激光熔覆原位生成硬質(zhì)相對(duì)耐磨性的影響

宗琳 菅渡平

摘要：本實(shí)驗(yàn)采用激光熔覆技術(shù)對(duì)堆焊層進(jìn)行處理，生成含有TiC-VC的復(fù)合硬質(zhì)相的堆焊層，使基體材料表面硬度提高，耐磨性增強(qiáng)。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)改變釩鐵的含量，通過(guò)硬度摩擦試驗(yàn)觀察分析隨著釩鐵含量的增加，TiC-VC復(fù)合硬質(zhì)相的數(shù)量增加且分布均勻，堆焊層的硬度逐漸增加，耐磨性增強(qiáng)。當(dāng)釩鐵含量達(dá)到32.6%時(shí)，其硬度值為54.6HRC，磨損量為0.4367g，堆焊層硬度達(dá)到最大值，耐磨性最好。

關(guān)鍵詞：激光熔覆；復(fù)合硬質(zhì)相；硬度；耐磨性

前言

激光熔覆技術(shù)具有對(duì)于金屬陶瓷涂層的制備具有很好的發(fā)展前景，已引起國(guó)內(nèi)外眾多科研學(xué)者的關(guān)注。激光熔覆技術(shù)存在很多優(yōu)點(diǎn)，如凝固快速、低稀釋率、涂層于基體呈冶金結(jié)合等。在涂層制備方面顯示出良好的應(yīng)用前景[1]。陶瓷顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料既具有陶瓷相的高強(qiáng)度、高硬度和普通金屬基良好的韌性，在耐磨涂層中性能優(yōu)良[2]。截止目前，增強(qiáng)相的加入方法無(wú)外有兩種，原位自生法和外加顆粒法。外加顆粒法雖然工藝簡(jiǎn)便，易于生成陶瓷相，但易燒損，也容易帶進(jìn)其他雜質(zhì)使母材與熔覆層結(jié)合減弱，同時(shí)生成的顆粒尺寸和分布狀態(tài)也難以控制[3]。原位自生法是新興的制備金屬基復(fù)合材料的方法，原位合成技術(shù)不僅在技術(shù)方面有很大優(yōu)勢(shì)，如金屬陶瓷涂層由于通過(guò)原位反應(yīng)生成陶瓷相，顆粒彌散分布增強(qiáng)，無(wú)界面污染且同母材結(jié)合良好，因此涂層具有良好的硬度即具有了優(yōu)良的耐磨性，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)上也具有顯著優(yōu)勢(shì)[4]。

多年以來(lái)，制備TiC都是由石墨與鈦粉直接反應(yīng)生成，考慮到Ti粉經(jīng)濟(jì)成本較高并且其化學(xué)性質(zhì)活潑，易于被空氣氧化在熔覆過(guò)程中。同理，V也是強(qiáng)碳化合物元素，且與C的反應(yīng)產(chǎn)物VC性質(zhì)相近。對(duì)鋼基體具有更小的接觸角。在實(shí)際應(yīng)用中，加入鈦鐵和釩鐵，反應(yīng)產(chǎn)物和基體相似，能促進(jìn)熔覆層熔覆在基體表面。

1.試驗(yàn)的材料及方法

本試驗(yàn)采用20G作為母材，在其表面制備堆焊層，其尺寸為120mm×100mm×12mm，合金粉末是由鈦鐵30、釩鐵50，石墨（純度99.5%）及鐵粉按照一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)混合而成，表1為各成分量。熔覆前采用水玻璃作粘結(jié)劑預(yù)置在試板表面，厚度為3mm，試板晾干后經(jīng)10min/50℃、10min/100℃、1h/200℃烘干。激光器為5KW橫流CO2激光器，熔覆用功率為1800KW，掃描速度100mm/min.焦距為330mm，為防止涂層熔覆過(guò)程氧化，采用氬氣作保護(hù)氣，氬氣流量為25L/min.

2.試驗(yàn)結(jié)果與分析

由表可以看出，隨著釩含量的增加，試件的硬度也在增大，而硬度越大則耐磨性能越好。其原因是在激光熔覆的條件下其熔覆層中的釩鐵和鈦鐵，激光產(chǎn)生高溫將其融化，從而產(chǎn)生液相的釩鐵、鈦鐵，繼而Ti和V以離子的方式游離于液相鐵中，Ti和V都屬于強(qiáng)碳化物形成元素，而石墨提供C原子，在熔池中隨即生成（Ti，V）C，由于鈦、釩在于C反應(yīng)時(shí)其摩爾質(zhì)量比相同，所以在熔池凝固過(guò)程中很容易依附成長(zhǎng)，從而形成TiC和VC的互溶體碳化物結(jié)構(gòu)，因此我們分析堆焊層中的硬質(zhì)相是（Ti，V）C復(fù)合顆粒。在堆焊層中隨著釩鐵含量的增加，硬質(zhì)相（Ti，V）C的數(shù)量也越來(lái)越多，由一號(hào)件基體組織的晶粒數(shù)量較少、分布不均勻、晶粒較細(xì)小，到二號(hào)件晶粒數(shù)目增加也變的比較均勻，三號(hào)件的晶粒數(shù)目變的更多，硬度也逐漸增大，四號(hào)件的晶粒大小適中且分布均勻，因此硬度最大。四號(hào)件的釩鐵含量為32.6%，其硬度值為54.6HRC，為本次實(shí)驗(yàn)的最大硬度值。

3.結(jié)論

3.1利用激光堆焊技術(shù)，將鈦鐵、釩鐵、鐵粉和石墨按一定比例配制的試件進(jìn)行表面改性處理，制備出（Ti，V）C復(fù)合硬質(zhì)相，使鐵基合金多元強(qiáng)化。

3.2隨著釩含量的增加，堆焊層中的硬質(zhì)相（Ti，V）C也逐漸增加，硬度升高。

參考文獻(xiàn)：

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[3]杜寶帥，李清明，王新洪等.激光熔覆原位自生TiC-VC顆粒增強(qiáng)Fe基金屬陶瓷涂層[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（4）：66-68.

[4]閆洪，胡勇.原位自生復(fù)合材料制備與流變成形[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.