10V高速鋼激光熔覆層的組織與性能

許妮君， 劉常升， 呂建斌， 孫 挺

(1.東北大學 材料科學與工程學院，沈陽 110819；2.西安建筑科技大學 冶金工程學院，西安 710055；3. 東北大學 理學院，沈陽 110819)

高速鋼具有良好的紅硬性、耐磨性等優(yōu)點，被用于制造新型復合軋輥.一般鎢鉬系高速鋼中碳化物為M6C型，呈魚骨狀，外力作用下易碎裂，而高釩高速鋼中碳化物為球形VC，具有良好的強韌性和耐磨性，是復合軋輥常用的工作層候選材料[1-3].

激光熔覆技術(shù)是表面處理新技術(shù)，具有節(jié)能節(jié)材、可強化、可再制造等先進性，區(qū)別于傳統(tǒng)電鍍、熱噴涂等表面處理工藝，能夠制備大面積的熔覆層，滿足工程零部件的延壽和再制造需要[4-6].近年來，激光熔覆技術(shù)取得了快速發(fā)展，學者們致力于把高速鋼的優(yōu)異性能通過激光熔覆技術(shù)嫁接到量大面廣的工程材料表面，在冶金機械、能源交通、航空航天等領(lǐng)域得到大量應用[7-12].

為了把高速鋼應用于冶金輥材的表面強化與修復再制造，需要克服熔覆材料與基體材料的物性差異和激光熔覆過程快速加熱、快速冷卻等帶來的熱應力和組織應力造成的變形與開裂[13-15].Xu等[16]研究了Nd:YAG脈沖激光器制備的10V高速鋼熔覆層的顯微組織特征，發(fā)現(xiàn)脈沖激光熔覆層經(jīng)常發(fā)生開裂現(xiàn)象，既有熔覆層與基體界面處產(chǎn)生的裂紋，又有熔覆層內(nèi)部裂紋.裂紋擴展取向多垂直于基體，只在涂層內(nèi)部擴展，并不會進入到球墨鑄鐵基體.采用激光重熔技術(shù)消除和減輕了熔覆層的開裂傾向，重熔的10V高速鋼熔覆層連續(xù)平整，無裂紋、氣孔和夾雜物等宏觀缺陷.

為了避免和降低10V高速鋼在脈沖激光熔覆時的開裂傾向，本文采用新型半導體直接輸出激光器，在冶金輥材常用廉價輥芯材料球墨鑄鐵表面進行激光熔覆，通過多道搭接處理，制備連續(xù)、大面積的表面強化層，并研究其顯微結(jié)構(gòu)特征與耐磨性等，為提高輥芯材料的耐磨性與使用壽命提供指導.

1 實驗材料與方法

實驗選用10V高速鋼粉末作為熔覆材料，由安泰科技公司提供，為氣霧化制備，粒度小于45 μm，主要化學成分(質(zhì)量分數(shù)，%)為C 2.4～2.5，Cr 5～5.5，Mo 1.3，V 9.5～10.5，余量為Fe.采用西安炬光公司生產(chǎn)的3 kW半導體直接輸出激光器(FL-Dlight02-4000-976)在球墨鑄鐵表面制備熔覆層.采用鋪粉法激光熔覆技術(shù)，在單道工藝優(yōu)化基礎上，通過搭接處理制備大面積熔覆層.激光熔覆工藝參數(shù)為激光功率 1 500 ～ 1 900 W，掃描速度 10 mm/min，搭接比50%，光斑尺寸2.5 mm×11.5 mm，鋪粉層厚1 mm.利用OLYMPUS-GX71型光鏡(OM)，JSM 7001F型掃描電鏡(SEM)觀察熔覆層的截面顯微形貌；利用401MVDTM型顯微硬度儀測量熔覆層的硬度分布；利用X’Pert Pro MPD-PW 3040/60型X射線衍射儀(XRD)對熔覆層物相進行分析；采用MG-2000型高溫磨損試驗機測試熔覆層的高溫磨損失重，通過觀察表面磨損形貌分析其耐磨機理.按照GB/T 5270—2005熱震試驗方法要求，測試熔覆層的耐熱沖擊性能，考慮到軋輥工作溫度在700～800 ℃，故選取加熱溫度750 ℃，保溫30 min，把試樣從加熱爐取出放入自來水里，循環(huán)操作8次.每次觀察熔覆層表面狀態(tài)評價其耐熱沖擊抗力.

圖1 激光熔覆10V高速鋼的顯微組織形貌Fig.1 Morphology of laser cladded 10V HSS(a)—熔覆層宏觀形貌；(b)—熔覆層中部形貌；(c)—熔覆層高倍組織形貌

2 結(jié)果與討論

2.1 熔覆層顯微組織分析

圖1為球墨鑄鐵表面激光熔覆10V高速鋼試樣橫截面的顯微組織形貌.其中圖1a為多道搭接熔覆層的宏觀形貌，可見搭接道間的輪廓，熔覆層表面連續(xù)平整，無裂紋氣孔等宏觀缺陷，與含黑色塊狀石墨的球墨鑄鐵基體呈冶金結(jié)合狀態(tài).圖1b,1c為熔覆層中部組織圖，由圖1c可知，熔覆層顯微組織特征為片層狀、塊狀和球形顆粒狀.其中片層狀形貌占據(jù)熔覆層的大部，塊狀和球形顆粒狀分布在片層狀相之間.

2.2 熔覆層相組成與成分分析

圖2為球墨鑄鐵表面激光熔覆10V高速鋼試樣熔覆層的XRD衍射譜，可知熔覆層主要由α-Fe，VC，γ-Fe，Cr23C6和FeV組成.VC，Cr23C6等碳化物的存在有利于提高熔覆層硬度，同時，球形VC將避免熔覆層在使用中的開裂.由于VC在1100 ℃以上發(fā)生溶解，導致FeV相的出現(xiàn)，將進一步提高熔覆層的硬度，使高速鋼熔覆層具有更好的高溫耐磨性能.

圖2 激光熔覆10V高速鋼的XRD衍射譜圖Fig.2 XRD patterns of laser cladded 10V HSS

圖3 激光熔覆10V高速鋼的微區(qū)成分分析點位示意圖Fig.3 SEM micrographs of laser cladded 10V HSS

為分析不同顯微組織之間的成分差異，在圖3中選取三種典型形貌，圖上三點附近的成分分析結(jié)果如表1所示.可見熔覆層中V元素含量差別明顯，A點和C點含V量相近，B點C含量較高，Cr含量較低，詳見表1.

圖4為熔覆層不同微區(qū)V元素的分布情況.圖4a中綠色譜線所示為V的分布.V在球形顆粒狀區(qū)域富集，含量較高.在塊狀區(qū)含量次之，在片層狀區(qū)最低，但兩者之間的差別不大.圖4b為六邊形物相的形貌，在圖中白色線段自心部向邊緣平均取5點分析V，Cr和Fe的相對含量，如圖4c所示，可見V元素的富集過程，在中心處V的含量較高，在邊緣處逐漸降低，說明存在V元素向基體中的溶解傾向.

表1 圖3中示意點的化學成分分析(摩爾分數(shù)%)

圖4 激光熔覆10V高速鋼的微區(qū)元素線掃描分析Fig.4 Line scanning of element distribution in laser cladded 10V HSS(a)—V, Fe等元素線掃描分布; (b)—六邊形物相5點分析所在線段; (c)—V, Cr和Fe 元素分布

2.3 熔覆層硬度分析

圖5為球墨鑄鐵表面半導體激光熔覆層縱截面的顯微硬度分布曲線.可見熔覆層的硬度較基體有很大提高，激光熔覆層的硬度較為均勻，平均約為700 HV0.1，是基體硬度(320 HV0.1)的2.18倍.高速鋼熔覆層硬度的提高歸因于VC，Cr23C6等化合物的存在.另外，熔覆層熱影響區(qū)的硬度也較高，甚至高于熔覆層的硬度，可能是由于在激光作用下，球墨鑄鐵中的C發(fā)生了擴散，在隨后的快速冷卻下形成了馬氏體，其形貌如圖6所示.熔覆層的硬度與耐磨性正相關(guān)，因此，高速鋼熔覆層將會改善其耐磨性.

圖5 激光熔覆10V高速鋼的顯微硬度Fig.5 Microhardness distribution of the 10V laser cladded layer

圖6 激光熔覆10V高速鋼與基體界面處的顯微形貌Fig.6 Morphology of the interface and substrate for the laser cladded 10V HSS

圖7 激光熔覆10V高速鋼與基體的磨損失重圖Fig.7 Weight loss of the laser cladded 10V HSS and the substrate with different wear time

2.4 熔覆層的高溫耐磨性能

圖7為球墨鑄鐵基體和激光熔覆10V高速鋼在不同磨損時間條件下的磨損質(zhì)量損失曲線圖.隨磨損時間延長，基體和激光熔覆層的磨損量曲線呈上升趨勢，但熔覆層的磨損失重增幅偏?。荒p后期，基體的磨損變得越來越嚴重，磨損30 min 磨損量是磨損10 min磨損量的4倍左右.激光熔覆層在磨損30 min的磨損量約為10 min磨損量的3倍左右.在磨損30 min條件下，熔覆層的磨損量為基體磨損量的43%，可見，激光熔覆10V高速鋼可使球墨鑄鐵表面的耐磨性明顯改善.

圖8為激光熔覆10V高速鋼經(jīng)磨損10，20，30 min 后磨損表面的SEM形貌.低倍條件下觀察(圖8a)，可見熔覆層磨損面較為平整，磨損面存在深淺和寬窄不一的犁溝, 表明高速鋼熔覆層的磨損機理是犁削.在高倍下觀察，可見磨損表面存在大量球形顆粒，推斷熔覆層與摩擦副間的磨損類型為磨料磨損，即在高溫摩擦過程中，熔覆層表面不斷脫落球形顆粒，這些顆粒對摩擦面產(chǎn)生磨損.從圖8b可見一些區(qū)域的小坑，可能為球形顆粒脫落后在外力作用下所產(chǎn)生.隨磨損時間增加到30 min后，熔覆層與摩擦副之間發(fā)生了典型的黏著磨損(圖8c).高速鋼熔覆層試樣表面的磨痕淺而細, 且犁削痕跡不明顯, 表明其相應的耐磨性較好, 其機理在于熔覆層中存在細小的碳化物可以有效阻止磨粒的切入.

2.5 熔覆層的耐熱沖擊性能

圖9為球墨鑄鐵表面激光熔覆10V高速鋼的試樣750 ℃熱震的宏觀形貌.實驗結(jié)果表明，經(jīng)過8次熱震，熔覆層未見宏觀開裂，與基體未出現(xiàn)分離和剝落.第一次熱震后(圖9a)，試樣表面發(fā)生部分氧化，在冷熱交替作用下，熔覆層試樣表面的氧化層發(fā)生輕微剝離.在連續(xù)幾次的熱震實驗中(圖9b)，熔覆層表面都會發(fā)生氧化皮剝落，但是都表現(xiàn)為部分剝落，無大面積的脫落.圖9c為經(jīng)8次熱震后的熔覆層表面形貌，可見氧化現(xiàn)象嚴重，但整個熔覆層仍與基體處于緊密結(jié)合狀態(tài).圖10成分分析和圖11的物相分析結(jié)果也間接證明了這一點.由此可見，10V高速鋼的激光熔覆層具有良好的耐熱沖擊抗力.

圖8 激光熔覆10V高速鋼的磨損形貌Fig. 8 The worn surface morphologies of 10V HSS(a)—10 min； (b)—20 min； (c)—30 min

圖9 750 ℃激光熔覆10V高速鋼熱震試樣的宏觀形貌Fig.9 Surface morphology of the laser cladded 10V HSS sample in heat shock at 750 ℃(a)—1次； (b)—5次； (c)—8次

圖10 激光熔覆10V高速鋼750 ℃熱震8次后的表面形貌Fig.10 Micrograph of the 10V HSS after eighth heat shocks at 750 ℃

圖10為球墨鑄鐵表面激光熔覆10V高速鋼的熔覆層熱震8次后表面的SEM形貌，其上5點EDS能譜成分分析如表2所示.可見各點處均有V元素存在，點27和30處主要為V的氧化物.點28處主要為Fe的氧化物.點29和31未檢出O含量，可能是氧化物脫落所致.圖11為750 ℃熱震8次后10V高速鋼激光熔覆層的XRD衍射圖譜，可見氧化產(chǎn)物主要是Fe2O3，VO，直接驗證了熔覆層僅發(fā)生氧化，未發(fā)生熔覆層的整體脫落和剝離現(xiàn)象，證明激光熔覆層具有很好的耐熱沖擊抗力.

表2 圖10中示意各點的主要化學成分(摩爾分數(shù))

圖11 750 ℃激光熔覆10V高速鋼熱震試樣表面XRD衍射圖Fig.11 XRD patterns of the 10V HSS after eighth heat shocks at 750 ℃

3 結(jié) 論

(1)采用半導體激光器在球墨鑄鐵表面所制備的10V高速鋼熔覆層具有連續(xù)和完整性，無裂紋氣孔等宏觀缺陷，與基體呈冶金結(jié)合狀態(tài).

(2)其顯微組織特征為片層狀、塊狀、球形顆粒狀等多種形貌的快速凝固組織，由α-Fe，VC，γ-Fe，Cr23C6和FeV等組成；熔覆層內(nèi)合金元素分布,除微區(qū)有V等偏析外，宏觀基本均勻.

(3)顯微硬度達700 HV0.1，是基體硬度的2.18倍.在30 min磨損條件下熔覆層磨損量是基體磨損量的43%；磨損機制為磨粒磨損，摩擦磨損.

(4)750 ℃熱震實驗結(jié)果表明，熔覆層具有良好的耐磨抗力和熱沖擊抗力.