鐵基激光熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)和摩擦磨損性能研究①

李聰瑋，劉 澤，王 明，張佳豪，杜雙明，劉二勇

（1.西安科技大學(xué) 材料與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.陜煤集團(tuán)神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西 榆林 719300）

液壓支架作為必不可少的煤礦綜采設(shè)備，長(zhǎng)期處于井下復(fù)雜惡劣的工況環(huán)境，面臨堅(jiān)硬的煤矸石等顆粒撞擊導(dǎo)致的腐蝕、磨損等多種損傷［1－3］。傳統(tǒng)液壓支架缸體表面處理方法為電鍍硬鉻，但鍍鉻層與基體結(jié)合力較弱，且容易出現(xiàn)銹蝕和剝落等缺陷，嚴(yán)重影響液壓支架的使用壽命。激光熔覆是利用高能量密度的激光熱源在基體表面熔覆粉末材料，通過(guò)快速融化和凝固形成具有低稀釋率、高質(zhì)量及良好冶金結(jié)合涂層的技術(shù)，近年來(lái)在煤機(jī)裝備表面強(qiáng)化及再制造領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用［4－6］。鐵基熔覆層的服役性能較45鋼、27SiMn等有大幅度提升［7－10］。但針對(duì)液壓支架用鋼的鐵基熔覆涂層微觀結(jié)構(gòu)及服役性能研究尚不充分，且其與電鍍硬鉻的性能對(duì)比鮮有報(bào)道。

本文選擇3種市場(chǎng)常用液壓支架鐵基粉末X1、X2和X3作為原料，利用激光熔覆技術(shù)在45鋼表面分別制備了熔覆層，系統(tǒng)研究熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)及摩擦磨損性能，以期為液壓支架為代表的煤機(jī)裝備表面強(qiáng)化及再制造提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

選擇45鋼為激光熔覆基體材料，尺寸為200 mm×200 mm×10 mm。選擇3種鐵基粉末X1～X3作為熔覆材料，如圖1所示。由激光粒度儀分析可知，3種鐵基粉末的粒徑約為50～150μm。3種鐵基粉末化學(xué)組成如表1所示。

圖1 鐵基粉末形貌

表1 鐵基粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

選擇西安必盛激光科技有限公司3 000 W光纖激光器進(jìn)行激光熔覆。激光器輸出波長(zhǎng)1 080 nm，光斑尺寸15 mm×2 mm。激光熔覆工藝為：激光功率3 000 W，掃描速度6 mm／s，送粉速率29.4 g／min，搭接率40%。

利用線切割技術(shù)將熔覆層加工成金相試樣和摩擦磨損試樣，隨后進(jìn)行切割、打磨拋光和侵蝕處理。利用金相顯微鏡（OM）觀察顯微組織，利用XRD－7000X射線衍射儀（XRD）分析熔覆層的物相組成。

利用MRT－R4000摩擦磨損試驗(yàn)儀分析激光熔覆層的摩擦磨損性能。測(cè)試條件為：干摩擦工況，摩擦副為Φ6 mm的GCr15鋼球，磨痕長(zhǎng)度10 mm，載荷30 N，頻率2 Hz，磨損時(shí)間60 min。摩擦測(cè)試后，通過(guò)質(zhì)量損失計(jì)算試樣的磨損率，利用SEM進(jìn)行磨損形貌分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光熔覆層的顯微組織

激光熔覆過(guò)程中，鐵基粉末在激光熱作用下熔化形成合金熔池，當(dāng)激光熱源移開(kāi)以后，合金熔池快速凝固形成熔覆層。圖2為3種粉末形成的熔覆層微觀形貌。由圖2可以看出，3種鐵基熔覆層組織致密，與基材形成良好的冶金結(jié)合。熔覆層除了基體界面附近呈平面晶，其余區(qū)域主要為枝晶組織。此外，表1顯示X1鐵基粉末的碳、鎳和鉻含量高，有利于熔覆層形成發(fā)達(dá)的樹(shù)枝晶，且晶粒更細(xì)小。

圖2 鐵基粉末熔覆層微觀形貌

激光熔覆層的組織形態(tài)與熔池凝固過(guò)程中的成分過(guò)冷有關(guān)。凝固開(kāi)始時(shí)，由于熔池底部溫度梯度很大，凝固速度很慢，界面處的成分過(guò)冷度很小，形核速度大于生長(zhǎng)速度，在界面處形成呈平面生長(zhǎng)的薄帶；隨著凝固過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，熔池中部溫度梯度降低，凝固速度逐漸加快，成分過(guò)冷區(qū)域增大，以柱狀樹(shù)枝晶形式生長(zhǎng)［11］。此外，與X2、X3粉末相比，X1粉末碳含量和鎳、鉻含量較高，成分過(guò)冷傾向更大，更易形成特征明顯且晶粒細(xì)小的樹(shù)枝晶。

2.2 激光熔覆層的物相分析

圖3是3種鐵基熔覆層的X射線衍射圖。由圖3可見(jiàn)，3種鐵基粉末熔覆層在相同衍射角度顯示出衍射峰，表明3種熔覆層具有基本相同的物相組成，均為α′馬氏體，γ奧氏體及δ鐵素體。一般來(lái)說(shuō)，從液態(tài)直接凝固形成的熔覆層組織為奧氏體，但由于熔覆層冷卻速度很快，奧氏體在析出少量鐵素體的同時(shí)更易于轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體和殘余奧氏體。

圖3 鐵基粉末熔覆層X(jué)RD圖譜

2.3 激光熔覆層的硬度

3種熔覆層硬度隨深度變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，X1熔覆層的硬度在697.6～723.8HV區(qū)間，平均硬度為707.4HV；X2、X3粉末熔覆層的硬度分別在642.4～677.5HV和638.2～662.3HV區(qū)間，平均硬度為653.6HV和649.3HV。X1熔覆層的平均硬度比X2、X3熔覆層的硬度高7.6%和8.2%，但3種熔覆層的硬度均低于電鍍硬鉻（826.8HV）。熔覆層的硬度與熔覆層中馬氏體的硬度和馬氏體的含量有關(guān)［12］。在相同激光熔覆條件下，與X2、X3粉末相比，X1粉末中碳含量（0.18%）和鉻含量較高，淬透傾向較大，導(dǎo)致熔覆層中馬氏體相對(duì)含量較多且馬氏體硬度較大。

圖4 熔覆層硬度曲線

2.4 激光熔覆層的摩擦磨損性能

選擇電鍍硬鉻和鐵基熔覆層進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。由圖5（a）可知，3種熔覆層摩擦系數(shù)與鍍鉻較為接近（約0.4），表明鐵基熔覆層具有一定的減摩作用。圖5（b）表明，3種熔覆層磨損率明顯低于電鍍硬鉻，X1熔覆層磨損率僅為電鍍硬鉻的16.9%，呈現(xiàn)出優(yōu)異的抗磨損性能。與X2、X3熔覆層相比，X1熔覆層磨損率更低，原因可能是熔覆層在往復(fù)載荷和摩擦熱共同作用下發(fā)生了殘余奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變，以及磨損過(guò)程中的加工硬化作用［13－14］?？梢?jiàn)，熔覆層的抗磨損性能與其硬度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖5 熔覆層與鍍鉻層的摩擦磨損性能

3種鐵基熔覆層與鍍鉻層的磨損表面形貌如圖6所示。X1熔覆層磨痕表面存在片狀剝落，呈現(xiàn)疲勞磨損；X2熔覆層磨痕明顯變寬，剝落面積加大；X3熔覆層磨損程度進(jìn)一步加重。3種材料的磨損機(jī)理均以疲勞磨損和磨粒磨損為主。Cr鍍層在磨損過(guò)程中與摩擦副相互黏著、切削、疲勞，造成應(yīng)力集中，引起了鍍層的嚴(yán)重磨損［15］。磨痕表面化學(xué)成分見(jiàn)表2。由表2可見(jiàn)，3種熔覆層磨痕表面均出現(xiàn)了O元素，說(shuō)明磨損表面在往復(fù)載荷和摩擦熱的作用下發(fā)生了氧化。氧化反應(yīng)一方面促進(jìn)了熔覆層表面形成保護(hù)性氧化膜，減小磨損程度；另一方面，硬度較高的氧化層大大降低了熔覆層與摩擦副的接觸面積［16］。

圖6 3種熔覆層與鍍鉻層的磨損形貌

表2 磨痕表面化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

3 結(jié) 論

1）3種鐵基粉末X1～X3形成的激光熔覆層組織致密，由α′馬氏體、γ奧氏體和δ鐵素體組成，其中碳、鎳和鉻含量高的X1熔覆層的樹(shù)枝晶更發(fā)達(dá)，晶粒更細(xì)小。

2）X1熔覆層的硬度明顯高于X2、X3熔覆層的硬度，但低于電鍍硬鉻的硬度。

3）鐵基激光熔覆層的干摩擦系數(shù)與電鍍硬鉻涂層接近，但磨損率明顯低于電鍍硬鉻涂層；不同熔覆層耐磨性與其硬度呈正相關(guān)關(guān)系，磨損機(jī)理均以磨粒磨損和疲勞磨損為主。

4）利用激光熔覆技術(shù)可在45鋼表面制備組織致密、與基體形成冶金結(jié)合的鐵基熔覆層，其中熔覆層組織由α′馬氏體、γ奧氏體和δ鐵素體組成。與電鍍硬鉻涂層相比，激光熔覆層雖硬度稍低，但表現(xiàn)出了優(yōu)異的耐磨性，相關(guān)研究必將推動(dòng)代硬鉻技術(shù)的發(fā)展。