MgO對(duì)鐵基激光熔覆層耐磨性能的影響

寧 爽

(威海職業(yè)學(xué)院，山東威海264200)

激光熔覆是改善金屬表面性能的有效手段之一，近年來得到了快速發(fā)展［1-2］。鐵基金屬材料在船舶、汽車等工業(yè)生產(chǎn)有著廣泛的應(yīng)用。鐵基金屬材料采用鐵基熔覆合金不僅因涂層與基體成分相近，界面結(jié)合牢固，而且可降低成本，減少昂貴的鎳基和鈷基合金的使用，使利用激光熔覆技術(shù)獲得鐵基耐磨熔覆層成為了激光熔覆的重要研究課題［3-5］。由于MgO 光熱轉(zhuǎn)換效率高、比重輕、化學(xué)性能穩(wěn)定，在激光熔覆層中主要用作熱障涂層中的熱穩(wěn)定劑，但用于改善激光熔覆層組織和性能的研究則很少。MgO 作為常用的陶瓷化合物熔點(diǎn)高，硬度高，相對(duì)延性好，熱膨脹系數(shù)小，有金屬熔體良好的潤(rùn)濕性以及顯著的金屬特性，在改善涂層耐磨性方面顯示出巨大的優(yōu)勢(shì)［6-7］。我們預(yù)期，在鐵基激光熔覆層中引入MgO 將可能顯著改善合金表面的抗磨性能和硬度，從而擴(kuò)大其在工業(yè)中的應(yīng)用。

研究MgO 顆粒的溶解機(jī)制及其對(duì)基體組織的影響，對(duì)優(yōu)化熔覆工藝、改善涂層質(zhì)量具有重要意義。長(zhǎng)期以來，人們對(duì)于激光熔覆Ni 基/Co 基進(jìn)行了大量的研究工作［8-11］，但MgO 對(duì)鐵基激光熔覆層性能影響的研究報(bào)道不多，對(duì)其凝固過程及其組織特征的研究較少。該文介紹在鐵基合金中加入不同含量的MgO，采用激光熔覆方法獲得鐵基合金激光熔覆層，研究了MgO 對(duì)熔覆層顯微組織、硬度及耐磨性能的影響，并探討了其強(qiáng)化機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用GLS-6 型激光器與ISO -Ⅲ型送粉器進(jìn)行同步送粉式激光單道多層熔覆。其工藝參數(shù)為:功率1.2kW ～1.4kW，光斑直徑5mm，掃描速度1.5mm/s ～2mm/s;保護(hù)氣為氮?dú)?。試?yàn)基材為45 鋼，基板尺寸為120mm ×30mm ×15mm，表面磨平與清洗后，經(jīng)100℃預(yù)熱20min。實(shí)驗(yàn)所用鐵基粉末(F313)和MgO 粉末的化學(xué)成分和顆粒尺寸見表1。MgO 粉末的加入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)分別為:0、0.2、0.4、0.8、1.2。MgO 和鐵基粉末經(jīng)混料機(jī)混合均勻，再經(jīng)干燥處理待用。

表1 熔覆材料的化學(xué)成分和顆粒尺寸Table 1 Chemical composition(mass fraction，%)and particle size of the cladding

熔覆層沿橫截面切開制成金相試樣，精磨拋光，用含有少量FeCl3的鹽酸水溶液(FeCl3:5g;HCl:50mL;H2O:100mL)進(jìn)行腐蝕。在JXA -8800R 型掃描電鏡下觀察熔覆層金相形貌。熔覆層的顯微硬度用HVS-1000 型顯微硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)定，載荷為200g，加載時(shí)間15s，測(cè)量三次取平均值。使用MM200 磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熔覆層進(jìn)行磨損試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)?zāi)Σ凉r為干磨滑動(dòng)摩擦，標(biāo)準(zhǔn)磨輪尺寸為Φ40 ×10mm，材料為W18Cr4V(高速鋼)，磨輪硬度為HRC62，載荷為29.4N，磨輪轉(zhuǎn)速為200r/min。對(duì)不同熔覆層進(jìn)行對(duì)比性磨損試驗(yàn)，每隔5min 測(cè)一次磨痕寬度，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為20min。

2 結(jié)果與分析

2.1 MgO 對(duì)鐵基激光熔覆層顯微組織的影響

圖1 表示隨著MgO 含量的增加，熔覆層顯微組織形態(tài)的演變。由圖1e(箭頭方向?yàn)槟谭较?可以看出，熔覆層組織呈現(xiàn)出垂直結(jié)合界面逆著熱擴(kuò)散方向生長(zhǎng)的特點(diǎn)，具有典型的定向快速凝固特征。從圖中可以看出F313 合金激光熔覆層包含具有明顯方向性的枝晶。熔覆層底部的枝晶呈現(xiàn)出明顯的外延生長(zhǎng)特征，因受結(jié)晶參數(shù)變化及非均勻形核的影響，在熔覆層表面區(qū)還出現(xiàn)了大量的沿自由表面生長(zhǎng)的樹枝晶。

由圖1b ～圖1d 看出，未加入MgO 的熔覆層顯微組織主要為較粗大的枝狀物和晶間共晶，其間離散分布一些大塊的塊狀物。這些大量的枝狀物和塊狀物是鐵基粉末熔化后，在快速冷卻過程中析出的硼化物或碳化物［12-13］。而對(duì)于加入MgO 的熔覆層，顯微組織得到細(xì)化，且細(xì)化程度和MgO 含量有關(guān)。隨著MgO 含量的增加，熔覆層的顯微組織中，枝狀物和塊狀物基本消失，分布有較多較長(zhǎng)的絲狀物，組織明顯細(xì)化。并未有裂紋出現(xiàn)。這說明:加入適量的MgO 對(duì)鐵基激光熔覆層有較好的晶粒細(xì)化效果，能夠大大減少熔覆層的裂紋，降低熔覆層的裂紋敏感性。在激光熔覆過程中，合金粉末中少量的MgO 基本上熔解，分解出的Mg2+聚集在晶界上，對(duì)晶界起到釘扎作用，阻止了晶粒的生長(zhǎng)并抑制晶界的遷移;同時(shí)，Mg2+及Mg2+同其它元素生成的化合物會(huì)增加局部過冷，從而使晶臂產(chǎn)生頸縮、斷裂;而且，Mg2+與B、Cr 等元素形成的化合物成為新的晶核，增大了形核率［14］。上述因素的共同作用，使得熔覆層組織中的胞狀樹枝晶、粗大的枝狀物、放射狀物和塊狀物基本消失，呈現(xiàn)為非常細(xì)小的硬質(zhì)相均勻地分布在合金層中，γ 和γ′韌性相增加，金相組織明顯細(xì)化，所以熔覆層韌性變好，裂紋大大減少。

另外，在熔覆過程中發(fā)現(xiàn)，加入MgO 后，熔覆層表面光亮整潔，渣滓較少，這說明MgO 對(duì)熔覆層的表面質(zhì)量有一定的影響。

圖1 激光熔覆層的微觀形貌Fig.1 SEM micrographs of cladding coatings with different contents of MgO［(e)is the low-magnified images of (a)］

2.2 熔覆層硬度分析

圖2 為從熔覆層表面到基體頂部的硬度曲線。由圖中可以看出，無論是添加MgO，還是未添加MgO，其硬度最大值并不出現(xiàn)在表面，而是在距表面1mm ～2mm 處。這主要是因?yàn)槿鄹矊油獗砻媾c空氣接觸，冷卻速度較快，率先發(fā)生凝固，阻礙了由熔池底部向熔池表面方向凝固過程中產(chǎn)生的夾雜和氣泡的順利排除，使其聚集在該部位，使得這部分的夾雜和空隙率較高，出現(xiàn)了硬度的低谷［15］。另外，在熔覆層與基體過度的區(qū)域，硬度值則出現(xiàn)較大程度的下降。分析原因主要是過渡區(qū)域距離熔池較遠(yuǎn)，升溫有限，再加上冷卻速度較慢，易形成回火組織，因此硬度出現(xiàn)較大程度的下降。MgO 添加量為0.4%時(shí)，熔覆層硬度較未添加MgO 時(shí)有所提高，并且硬度分布最為均勻。這主要是因?yàn)榧尤隡gO 使涂層組織中韌性相增加，粗大的針狀脆性相消失，組織整體得到均勻細(xì)化。當(dāng)MgO 加入量0.8%時(shí)，激光熔覆層的硬度明顯下降，這是由于MgO 含量的增加，鎂與硼、鉻形成化合物，導(dǎo)致CrB硬質(zhì)相的減少。

圖2 熔覆層橫截面硬度分布Fig.2 Microhardness of the cladding layer

2.3 熔覆層磨損性能的研究

由圖3 可以看出，MgO 的加入可以改善熔覆層的摩擦性能，提高耐磨性。在相同的時(shí)間下，加入MgO 的熔覆層的磨痕寬度明顯比未加MgO 的熔覆層的窄，其中MgO 加入量為0.4%時(shí)，在相同時(shí)間內(nèi)，磨痕寬度最窄。圖4 磨損表面形貌，也可以說明這一點(diǎn)。未加MgO 熔覆層的表面出現(xiàn)較大的剝落坑，而加MgO 熔覆層的表面無剝落坑出現(xiàn)，顯得平坦。圖4 -b 所示圖像的磨損表面形貌最為平坦。這是由于未加MgO 的熔覆層中有大塊狀硬質(zhì)相存在(圖1)，在較高應(yīng)力的長(zhǎng)時(shí)間作用下，塊狀硬質(zhì)相碎裂剝落，因而磨損抗力降低;加MgO 后，使熔覆層組織細(xì)化，細(xì)小的硬質(zhì)相彌散分布在γ 和γ′韌性相中，不易脫落，很好地起著均勻載荷和減摩抗磨作用，故摩擦系數(shù)變化很小，耐磨性得到提高。另外，硬度也是耐磨性的影響因素之一。硬度大，耐磨性也隨之提高。由于硬度和潤(rùn)濕性的綜合作用，使之加入MgO 含量為0.4% 的激光熔覆層的耐磨性最好。

圖3 磨損寬度與時(shí)間的曲線圖Fig.3 The curve of frictional width to time

圖4 不同MgO 含量的磨損表面形貌Fig.4 Wear pattern of the cladding layers with different MgO content

加入適量的MgO 可以改善鐵基熔覆層的宏觀質(zhì)量，使熔覆層不出現(xiàn)裂紋，明顯細(xì)化熔覆層的顯微組織，使熔覆層的硬度分布均勻，同時(shí)改善熔覆層的耐磨性能。歸因于MgO 對(duì)晶界遷移的阻礙和對(duì)晶粒的均勻細(xì)化作用。在該文所述實(shí)驗(yàn)條件下，MgO 加入量0.4%時(shí)，效果最好。

3 結(jié)論

(1)加入適量的MgO 可以改善鐵基熔覆層的宏觀質(zhì)量，使熔覆層不出現(xiàn)裂紋，明顯細(xì)化熔覆層的顯微組織，使熔覆層硬度分布均勻，同時(shí)改善熔覆層的耐磨性能。

(2)在該實(shí)驗(yàn)條件下，MgO 加入量為0.4%時(shí)，熔覆層硬度分布最均勻，耐磨性能最好。

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