硬度較基體(240HV)提升 2～5倍左右，且WC的含量比例越高，硬度的提升越明顯。造成這種現(xiàn)象主要是因為未熔WC顆粒以及熔覆時產(chǎn)生的M7C3和M23C6為硬質(zhì)相，可以起到彌散強化的效果；而熔解的WC所形成的元素，可以固溶到γ-Ni中，產(chǎn)生固溶強化效果，WC含量的增加使得彌散強化和固溶強化的效果越明顯，故其硬度也就越高。然而，盡管WC含量比例的增加能夠顯著提高熔覆層的硬度，但經(jīng)多次試驗表明，當(dāng)合金粉末中WC含量達到50%時，由于硬質(zhì)相的過度聚集，內(nèi)應(yīng)力增加，會導(dǎo)致熔覆層內(nèi)開裂，不利于材料表面的強化。圖5所示為典型的熔覆層開裂形貌。

圖4 WC含量對涂層硬度的影響Fig.4 Effect of WC content on microhardness of coating

圖5 層內(nèi)開裂形貌Fig.5 Morphology of intraformational cracking

圖6所示為掃描速率與掃描功率對硬度分布規(guī)律的影響。從圖6中可以看出，經(jīng)過激光熔覆NiCrMn+WC硬質(zhì)合金層后，材料表面的硬度得到顯著的提升，且隨著掃描速率的增加以及掃描功率的降低，硬度的提升也就越顯著。造成這種規(guī)律的原因可以通過能量密度的變化來解釋。定義單位時間內(nèi)照射在試樣表面單位面積上的能量為能量密度。能量密度增高，基體與熔覆層的受熱量增加，使得熔覆層稀釋率升高，較高的稀釋率不利于熔覆層獲得良好且均勻的性能，與此同時，充分的受熱時間能夠使熔覆層凝固速度減小，相對保溫時間增大，導(dǎo)致形成的晶粒粗大。根據(jù)細晶強化原理，在成份相同的情況下，晶粒較為細小的組織其硬度較大。圖7所示為相同功率(2.5 kW)不同掃描速率下Ni基熔覆層金相照片。由圖7可以看出，較大的掃描速度(見圖7(b))下可以得到較小的晶粒，有利于硬度的提高。過高的功率密度會使熔覆層燒損，達不到基體表面強化的目的，另外，較小掃描速度可以減少WC的沉積，使WC均勻的分布在熔覆層內(nèi)；而過小的功率密度不能夠使熔覆層與基體表面同時熔化，不能夠形成良好的冶金結(jié)合，亦不能使基體表面得到強化。

圖6 不同掃描速率和功率下顯微硬度分布Fig.6 Microhardness distribution at different scanning speeds and powers

圖7 功率2.5 kW時不同掃描速率下熔覆層的顯微組織Fig.7 Microstructures of coating at 2.5 kW and different scanning speeds: (a) 240 mm/min; (b) 360 mm/min

2.3 激光熔覆層的耐磨性

圖8對比研究了基體、Ni基涂層以及NiCrMn+WC合金涂層的磨損質(zhì)量損失。從圖8中可以看出，經(jīng)過激光熔覆Ni+WC合金涂層后，45鋼基體表面的耐磨損性能得到了顯著的提升。對于基體及純Ni基涂層而言，磨損開始理想狀況為線接觸，但是經(jīng)過一段時間的磨損之后，材料表面會由于磨損出現(xiàn)契合摩擦副的一個凹面，增大了摩擦面積，因此，在質(zhì)量損失曲線上呈現(xiàn)磨損加劇的情況。由于Ni基涂層的硬度遠大于45鋼基體的，故其耐磨損性能明顯優(yōu)于基體的。熔覆涂層在添加了WC之后，熔覆層在磨損過程的初始階段，Ni基合金元素化物由于其硬度相對較低，在磨料的作用下先行被磨損。隨著磨損的進行，Ni基合金元素化物的不斷磨去，WC顆粒開始凸露出來，此時WC顆粒作為主要的承載相。因與其對磨的GCr15鋼中強化相碳化鉻的硬度比WC的低，高硬度的WC顆粒阻止GCr15鋼切入涂層。并且，熔覆層中的金屬都具有一定的塑性變形能力，當(dāng)軸承鋼對涂層施加外力時，內(nèi)嵌WC顆粒的金屬Ni會發(fā)生一定的塑性變形，吸收了部分能量，延緩了WC顆粒的拔出、脫落，提高了涂層的耐磨性能。由于WC顆粒具有較高的硬度，可起到阻礙磨粒磨損的作用，因此，可以看到磨損進行的中期會有變緩的趨勢，但是當(dāng)WC顆粒周圍的基質(zhì)不斷發(fā)生擠壓磨去后，其中的WC顆粒將破碎以至于發(fā)生脫落(見圖9)。

圖8 樣品的磨損質(zhì)量損失Fig.8 Wear mass loss of samples

圖9 破碎WC顆粒的形貌Fig.9 Morphology of cracked WC particle

圖10 樣品的磨損形貌Fig.10 Morphologies of worn surfaces of samples:(a) Substrate; (b) Ni-based coating; (c) NiCrMn+WC30%coating

圖10所示為樣品的磨損形貌。從圖10所顯示的3種材料不同的磨損形貌可看出，較輕的磨粒磨損和少量粘著磨損，而NiCrMn+WC合金涂層中，因為有硬質(zhì)相的加入，其磨損方式轉(zhuǎn)變成了輕微的磨粒磨損。

3 結(jié)論

1) 通過激光熔覆的方法在45鋼表面制備的NiCrMn+WC硬質(zhì)合金涂層，在合適的工藝參數(shù)下，熔覆層的致密度較高，無明顯的裂紋及孔洞出現(xiàn)，且與基體呈良好的冶金結(jié)合，當(dāng)WC含量超過50%(質(zhì)量分數(shù))時，熔覆層內(nèi)易產(chǎn)生層內(nèi)開裂。

2) 45鋼表面熔覆的NiCrMn+WC涂層，其硬度比基體提高了3～5倍，且工藝參數(shù)與WC含量對硬度的影響規(guī)律為：在一定范圍內(nèi)，增加掃描速度為200～600 mm/min)，降低功率(4～1.5 kW)以及增加 WC的含量(質(zhì)量分數(shù)50%以下)比例都可以提高熔覆層的硬度。

3) 在45鋼表面熔覆NiCrMn+WC硬質(zhì)合金涂層，可以很好地改善基體的耐磨損性能，其磨損質(zhì)量損失比基體降低了約94%，且磨損類型從粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檩p微的磨粒磨損。

4) 分析各個工藝參數(shù)下熔覆層的性能，得到最優(yōu)的工藝參數(shù)功率2.5 kW，掃描速度360 mm/min，最佳涂層配比為70%NiCrMn+30%WC(質(zhì)量分數(shù))。

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