激光熔覆方法增強(qiáng)自卸車鋼板耐磨性能研究

周慧超 孫明政 趙冠琳

摘 要：磨損是影響自卸車車廂使用壽命的主要原因之一，研究利用激光熔覆方法，制備出含有TiC、VC增強(qiáng)顆粒的熔覆層。利用X射線衍射儀、電子探針、透射電鏡對(duì)增強(qiáng)顆粒進(jìn)行微結(jié)構(gòu)分析;利用滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)研究了熔覆層的耐磨損性能。結(jié)果表明，激光熔覆層的耐磨性明顯好于Q235板材。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;增強(qiáng)顆粒;耐磨性

中圖分類號(hào)：TB331 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）04-109-03

Study on the Wear Resistance of Steel plate of Dump Truck Strengthenedby Laser Cladding

Zhou Huichao¹， Sun Mingzheng²， Zhao Guanlin^3*

（ 1.Niedke Electric Machinery （Qingdao） Co. LTD， Shandong Qingdao 266000; 2.Qingdao Public Transport Group，Shandong Qingdao 266000; 3.Materials science and Engineering， Shandong University， Shandong Jinan 250061 ）

Abstract：?Wear is one of the main factors affecting the service life of dumper cars. In this study， laser cladding method was used to prepare the cladding layer containing TiC and VC reinforced particles. The microstructure of the reinforced particles was analyzed by X-ray diffractometer， EPMA and TEM. The wear resistance of the cladding layer was studied by sliding wear tester. The results show that the wear resistance of laser cladding layer is better than that of Q235 plate.

Keywords： Laser cladding; Reinforcing particles; Wear resistance

CLC NO.：?TB331 ?Document Code： A??Article ID： 1671-7988（2020）04-109-03

1 前言

磨損是材料失效的三大主要形式之一，不僅會(huì)對(duì)零部件的使用壽命、可靠性、安全性等產(chǎn)生較大影響，而且也會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失^[1]。據(jù)冶金礦山、農(nóng)機(jī)、煤炭、電力和建材五個(gè)工業(yè)部門的不完全統(tǒng)計(jì)，每年僅由于磨損就需要補(bǔ)充15～20億元的備件。隨著我國工業(yè)的快速發(fā)展，優(yōu)質(zhì)設(shè)備尤其是進(jìn)口設(shè)備的迅猛增加，因磨損造成的經(jīng)濟(jì)損失也日益增多。因此，減少材料的磨損、延長零件的使用壽命在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。

自卸車是指通過液壓或機(jī)械舉升而自行卸載貨物的車輛。由于裝載車廂可以自動(dòng)傾翻一定角度進(jìn)行卸料，大大節(jié)省了卸料時(shí)間和勞動(dòng)力成本，縮短了運(yùn)輸周期，提高了生產(chǎn)效率，是常用的運(yùn)輸專用車輛。長期的使用跟蹤調(diào)查顯示，自卸車車廂因每天裝卸貨次數(shù)較多，存在很嚴(yán)重的磨損問題。目前，很多自卸車主要采用的解決辦法是選擇更耐磨的瑞典進(jìn)口板材Hardox。該方法雖然可以在一定程度上延長車廂的使用壽命，但整體造價(jià)高，板材交期長，易出現(xiàn)斷貨情況。

激光熔覆技術(shù)是近幾十年來發(fā)展最快的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)之一，應(yīng)用成果也得到業(yè)內(nèi)人士的一致肯定^[2-5]。利用該技術(shù)可以將兩種或者兩種以上的材料復(fù)合到一起，實(shí)現(xiàn)普通基底材料的表面改性或是修復(fù)。該方法對(duì)于提高零部件的使用壽命、可靠性等以及節(jié)約材料、節(jié)約能源等各方面都具有非常重要的意義。

本研究利用激光熔覆技術(shù)在Q235鋼板表面制備出原位生成TiC和VC陶瓷顆粒增強(qiáng)鐵基的熔覆層，并對(duì)該熔覆層的微結(jié)構(gòu)以及耐磨性進(jìn)行詳細(xì)研究。旨在利用激光熔覆技術(shù)來提高自卸車車廂底板的耐磨性，達(dá)到節(jié)約材料、降低生產(chǎn)成本、延長部件使用壽命的目的。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

基體材料選用Q235鋼板，試樣尺寸為50 mm×20 mm×6 mm。激光熔覆前，需對(duì)試樣進(jìn)行去銹和去油處理，以防影響熔覆層的質(zhì)量。熔覆粉末選取鈦鐵粉（FeTi70）、釩鐵粉（FeV50）和石墨。激光熔覆選用的具體參數(shù)為：光斑直徑選用3mm，功率選擇2.0～2.5 kW，掃描速率為3～5 mm/s，搭接量在30～40%左右。整個(gè)熔覆過程需用氬氣進(jìn)行保護(hù)。

利用X射線衍射儀、JXA-8800R型電子探針及H-800型透射電鏡對(duì)熔覆層組織進(jìn)行觀察;利用M-2000型滑動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)，采用環(huán)-塊滑動(dòng)干摩擦方式進(jìn)行磨損試驗(yàn)。施加載荷10 kg，摩擦?xí)r間25 min。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

在該工藝下制備出的多道激光熔覆層，成形較好，表面平整，沒有發(fā)現(xiàn)裂紋或氣孔，可以滿足工程應(yīng)用要求。從圖1給出的熔覆層的表面X射線衍射結(jié)果來看，熔覆層主要由α-Fe、TiC和VC組成，說明該工藝條件下制備出的熔覆層是一種鐵基陶瓷復(fù)合熔覆層。增強(qiáng)相TiC和VC具有高硬度、高彈性模量、高熔點(diǎn)和高熱穩(wěn)定性能等優(yōu)點(diǎn)，兩種增強(qiáng)相在耐磨損方面的應(yīng)用引人注目^[6-9]。對(duì)材料來說，高硬度多對(duì)應(yīng)著高脆性，但是對(duì)于鐵基陶瓷復(fù)合熔覆層來說，其基體的硬度值比較低，所以一方面可以發(fā)揮出增強(qiáng)顆粒的優(yōu)勢(shì)，另一方面又可以保證鍍層不易出現(xiàn)裂紋^[10]。

圖2給出熔覆層表面的電子探針掃描圖像。從圖中可看出，在Fe基體上，分布著一系列深色的粒狀和樹枝狀的增強(qiáng)顆粒。從圖3給出的熔覆層透射電鏡結(jié)果還可看出，這種增強(qiáng)顆粒與基體的邊界非常光滑，說明增強(qiáng)相沒有被污染且與基體結(jié)合良好。這也證明了利用激光熔覆原位反應(yīng)法可以生成高質(zhì)量的TiC、VC增強(qiáng)顆粒。

圖4給出該熔覆層與基體材料Q235在同樣磨損條件下的5分鐘、15分鐘和25分鐘的磨損體積對(duì)比圖。從圖中可以看出，熔覆層與基體的磨損體積均隨磨損時(shí)間的延長在增大。當(dāng)磨損時(shí)間相同時(shí)，基體的磨損體積遠(yuǎn)大于熔覆層的磨損體積。通過計(jì)算可知，熔覆層的耐磨性能約為基體材料的22倍左右。

圖5給出熔覆層的磨損形貌圖。從圖中來看，熔覆層上磨痕較淺，且表面形貌都比較平整，沒有出現(xiàn)明顯的阻礙磨痕的平臺(tái)或小丘，但可以看到一些凸顯出來的增強(qiáng)硬質(zhì)點(diǎn)。對(duì)這種含有增強(qiáng)相的材料來說，在磨損過程中，首先被磨損的是硬度較低的基體組織，隨著基體組織磨損量的增加，增強(qiáng)顆粒逐漸暴露到摩擦面上。此時(shí)，與磨輪表面接觸更多的就是暴露出來的增強(qiáng)顆粒，僅有少量的基體組織參與摩擦過程。本研究利用激光熔覆原位反應(yīng)生成的TiC、VC顆粒數(shù)量較多，且在熔覆層表面的分布也很均勻。此外，磨損過程中，由于原位生成的增強(qiáng)相與基體間較高的結(jié)合強(qiáng)度，增強(qiáng)顆粒不宜脫落。所以，在整個(gè)磨損過程中，生成的一系列彌散分布的增強(qiáng)顆?？梢暂^為均勻地承受與磨輪之間的摩擦力，從而提高熔覆層的整體耐磨性，且磨損表面磨痕較淺且較平整。

4 結(jié)論

在Q235鋼板上，通過選用一定比例的合金粉末和激光熔覆工藝，可以利用激光熔覆技術(shù)制備出含有TiC和VC增強(qiáng)顆粒的激光熔覆層。增強(qiáng)顆粒數(shù)量較多，且在整個(gè)熔覆層中呈彌散分布狀態(tài)，與基體之間具有良好的結(jié)合強(qiáng)度，這些都有助于提高熔覆層的耐磨性能。通過比較可知，該熔覆層的耐磨性能約為基體材料的22倍左右。

參考文獻(xiàn)

[1]?鐘群鵬，田永江.失效分析基礎(chǔ)知識(shí)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，?1990.

[2]?孫榮祿，楊賢金.45鋼表面激光熔覆NiCrBSi涂層的組織和摩擦磨損性能[J].材料工程， 2005，（8）：20.

[3]?封慧，李劍峰，孫杰.曲軸軸頸損傷表面的激光熔覆再制造修復(fù)[J].中國激光，2014， 41（8）：0803003-1.

[4]?錢兆勇，鐘敏霖，劉文今，等.瓦楞輥高耐磨激光熔覆顆粒增強(qiáng)鐵基復(fù)合涂層[J].中國激光，2008，35（8）：1271.

[5]?張杰，張政，閆華等.銅和銅合金表面激光熔覆最新研究及進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014， 28（11）：68.

[6]?宋思利，鄒增大，王新洪，等.多層氬弧熔敷含TiC顆粒增強(qiáng)涂層的微觀組織及耐磨性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（4）：33.

[7]?趙冠琳，鄒增大，王新洪，等.激光熔覆原位自生TiC-VC復(fù)合增強(qiáng)鐵基合金層的研究[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2008，38（2）：6.

[8]?施瀚超，鄒增大，鄒勇，等.新型雙熔敷極TiC-VC增強(qiáng)耐磨堆焊組織與性能[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（3）：109.

[9]?隋金文，高文雪，譚曉翠，等.釩鐵含量對(duì)（Ti，V）C增強(qiáng)鐵基激光熔覆層的影響[J].材料導(dǎo)報(bào)，2016，30（18）：108-112.

[10]?楊尚磊，呂學(xué)勤，鄒增大，等.含內(nèi)生硬質(zhì)碳化物顆粒的金屬堆焊層的抗磨性能及磨損機(jī)理[J].摩擦學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（6）：508-511.