磁化輔助激光技術(shù)改善零部件表面耐磨性能的研究

鄧居軍， 劉政， 吳欣， 吳強(qiáng)

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州341000)

磁化輔助激光技術(shù)改善零部件表面耐磨性能的研究

鄧居軍， 劉政， 吳欣， 吳強(qiáng)

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州341000)

采用磁化輔助激光淬火和激光熔覆的工藝方法處理表面，通過掃描電子顯微鏡對比分析復(fù)合工藝與單一工藝下的磨面形貌及微觀組織，進(jìn)行表面硬度測試，摩擦磨損試驗(yàn)，探討磁化效應(yīng)的影響.結(jié)果表明，磁化輔助作用改善了淬硬層表面的裂紋敏感性及犁溝的程度，減輕了熔覆層表面的劃痕痕跡，細(xì)化了晶粒組織;磁化作用還提高了淬硬層的表面硬度，略微降低了熔覆層的表面硬度，但在磨損失重量上并未得到改善.此外，磁化效應(yīng)降低了淬硬層和熔覆層的摩擦系數(shù)，縮短了淬硬層的磨損跑合期，增加了熔覆層的磨損過程中的復(fù)雜性.

激光熔覆;激光淬火;磁化;耐磨性;表面形貌

0 引 言

隨著現(xiàn)代科學(xué)及高新技術(shù)的快速發(fā)展，對金屬零部件的要求隨著工業(yè)生產(chǎn)對設(shè)備精密性要求的增高而增高，因此，采用常規(guī)的方法制造的零部件及采用傳統(tǒng)的方法強(qiáng)化已逐漸滿足不了工業(yè)使用需求.研究表明，通過改進(jìn)碳鋼的熔煉技術(shù)和化學(xué)組成的方法來改善其各項性能已存在一定困難[1].事實(shí)上，大部分的金屬零部件提前失效并不是因其整體性能不夠，而是由于長期在較惡劣的條件下工作而導(dǎo)致其表面磨損或者腐蝕嚴(yán)重等造成整個零部件不能夠繼續(xù)被使用，于是在熔煉技術(shù)的改進(jìn)及化學(xué)成分的配比上存在困難的情況下，只有通過表面工程新技術(shù)對金屬零部件表面進(jìn)行強(qiáng)化的方法來改善其表面性能[2-5].因此，對能夠大幅度提高金屬零部件表面性能的工藝技術(shù)的研究顯得日益重要.

利用磁能強(qiáng)化與活化材料性能的方法最初起源于對刀具材料使用壽命的研究，研究結(jié)果表明磁化后的刀具耐磨性有了較大的改善，硬度也有所增加，服役壽命也得到了提高[6-7].同時磁化技術(shù)還伴隨有節(jié)能、環(huán)保、易于操作的優(yōu)點(diǎn)，使得該技術(shù)在工藝技術(shù)應(yīng)用研究中備受關(guān)注.隨著激光技術(shù)的誕生，傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化技術(shù)面臨著巨大的挑戰(zhàn).目前，國內(nèi)外將磁化技術(shù)輔助激光表面強(qiáng)化技術(shù)還處于研究階段，起初電磁場在輔助激光技術(shù)方面的應(yīng)用主要是焊接領(lǐng)域，通過外加電磁場輔助激光焊接提高了激光利用率，改善了焊縫的成形，進(jìn)而提高焊接質(zhì)量[8-11].近年來，電磁場在輔助激光熔覆等技術(shù)的研究已初顯成果.如劉洪喜等[12-13]分別研究了旋轉(zhuǎn)磁場輔助激光熔覆鎳基和鐵基涂層性能的影響.磁場輔助激光熔覆鎳基的研究結(jié)果表明，磁場提高了鎳基涂層的硬度且硬質(zhì)相顆粒和晶粒都得到了一定程度的細(xì)化，組織分布也較均勻，通過摩擦磨損及電化學(xué)實(shí)驗(yàn)分析，磁場改善了鎳基涂層的耐磨耐蝕性能;磁場輔助激光熔覆Fe60涂層的研究結(jié)果也表明，磁場作用提高了鐵基涂層的耐磨性，促進(jìn)了組織的均勻分布和細(xì)化程度.蔡川雄等[14-15]利用交變磁場輔助激光熔覆鐵基涂層進(jìn)行了研究，通過分析交變磁場對熔覆層宏觀形貌，顯微組織和耐磨性的影響表明施加交變磁場加劇了熔池的對流，促進(jìn)熔覆層樹狀枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變，降低了磨損量和摩擦系數(shù)，提高了熔覆層的耐磨性.然而劉洪喜、蔡川雄等人的磁場裝置都是針對特定的激光熔覆設(shè)備而設(shè)計，雖然改善了熔覆層組織和性能，但是熔覆層成形質(zhì)量并不好，難以投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用，且磁場的長期存在也會對激光熔覆系統(tǒng)造成潛在危害.隨著對單一激光淬火處理可有效提高材料的抗磨、抗疲勞能力，增加了材料的耐久性等方面研究的深入，近年來一些學(xué)者通過將激光淬火與沖擊復(fù)合強(qiáng)化及滲碳、滲氮相結(jié)合的方法來進(jìn)一步提高材料的抗磨、抗蝕、抗疲勞等能力，而對磁場輔助激光淬火的研究國內(nèi)外還鮮有報道.基于此，本文主要在于研究磁化與激光表面強(qiáng)化技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用后的效果，分析磁化效應(yīng)對激光表面強(qiáng)化的輔助作用.同時與表面只經(jīng)過激光熔覆或激光淬火處理的試樣對比，比較磨損失重量及磨痕形貌，重點(diǎn)探討磁化對優(yōu)化激光表面強(qiáng)化技術(shù)的磁化效應(yīng)，為磁化與激光技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù).

1 試驗(yàn)材料與方法

基體材料選用的是45號鋼，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理，熔覆材料鐵基合金粉末，主要化學(xué)成分為，1.0%C、0.3%Si、4.0%Cr、5.0%Mo、0.3%Mn、2.0%V、6.2%W，余量為Fe.

首先將直徑為50 mm的45鋼棒車削成5個厚度為10 mm的圓塊試樣，進(jìn)行調(diào)質(zhì)熱處理，待調(diào)質(zhì)后用不同目數(shù)的砂紙由粗到細(xì)手工對圓塊試樣表面打磨光滑，打磨光滑后，將其中的4個樣塊平均分為兩組，其中一組放入自制的磁化裝置中進(jìn)行技術(shù)磁化處理，磁化參數(shù)相同，將磁化后的兩樣塊其中一個進(jìn)行激光熔覆，另一個試樣在相同工藝參數(shù)下進(jìn)行激光淬火;另外一組不經(jīng)過磁化處理直接進(jìn)行激光熔覆和激光淬火.激光熔覆采用的是粉末預(yù)置單道激光熔覆的方式，預(yù)置粉末的厚度為1.5 mm，寬度不小于10 mm.然后分別將兩試樣置于最大功率為4 kW的激光設(shè)備的水平工作臺上進(jìn)行激光處理試驗(yàn)，設(shè)置的激光工藝參數(shù)為:激光功率P為3.2 kW，掃描速度Vs為300 mm/min，矩形光斑帶寬尺寸為10 mm×2 mm.激光淬火的試樣制備過程與激光熔覆的試樣制備過程相同，且在樣塊上進(jìn)行激光淬火的區(qū)域與激光熔覆區(qū)域也相同，并在相同工藝參數(shù)下激光淬火.

采用型號為TZX29-DK7740數(shù)控線切割機(jī)在5個圓塊試樣上分別線切割出10 mm×10 mm×10 mm的方塊試樣，經(jīng)過激光處理的4個樣塊在其激光作用區(qū)域線切割.然后將方塊試樣放入盛有酒精的燒杯中在超聲波清洗儀中清洗十分鐘左右，取出烘干在HR-150型洛氏硬度計上測試試樣的表面硬度.

在MM-P2屏顯式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，對磨件采用硬度為64-67 HRC的GCr15鋼環(huán).滑動摩擦磨損試驗(yàn)示意圖如圖1所示，其原理是以線切割的方塊試樣作為上試樣，并通過緊固螺釘將上試樣牢牢固定在夾具上，通過對磨件鋼環(huán)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動進(jìn)行滑動摩擦磨損.磨損試驗(yàn)參數(shù)為，磨損試驗(yàn)力F為650 N，對磨環(huán)的轉(zhuǎn)速為200 r/min，磨損時間為60 min，試驗(yàn)溫度為室溫20℃左右，利用精度為0.0001 g的FC204型電子天平對磨損試樣前后的質(zhì)量進(jìn)行測量，并計算磨損失重.然后采用型號為81W/AIS2100掃描電子顯微鏡觀察比較不同工藝處理后試樣的磨損形貌和組織.

圖1 滑動摩擦磨損試驗(yàn)示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 不同工藝處理后磨損量的變化

表1是利用電子天平對不同工藝處理后的試樣在干摩擦條件下磨損前后測得的數(shù)據(jù)結(jié)果，磨損量△W的計算公式為:

式(1)中:Wn為磨損前試樣質(zhì)量，Wn-1為磨損后試樣質(zhì)量，單位:g

由表1可看出，在相同激光工藝參數(shù)下，經(jīng)過激光處理后的磨損量有了大幅度的下降，特別是激光熔覆的效果較佳.基體在長時間650 N的載荷下，表面磨損程度較大，由此說明調(diào)質(zhì)鋼在長期高載荷下的使用壽命會急劇縮短.因此，有必要對調(diào)質(zhì)鋼再進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，提高其耐磨性，延長服役壽命.通過比較A2和A3、A4和A5的磨損量可知，在激光熔覆或者激光淬火前預(yù)先磁化基體，磨損量并未得到改善，反而小幅的增加了磨損.但這并不能就此判定在激光處理前磁化處理是不利的，因?yàn)锳2、A3、A4、A5試樣的磨損量在數(shù)值上非常接近，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于A1的磨損量.

分析激光淬火和激光熔覆的磨損量都顯著下降的主要原因是，由于激光淬火和激光熔覆的過程非?？欤跇O其短的時間內(nèi)就能使局部溫度達(dá)到淬火溫度，而后又自冷卻凝固，形成組織較致密，宏觀表現(xiàn)為硬度的提高，磨損量的下降.分析磁化輔助后的磨損量反而大于單獨(dú)激光處理后的磨損量原因很可能是磁化降低了激光處理過程中的殘余應(yīng)力，優(yōu)化了淬硬層或者熔覆層的強(qiáng)韌性，改善淬硬層和熔覆層的質(zhì)量，起活化表面性能的作用.

表1 干摩擦磨損條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

2.2 摩擦系數(shù)的變化

同種金屬材料的磨損量的大小情況，在一定程度上可根據(jù)其摩擦系數(shù)的大小變化來反映.因此，為了更明確磁化復(fù)合激光表面強(qiáng)化技術(shù)對改善材料耐磨性的利弊關(guān)系，進(jìn)一步比較不同工藝處理后的摩擦系數(shù)變化來探討磁化效應(yīng)的影響.結(jié)果如圖2所示.

由圖2可看出，基體A1的摩擦系數(shù)曲線反映出了最基本摩擦磨損過程的變化趨勢，在磨損初期，摩擦系數(shù)曲線急速上升，幾分鐘后，摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)磨損時間達(dá)到40 min左右后，摩擦系數(shù)急劇下降，繼續(xù)延長磨損時間，摩擦系數(shù)又逐漸上升趨于穩(wěn)定.原因是由于磨損開始階段，摩擦副處于磨合期，相互接觸面積小，隨著時間的延長，摩擦副之間的接觸面積不斷增大，磨削的數(shù)量也逐漸增多，當(dāng)處于穩(wěn)定磨損期時，隨著摩擦磨損的進(jìn)行，摩擦副中產(chǎn)生的磨屑也逐漸增多，一旦摩擦副中的磨屑量達(dá)到飽和后，摩擦磨損趨向于磨屑之間的相互摩擦磨損，阻止了摩擦面的直接接觸，從而降低摩擦，而且磨屑在不斷摩擦磨損過程中破碎成細(xì)小圓滑的磨粒，還起到類固體潤滑劑的作用，減輕磨損，摩擦系數(shù)也因此下降.陳金榮等[16]通過實(shí)驗(yàn)也表明，這種積累的磨屑作為磨料起減磨作用遠(yuǎn)大于加速磨損的破壞作用.此外還有溫度的影響，磨屑被帶離摩擦副時也會帶走一部分能量，因?yàn)槟Σ聊p是一個動態(tài)的過程，磨屑被帶離摩擦副導(dǎo)致表面又加劇磨損產(chǎn)生磨屑，摩擦系數(shù)又逐漸增大趨于穩(wěn)定，形成一種類似于循環(huán)的現(xiàn)象.比較A2和A3的摩擦系數(shù)曲線可知，變化趨勢基本一致，磁化復(fù)合激光淬火縮短了跑合期的時間，也就相對了延長的穩(wěn)定磨損期的時間，有利于延長材料的使用壽命，而且磁化復(fù)合激光淬火也降低了摩擦系數(shù);再比較A4和A5的摩擦系數(shù)曲線，只進(jìn)行激光熔覆的摩擦系數(shù)曲線與基體的摩擦系數(shù)曲線變化相同，磁化復(fù)合激光熔覆處理的試樣摩擦系數(shù)曲線變化較復(fù)雜，可看作類似于周期性的階梯循環(huán)變化趨勢，處于穩(wěn)定磨損的時間較短暫，摩擦系數(shù)的大小低于單獨(dú)激光熔覆的.

圖2 摩擦系數(shù)的變化曲線

結(jié)果表明:磁化輔助作用降低了激光淬火及激光熔覆形成的淬硬層和熔覆層的摩擦系數(shù).

2.3 硬度變化

一般認(rèn)為，材料的表面硬度越高，耐磨性越好.因此，可以通過表面硬度參數(shù)來間接表征材料的耐磨性.數(shù)據(jù)結(jié)果如表2所示.

表2 表面洛氏硬度變化

由表2可明顯看出，通過先進(jìn)的激光表面強(qiáng)化技術(shù)處理后，材料的表面硬度有了較大幅度的提高，是基體表面硬度的兩倍多.比較A2和A3、A4和A5的硬度可知，磁化作用提高了淬硬層的表面硬度，略微降低了熔覆層的表面硬度，磁化與激光淬火都是直接作用于基材表面，更有利于發(fā)揮磁化效應(yīng)的優(yōu)勢.因?yàn)椋艌隹捎行岣呒す饫寐?，增大熔深，加速對流，?xì)化基體表面組織.對于激光熔覆而言，基體與激光接觸之間增加了一層熔覆層，對基體的影響較小，故熔覆層形成的熔池受磁化效應(yīng)的影響也很小.

2.4 不同處理工藝后的磨面形貌分析

圖3是不同工藝處理后的試樣表面磨損形貌.由圖3可以看出，試樣表面都發(fā)生了不同程度的磨損，其磨損的大小程度可以大致的反映出各工藝處理后的表面的耐磨性.比較圖3中的(a)和(b)可看出，單獨(dú)激光淬火后處理后的表面磨損程度較嚴(yán)重，形成的犁溝寬且深，溝內(nèi)還殘留有較多的磨屑，在犁溝的邊緣附近還伴有裂紋(紅色方框區(qū)域)，磁化復(fù)合激光淬火處理后的磨損面犁溝較窄淺，且分布較密集，表面無裂紋;再比較圖3(c)和(d)的磨損表面形貌可看出，有明顯黏著痕跡，兩表面形貌很相似，區(qū)別較大的是激光熔覆的黏著區(qū)域范圍較磁化復(fù)合的更廣，且單獨(dú)激光熔覆處理后的磨損面有較多的刮擦痕跡，產(chǎn)生的微切削更明顯，犁溝也相對更明顯，而磁化復(fù)合激光熔覆處理后的磨損面幾乎看不出有刮擦的痕跡.

結(jié)果表明:磁化復(fù)合激光淬火后的磨損面的磨損程度改善較明顯，而磁化復(fù)合激光熔覆后的磨損面形貌變化不顯著，但磨面的刮擦程度有所改善，黏著范圍區(qū)域更小.

圖3 摩擦磨損試樣的表面磨損形貌

圖4 復(fù)合磁化與未復(fù)合磁化的激光處理后的顯微組織

2.5 磁化效應(yīng)對組織的影響

圖4是激光復(fù)合磁化后與未復(fù)合磁化的激光處理后的顯微組織.比較圖4(a)和(b)可看出，激光淬火后的顯微組織以板條狀的馬氏體為主，而且還伴有很輕微的裂紋跡象，磁化輔助激光淬火后的組織致密無裂紋跡象，分布均勻且馬氏體呈薄片狀;再比較圖4(c)和(d)組織形態(tài)，只單獨(dú)激光熔覆的組織柱狀枝晶很發(fā)達(dá)，有明顯的方向性且晶粒組織粗大，磁化輔助后的熔覆層組織以等軸晶為主，且晶粒也更細(xì)小，組織均勻.

由此可認(rèn)為，激光技術(shù)復(fù)合磁化有利于優(yōu)化材料的表面性能，磁化效應(yīng)對材料的組織和摩擦系數(shù)的影響較明顯，原因是磁化加速了熔池中的對流，短時間內(nèi)可阻礙晶粒的生長，細(xì)化晶粒，還會抑制柱狀晶長大，或者將已生長的柱狀晶折斷而形成細(xì)小的晶塊，促使柱狀晶向等軸晶轉(zhuǎn)變.

3 結(jié) 論

1)磁化作用提高了淬硬層的表面硬度，略微降低了熔覆層的表面硬度.在相同條件下，單一激光淬火后材料的磨損量為0.0274 g，磁化輔助激光淬火處理后材料的磨損量為0.0279 g，激光熔覆的試樣磨損量為0.0011 g，磁化輔助激光熔覆處理的試樣磨損量為0.0018 g，而未經(jīng)過激光強(qiáng)化處理的基體試樣磨損量0.0762 g.表明經(jīng)過先進(jìn)的表面強(qiáng)化工藝處理，磨損量顯著下降;同時也說明有無磁化的輔助作用，磨損量變化基本相當(dāng).

2)摩擦系數(shù)變化曲線表明，經(jīng)過不同工藝處理后的摩擦系數(shù)都有所下降.此外，磁化復(fù)合作用降低了單一激光淬火處理的摩擦系數(shù)，還縮短了磨損跑合期的時間，有利于提高材料的使用壽命;磁化復(fù)合激光熔覆處理也相應(yīng)的降低了只經(jīng)過激光熔覆的摩擦系數(shù)，但系數(shù)較只單獨(dú)激光熔覆的變化波動較大.

3)磁化輔助作用改善了激光淬火磨面的犁溝深度和寬度，還降低了開裂的敏感性，同時還改善了激光熔覆處理后的磨損表面形貌，降低了磨粒的磨損.此外，磁化效應(yīng)細(xì)化了激光淬火和激光熔覆后的晶粒組織，抑制了激光淬硬層組織中的板條狀馬氏體的形成，促使激光熔覆層的柱狀枝晶向等軸晶轉(zhuǎn)變.

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Research on magnetization assisted laser technology to improve the wear－resisting on the surface of parts

DENG Jujun，LIU Zheng，WU Xin，WU Qiang
(School of Mechanical and Electrical Engineering，Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000，China)

Magnetic-assisted laser hardening and laser cladding are used to deal with the sample surface. Investigations of magnetization effect are conducted by comparatively analyzing the grinding surface’s morphology and microstructure under the condition of the composite and single technology with the tool of scanning electron to test the surface hardness and friction wear.The result shows that the function of magnetization as auxiliary can improve the crack sensitivity of the hardened surface layer and the furrow’s degree，reduce the scratch marks of the cladding surface，and refine the grain organization.The surface hardness of the hardened layer was also increased by magnetization，with the surface hardness of the cladding layer reduced slightly，but the wear weight loss could not be improved.Besides，the coefficient friction of the hardened layer and cladding layer was reduced by it，with the period of the wear running-in shortened，and the complexity of the cladding layer during the wear progression increased.

laser cladding;laser quenching;magnetization;wear resistance;surface morphology

2095-3046(2015)01-0087-06

10.13265/j.cnki.jxlgdxxb.2015.01.015

TG174.44

A

2014-11-10

江西省教育廳重點(diǎn)科技資助項目(GJJ11021)

鄧居軍(1988- )，男，碩士研究生，主要從事機(jī)械設(shè)計及表面強(qiáng)化等方面的研究，E-mail:469768627@qq.com.

劉政(1958- )，男，博士，教授，主要從事材料組織性能強(qiáng)化等方面的研究，E-mail:liukk66@163.com.