稀土對激光熔覆EA4T 車軸微觀組織和性能的影響

陳文靜，毛 裕，唐思成

（西華大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610039）

車軸是機車車輛的重要零部件之一。常見的車軸損傷或缺陷產(chǎn)生的主要環(huán)節(jié)有原材料、材料的加工、裝配工藝和列車營運等，另外還有一些外來損傷造成的車軸表面缺陷，例如在雪季、隧道中和軌道重修后，在高速軌道上運行的車軸可能被尖銳硬物沖擊等[1-3]，這些都是造成車軸失效的主要原因。目前,車軸的傷損情況已日漸暴露出來，車軸未達到使用壽命就退出運用的越來越多，且車軸報廢率呈逐年上升的趨勢。如何延長車軸的使用壽命和保障延壽后車軸的安全可靠，降低運行維護成本，已成為現(xiàn)在亟待解決的問題。

激光熔覆技術(shù)具有熱輸入低、熱影響區(qū)小、質(zhì)量高等優(yōu)點，在機車車軸修復(fù)上得到應(yīng)用。由于熔覆材料和基體之間主要為異質(zhì)合金結(jié)合，對基體和熔覆層的匹配性存在要求，不合理匹配將會出現(xiàn)裂紋、氣孔等缺陷。同時，熔覆層中的元素易產(chǎn)生稀釋作用，導(dǎo)致結(jié)合界面缺陷、力學(xué)性能匹配困難等問題[4-5]。稀土在鋼液中具有較強的化學(xué)活性，能與O、S 等有害元素生成高熔點產(chǎn)物，與Pb、Sn 等低熔點金屬交互作用，降低其對鋼材性能的危害，從而起到凈化作用，減少了雜質(zhì)元素在晶界的偏聚。另外，稀土元素的原子半徑較大，對固溶體能提供強化作用和微合金強化作用等[6-9]。本實驗通過在鐵基粉末中添加稀土元素自制研發(fā)了一種合金粉末，采用自制合金粉末對EA4T 進行激光熔覆，探討了稀土元素對再制造EA4T 試樣的微觀組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

實驗基體材料為EA4T 鋼，尺寸為200 mm ×300 mm × 60 mm，用角向磨光機打磨基體，去除表面氧化層，再采用丙酮和無水乙醇清洗金屬表面。EA4T 鋼為低碳高合金鋼材料，具有較高的強度、韌性和抗疲勞性能等，其化學(xué)成分如表1 所示，力學(xué)性能如表2 所示。從基體外表層、中部和內(nèi)表面心部的微觀組織上看，主要為回火索氏體，在中部出現(xiàn)了少量的塊狀鐵素體組織，在內(nèi)表面，由于內(nèi)表面冷速較慢，塊狀鐵素體組織較表面和中部明顯(見圖1)。熔覆用合金粉末采用自制研發(fā)的一種FeCrNiMoRE合金粉末，其化學(xué)成分如表1 所示。

1.2 實驗方法

采用IPG-YLS-4000 激光器、歐克自動行走系統(tǒng)、FHPH-20 型送粉系統(tǒng)對EA4T 鋼進行激光熔覆，激光工作方式為連續(xù)激光，激光器輸出波長為1 070 nm，焦距為300 mm，激光在焦點處形狀為圓形光斑，光斑直徑為4.0 mm，熔覆工藝參數(shù)如表3 所示。

為了觀察試樣微觀組織形貌，對經(jīng)熔覆后的試樣用FeCl3(5g)+HNO3(10 ml)+HCl(3 ml)+無水乙醇(87 ml)進行深度腐蝕，在SN3400 型掃描電子顯微鏡下觀察其組織形貌，并通過X 射線衍射儀(XRD)和EDS 測試進行物相和半定量化分析。

表1 EA4T 鋼和粉體材料成分 %

表2 EA4T 鋼力學(xué)性能

圖1 基體微觀組織形貌

表3 激光熔覆工藝參數(shù)

為了研究再制造試樣的力學(xué)性能，分別對基體和再制造試樣進行了拉伸性能實驗，并對拉伸斷口進行觀察。實驗標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗方法》，激光熔覆再制造拉伸試樣尺寸見圖2，實驗參數(shù)為：實驗溫度為室溫，加載速率為3 mm/min。

圖2 室溫拉伸試樣尺寸

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 熔覆層的微觀組織分析

圖3 為熔覆后試樣的外觀形貌。從圖中可以看出，在此工藝參數(shù)條件下得到的激光熔覆層表面光亮平整，無裂紋、氣孔等缺陷，宏觀質(zhì)量較好，熔覆層內(nèi)無冶金缺陷，且與基體冶金結(jié)合良好。

圖3 熔覆層宏觀形貌

圖4 為熔覆層微觀組織。從圖中可以看出，熔覆層主要由熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和熱影響區(qū)組成。在結(jié)合區(qū)，界面處仍保持了基體與熔覆區(qū)結(jié)晶的有序性，從基體金屬上外延生長(圖4(a))。熔覆區(qū)組織主要為板條馬氏體、奧氏體和碳化物，在熔覆區(qū)的頂部主要為等軸晶(圖4(b))。這主要是由于形核方式改變所致，稀土的加入增加了形核率[10-11]，而激光熔池中存在一個足夠長的成分過冷區(qū)域，因此在熔覆區(qū)頂部形成了細小的等軸晶。熱影響區(qū)受熱循環(huán)的影響，可分為粗晶區(qū)和細晶區(qū)，粗晶區(qū)組織為板條馬氏體和少量的殘余奧氏體(見圖4(c))。其微觀組織主要由板條馬氏體組成，有少量的殘余奧氏體和索氏體組織。細晶區(qū)組織為馬氏體和少量索氏體組成(見圖4(d))，且呈一定的方向性。相對于粗晶區(qū)的馬氏體，該區(qū)的晶粒尺寸變得細小，其晶粒尺寸為9.8～19.4 μm。由于激光熔覆高溫停留時間非常短，因此一部分回火索氏體來不及轉(zhuǎn)變將繼續(xù)長大，在隨后的快速冷卻過程中，形成細小的板條狀馬氏體和部分來不及轉(zhuǎn)變的索氏體組織。采用XRD 對熔覆區(qū)進行物相分析，結(jié)果如圖5 所示。從圖中可以看出，熔覆區(qū)主要由馬氏體、奧氏體和少量的碳化物(MoC 和M23C6)組成。由于在熔覆區(qū)中稀土元素Ce 和La 的質(zhì)量百分含量相對于Fe、Ni、Cr 等元素來說很少，因此在XRD 圖譜中很難準(zhǔn)確地判斷出其稀土氧化物種類，故未將其標(biāo)出。

圖4 熔覆層微觀組織形貌

圖5 熔覆層X 射線衍射圖譜（XRD）

采用SEM 對熔覆層微觀組織進行觀察，發(fā)現(xiàn)熔覆層和析出相內(nèi)有少量不規(guī)則形狀的夾雜，如圖6所示。分別對各析出相和基礎(chǔ)相進行能譜分析，可以看出熔覆層分別由3 種不同襯度的區(qū)域組成，標(biāo)記為A、B、C。表4 標(biāo)出了各區(qū)域的元素組成，在A、B 處有Ce、La、O 和S 元素的富集，其富集La和Ce 元素的體積分數(shù)明顯增加，在基礎(chǔ)相C 處基本未發(fā)現(xiàn)Ce 和La 元素。

2.2 顯微硬度分析

為研究FeCrNiMoRE 合金粉末對激光熔覆再制造試樣硬度的影響，以及微觀組織分布與硬度分布的關(guān)系，同一工藝參數(shù)條件下，顯微硬度采用兩組不同試樣進行測試。

圖6 熔覆層析出相的EDS 熔覆層SEM

表4 熔覆層不同部位EDS 分析結(jié)果 %

圖7 熔覆層顯微硬度

圖7 為FeCrNiMoRE 合金粉末再制造試樣的顯微硬度分布曲線。從圖中可以看出：熔覆區(qū)的顯微硬度值在HV0.2450～480 之間，顯微硬度分布比較均勻；熱影響區(qū)的顯微硬度在HV0.2350～400之間；基體的顯微硬度最低。熔覆區(qū)的顯微硬度分布和微觀組織有著密切的關(guān)系。FeCrNiMoRE 合金粉末再制造試樣熔覆區(qū)微觀組織主要為馬氏體和碳化物析出相，在熔覆區(qū)底部，由于馬氏體晶粒較粗大，其顯微硬度相對較低，在熔覆區(qū)表面由于出現(xiàn)了細小的等軸晶組織，顯微硬度相對升高。由于在熱影響區(qū)的粗晶區(qū)其組織主要為粗大的板條馬氏體，細晶區(qū)組織主要為馬氏體和少量的索氏體，因此其顯微硬度相對降低?；w組織為索氏體組織和少量的塊狀鐵素體，索氏體由多邊形的鐵素體和粒狀滲碳體組成，其塑性、韌性很好，因此基體的顯微硬度相對最低。

2.3 拉伸實驗結(jié)果分析

表5 為拉伸試驗結(jié)果。從表中可以看出，F(xiàn)eCrNiMoRE 合金粉末激光再制造車軸的抗拉強度和屈服強度比基體高，延伸率和斷面收縮率基本相當(dāng)，應(yīng)變硬化指數(shù)升高。材料的應(yīng)變硬化指數(shù)n 反映材料抗均勻塑性變形能力的大小[12-13]，n 值越高，說明所能承受的應(yīng)力值越高，材料抗均勻塑性變形能力越強。對整個再制造試樣而言，由于熔覆區(qū)有碳化物等脆硬相彌散分布在多元共晶基體上，其作用是使激光熔覆層的強度顯著提高。另外，由于FeCrNiMoRE 合金粉末中稀土元素作用，稀土元素的原子半徑較大，在鐵中的溶解度很小，化學(xué)性質(zhì)非?；顡?，與溶液中的C、O 和S 等元素有較強的結(jié)合力，能反應(yīng)生成很穩(wěn)定的化合物。生成的穩(wěn)定化合物可以作為非自發(fā)形核的質(zhì)點，提高形核的速率，從而起到了細化晶粒的作用。另外，由于稀土元素在其他相中只有很小的分配系數(shù)(＜0.02%)，因此增加了稀土元素的表面活性，在結(jié)晶過程中，往往被選擇性地吸附在晶界處。由于選擇吸附作用，使得正在生長的晶體與熔液界面處有一層吸附薄膜形成，形成的這層吸附薄膜將使晶體長大所需的原子擴散受到阻礙，因此降低了晶粒長大的傾向[14-15]，使熔覆區(qū)底部和中部的枝晶組織細小，在頂部形成細小的等軸晶。細小的等軸晶有助于降低熔覆過程中對結(jié)晶裂紋的敏感性，同時可以提高熔覆層的力學(xué)性能[16]。

圖8 為基體斷口形貌?？梢姾暧^形貌呈杯錐狀斷口，由纖維區(qū)、放射區(qū)和剪切唇3 部分組成。在中心部位區(qū)域形成很多小裂紋，裂紋逐漸擴展并互相連接，形成了纖維區(qū)。隨著裂紋的向外擴展，形成白亮的放射區(qū)，最外側(cè)為與拉伸軸成45°角的剪切唇?；w的微觀斷口形貌主要為韌窩，韌窩數(shù)量較多且分布較均勻，呈現(xiàn)出韌性斷裂特征。

圖9 為再制造試樣的拉伸斷口微觀形貌。由于斷裂位置在熱影響區(qū)，因此斷口部位沒有熔覆區(qū)和結(jié)合區(qū)的斷口形貌，熱影響區(qū)斷口形貌和基體相似，分布著大量的韌窩，韌窩更大，深度更深，為典型的韌窩斷裂特征。

表5 拉伸試驗結(jié)果

圖8 EA4T 拉伸斷口形貌

圖9 拉伸試樣斷口微觀形貌

3 結(jié)論

1)FeCrNiMoRE 合金粉末再制造試樣熔覆區(qū)主要為板條馬氏體、奧氏體、MoC 和Cr23C6組成。La 和Ce 在熔覆區(qū)的晶界和晶內(nèi)分布較均勻，與O、C、S 等形成稀土夾雜物，對熔覆層起到了凈化作用，同時可作為碳化物非均質(zhì)形核質(zhì)點，從而細化了晶粒。

2)FeCrNiMoRE 合金粉末再制造件抗拉強度和屈服強度平均值分別為932 MPa 和735 MPa，基體的抗拉強度和屈服強度分別為828 MPa 和670 MPa，再制造件的抗拉強度和屈服強度提高，延伸率和斷面收縮率與基體基本相當(dāng)，其斷裂特征均為韌性斷裂。